רוני אמיר – שה״מ, משרד החקלאות; רוני מקלין ואמנון בוסתן – מו״פ רמת נגב
תקציר
לשם הגדלת השימוש באנרגיה סולרית בחקלאות, אנו בודקים אפשרויות להצבת מערכות אנרגיה סולרית בחממות. בניסוי זה נבחנת האפשרות להציב פאנלים סולריים מעל מרזבי החממה בכיסוי של 30%, בהשוואה לכיסוי של 15% ולביקורת ללא מערכת סולרית.
בשנה א׳ של הניסוי, שהתקיימה בעונת החורף, בדקנו את מידת ההצללה בשלוש צורות ההצבה. הממצאים הראו שמבחינת האקלים בחממות אין הבדל גדול בטמפרטורה ובלחות. מבחינת הקרינה, נראתה ירידה של כ־30% תחת כיסוי סולרי של 30%, לעומת ירידה של פחות מ־10% תחת כיסוי סולרי של 15%.
בשנה ב׳ נמדדה השפעת הצבת הפאנלים הסולריים מעל המרזבים בבית צמיחה ברמת נגב על שטף האור המגיע לצמחי העגבנייה במהלך הגידול, על האקלים בחממה ועל היבול ואיכותו. מבחינת היבול נראתה ירידה של כ־17% בטיפול של 15% כיסוי ביחס לביקורת, ובטיפול של 30% כיסוי הגיעה הירידה לכ־27% ביחס לביקורת.
הקדמה
בעשור האחרון, בעקבות האצת תהליכים של שינויי אקלים, מתגברת ההכרה העולמית בצורך לעבור מאנרגיה המבוססת על פחמן מאובן – נפט, פחם וגז – לאנרגיה מתחדשת לסוגיה. ממשלת ישראל קיבלה החלטה להגדיל את ייצור החשמל באמצעות אנרגיות מתחדשות עד לשנת 2030, כך שיגיע ל־30% מסך צריכת החשמל בארץ.
בשל כך הוחלט לבדוק את האפשרות לנצל קרקעות חקלאיות להפקת אנרגיה מתחדשת, תוך שמירה על היקף הקרקע החקלאית ועל היבול המתקבל ממנה. הפתרון שהוצע הוא שימוש אגרו־וולטאי, כלומר שימוש כפול בקרקע. בנוסף, הכיסוי הסולרי עשוי לסייע בהפחתת עומס החום בחממות. בעשר השנים האחרונות חלו שינויי אקלים גלובליים, שבעקבותיהם עומסי החום והלחות במבני גידול חקלאיים נעשו גבוהים יותר והופיעו בקצב מהיר מבעבר. הדבר הסב נזקים חמורים ליבול ולאיכות התוצרת.
הרעיון האגרו־פוטו־וולטאי מתמקד בחלוקת הקרינה הסולרית בין הצמחים, לצורך ייצור חקלאי, לבין מערכת פוטו־וולטאית לייצור אנרגיה, ובו בזמן בהפחתת עומסי הקרינה והחום על הצמחים. שילוב מערכות סולריות מעל חממות או על קירותיהן, בשיעורי כיסוי המתאימים לצמח, עשוי לשפר את הגידול במבנה ואת רווחיותו.
בשנים האחרונות זכה השימוש בחממות למתקנים אגרו־פוטו־וולטאיים לתשומת לב בעולם האקדמי, והוא כבר מיושם בידי חקלאים רבים. כיום ניתן להתקין בארץ מערכת מעל המרזבים לסירוגין, כך ששיעור הכיסוי מעל החממה יהיה 15%.
במחקר זה נבחן גידול עגבניות בחממות ברמת נגב, שעליהן הוקמו מתקנים אגרו־פוטו־וולטאיים (Agrophotovoltaic systems – APV): פאנלים סולריים מעל מרזבי החממה בכיסוי של 15% ושל 30%, לעומת חממת ביקורת ללא כיסוי סולרי. נבדקה השפעת המערכת על גידול העגבניות במשך שתי עונות, וכן השפעתה על המדדים המטאורולוגיים בחלקות הניסוי.
מטרת הניסוי
מדידת השפעת הצבת הפאנלים הסולריים על גג בית צמיחה ברמת נגב על שטף האור המגיע לצמחי העגבנייה במהלך הגידול ועל היבול.
שיטות וחומרים
המחקר התבצע במשך שתי עונות במשקו החקלאי של עופר אלעד במושב כמהין. על החממות הוקמו מתקנים אגרו־פוטו־וולטאיים (APV) של פאנלים סולריים דינמיים, על מערכת עקיבה חד־צירית, בשיעורי כיסוי קרקעי (GCR) של 13.75% ושל 27.5% (איור 1). במחקר נבחנה השפעת המערכת הסולרית על גידול העגבניות.
מועד השתילה הראשונה של צמחי העגבניות היה ביולי 2023.
הטיפולים הראשיים: כיסוי קרקעי (GCR) של 13.75% לעומת ביקורת ללא כיסוי באותה חממה; וכיסוי קרקעי של 27.5% לעומת ביקורת ללא כיסוי באותה חממה. נבדקו מדדי יבול ואיכות והשפעות נוספות על הצמח והפרי. לאורך תקופת הגידול נמדדו גם טמפרטורה, לחות וקרינה.
פירוט הצבת הפאנלים בחממה בכמהין:
- חלקה תחת פאנלים סולריים בכיסוי של 30% – מעל כל מרזב.
- חלקה תחת פאנלים סולריים בכיסוי של 15% – מעל כל מרזב שני, לסירוגין.
- חלקת ביקורת ללא פאנלים סולריים.
איור 1. מפה המתארת את חלקות ההצללה בכיסוי של 30% (כחול), 15% (ירוק) וביקורת ללא הצללה (לבן), ואת מיקום החיישנים (1–6) שהוצבו מעל הצמחים.
בחממה נערכו מדידות מטאורולוגיות באמצעות שני חיישנים של חברת ״גרופיט״, שהותקנו מעל הצמחים למדידת שטף הקרינה, טמפרטורת האוויר והלחות. החיישנים הותקנו על כבל ההדליה: חיישן אחד הוצב בערוגה שמתחת למרזב, והשני בערוגה שבמרכז הגמלון (איורים 1 ו־2).
ב־24.9.2024 נשתלו שתילי עגבנייה מזן שירן בחממה בכמהין (משק פיליש), שעליה מותקנים פאנלים סולריים (איור 2).
תמונה 1. חממת עגבניות במשק אלעד, מושב כמהין, שעליה הוקמו מתקנים אגרו־פוטו־וולטאיים (APV) של פאנלים סולריים דינמיים על מערכת עקיבה חד־צירית.
(א) מעל כל מרזב הוקם פס רציף של פאנלים ברוחב 2.2 מטרים. רוחב הגמלון הוא 8 מטרים, ושיעור הכיסוי הקרקעי (GCR) הוא 27.5%.
(ב) מעל כל מרזב שני הוקם פס רציף של פאנלים ברוחב 2.2 מטרים. רוחב הגמלון הוא 8 מטרים, ושיעור הכיסוי הקרקעי (GCR) הוא 13.75%.
כיוון גמלוני החממה ופסי הפאנלים הוא צפון–דרום, כך שהפאנלים עוקבים אחר השמש לאורך היום, ממזרח למערב. צילום: רוני מקלין, מו״פ רמת נגב.
כל חלקה כללה ארבע ערוגות מסומנות. היבול נמדד על פי מספר הקרטונים של התוצרת לשיווק שנאספו מכל ערוגה.
הניסוי הסתיים בתחילת יולי בשל פגיעה משמעותית ביבול של ארבע הקומות האחרונות בכל החלקות, כתוצאה מנגיעות באקריות.
תוצאות
מהבדיקות שבוצעו בשנה א׳, בחודשים נובמבר–דצמבר 2023, עלה כי לכיסויים השונים של הפאנלים הסולריים לא הייתה השפעה מובהקת על הלחות היחסית במבנה ועל הטמפרטורה בשעות היום, בהשוואה לאזורים בחממה ללא כיסוי.
כדי לבחון את השפעת הפאנלים על הקרינה, נערכה השוואה של סך הקרינה היומית (DLI) תחת כיסוי של 30% ושל 15% וללא כיסוי, באזורים שונים בגמלון. לכיסוי הפאנלים הייתה ההשפעה החזקה ביותר על הקרינה במרכז הגמלון המכוסה ב־30%, ביחס למרכז גמלון לא מכוסה באותה חממה. הירידה בקרינה במקרה זה הייתה גבוהה מ־30%. גם בצד הימני והשמאלי של הגמלון נרשמה ירידה של כ־30% בקרינה, כאשר הירידה בצד הימני הייתה משמעותית יותר מבצד השמאלי בשתי החממות. בחממה עם כיסוי של 15% ההשפעה על הקרינה הייתה חלשה הרבה יותר, ובאה לידי ביטוי בעיקר במרכז הגמלון ובצדו הימני.
לשם השוואת טיפולי ההצללה לביקורת נערך מבחן t מזווג (paired t-test). המדידות נאספו במשך שבעה ימים, ובכל יום בוצעו מדידות בו בזמן בקבוצת הביקורת ובקבוצת הטיפול. מאחר שכל זוג מדידות נאסף באותם תנאים סביבתיים, כגון קרינה, טמפרטורה ושעה ביום, נבחר מבחן t מזווג לבחינת מובהקות ההבדלים בין הקבוצות.
טבלה 1 מציגה את תוצאות המבחן להשוואת ערכי DLI בין הביקורת לבין טיפולי ההצללה של 15% ושל 30%, בשלושה מיקומים בגמלון: ימין, מרכז ושמאל. בכל המצבים נמצא הבדל מובהק בין הביקורת לטיפול (p < 0.05), למעט בטיפול של 15% הצללה בצד השמאלי, שבו לא נצפה הבדל מובהק (p > 0.05). ממצא זה סביר, שכן הפאנל הסולרי שיצר את ההצללה מוקם בצד הימני של הגמלון, כך שהצל לא הגיע במידה משמעותית לאזור השמאלי.
רמת הקרינה מחוץ לחממה הייתה גבוהה בכ־30%–50% מרמת הקרינה בחלקות הביקורת, במיקומים השונים בגמלון בשתי החממות. כלומר, הקרינה פוחתת בכ־30%–50% מעצם הכניסה לחממה, עוד לפני הוספת הפאנלים הסולריים, שמפחיתים אותה בשיעור נוסף. בנוסף, כצפוי, הקרינה במרכז הגמלון הייתה גבוהה מזו שמתחת למרזבים, מימין ומשמאל, הן בביקורת והן בחלקה המכוסה בפאנלים.
בשנה ב׳ של הניסוי נכללו בניתוח הנתונים המטאורולוגיים רק החודשים דצמבר 2024 עד מרס 2025, מאחר שמאפריל ואילך חלה תקלה בחלק מהחיישנים. בשל כך לא התאפשר איסוף נתונים מלא ועקבי בכל הטיפולים, והנתונים שנאספו מאפריל לא נכללו בניתוח.
ניתוח הנתונים המטאורולוגיים התמקד בשעות שבהן נרשמה עוצמת קרינה ממוצעת של 100 ואט למ״ר (W/m²) ומעלה. חלון הזמן, בין 08:00 ל־16:00, נבחר משום שבשעות אלו עוצמת הקרינה גבוהה יחסית ומייצגת את שעות הפעילות הפוטוסינתטית, שבהן השפעת ההצללה בולטת במיוחד.
נתוני לחות וטמפרטורה
ממדידת הלחות והטמפרטורה בחממה בשעות היום (08:00–16:00) נראה כי לא היו הבדלים מובהקים בין הביקורת לטיפולי ההצללה בחודשים דצמבר עד מרס (איורים 2 ו־3).
נתוני הקרינה
איור 4 מציג את ממוצעי סך הקרינה היומית (Daily Light Integral – DLI) שנמדדו מחוץ לחממה ובתוכה בארבעת החודשים שבין דצמבר למרס. בתוך החממה נמדדו שלושה טיפולים: ביקורת ללא הצללה סולרית (CTL), כיסוי של 15% וכיסוי של 30%.
מההשוואה בין הקרינה מחוץ לחממה לבין הביקורת שבתוכה עולה כי עצם כיסוי החממה גרם לירידה מובהקת בקרינה. הירידה הממוצעת בחלקת הביקורת שבתוך החממה, בהשוואה לקרינה מחוצה לה בארבעת החודשים, הייתה כ־38%.
בהשוואה בין הטיפולים בתוך החממה נראה, כצפוי, שככל ששיעור הכיסוי עולה, עוצמת הקרינה פוחתת. בטיפול של 15% כיסוי נרשמה ירידה ממוצעת של כ־21.6% ביחס לביקורת, ובטיפול של 30% כיסוי נרשמה ירידה ממוצעת של כ־29%. הירידה המשמעותית ביותר בין טיפול ה־30% לביקורת נרשמה במרס, והסתכמה בכמעט 30%.
ניתוח שונות (ANOVA) העיד על הבדלים מובהקים בעוצמת הקרינה (DLI) בין טיפולי ההצללה (p < 0.05). השוואה בשיטת Tukey HSD הראתה שבכל אחד מהחודשים רמת הקרינה היומית מחוץ לחממה הייתה גבוהה באופן מובהק מזו שבכל הטיפולים שבתוכה. רמת הקרינה היומית בביקורת הייתה גבוהה באופן מובהק מזו שבטיפולי ההצללה בדצמבר, בינואר ובמרס. בפברואר הביקורת נבדלה במובהק רק מהטיפול של 30% כיסוי. באף אחד מהחודשים לא נמצא הבדל מובהק ברמת הקרינה היומית בין טיפולי הכיסוי של 15% ושל 30% (ראו סימון אותיות באיור 4).
קרינה שעתית
רמת הקרינה השעתית נבדקה בכל אחד מהטיפולים כדי להבין כיצד הקרינה המגיעה לצמח משתנה במהלך היום.
באיור 5 נראה כי הירידה המשמעותית בקרינה בשני טיפולי הכיסוי, 15% ו־30%, התרחשה בשעות אחר הצהריים, בין 12:00 ל־16:00. שיא הירידה היה בין 13:00 ל־14:00, אז הקרינה פחתה ביותר מ־50% בהשוואה לביקורת. בטיפול של 30% כיסוי נרשמה ירידה משמעותית נוספת בקרינה בשעות הבוקר, בין 08:00 ל־09:00.
יבול
במהלך הקטיפים נספרו ארגזי היבול לשיווק בכל ערוגה בכל טיפול – ארבע ערוגות לכל טיפול בכל קטיף (איור 6). היבול הומר לטונות לדונם על פי חישוב השטח והערכת המשקל בקטיף, באמצעות הכפלת מספר הארגזים במשקל המוערך של ארגז ממוצע.
בטבלה 2 מוצגים היבול בכל טיפול ובכל חודש, היבול המצטבר ושיעור היבול בטיפולי ההצללה ביחס לביקורת. בטבלה 2 ובאיור 6 מוצגים גם ממוצעי היבול החודשיים וממוצע היבול המצטבר.
בטיפול של 30% כיסוי התקבל היבול הנמוך ביותר. בטיפול של 15% כיסוי היבול היה נמוך בכ־17% מהביקורת, ובטיפול של 30% כיסוי הוא היה נמוך בכ־27%.
בינואר נקטף יבול בביקורת בלבד, ולא היו קטיפים בטיפולי ההצללה. גם בפברואר ובמרס התקבל בביקורת יבול רב יותר מאשר בטיפולי ההצללה. באפריל ובמאי כבר לא נראו הבדלים משמעותיים בין הביקורת לטיפולים.
לסיכום, היבול המצטבר הגבוה ביותר נצפה בביקורת, בעיקר בשל ההבדלים בחודשי החורף המוקדמים. עם הכניסה לאביב ההבדלים הצטמצמו, ובאפריל ובמאי לא נראו הבדלים משמעותיים בין הטיפולים לביקורת.
דיון
תוצאות המחקר מראות שהפאנלים הסולריים על גג החממה הפחיתו את רמות הקרינה ביחס לביקורת, בעיקר בשעות אחר הצהריים, ובכיסוי של 30% גם בשעות הבוקר המוקדמות. יש לציין ששעות הפוטוסינתזה המשמעותיות של צמח העגבנייה הן שעות הבוקר המאוחרות, שבהן עוצמת הקרינה גבוהה ויעילות הניצול הפוטוסינתטי מיטבית. בשעות אלו נרשמה ירידה מתונה בלבד ברמות הקרינה בטיפולי ההצללה.
מבחינת היבול, ההבדלים העיקריים בין הטיפולים הופיעו בחודשי החורף, כאשר לביקורת היה יתרון משמעותי על החלקות המוצלות. מאפריל ההבדלים ביבול הצטמצמו ואף נעלמו. הדבר מעיד שהשפעת ההצללה חזקה יותר בתקופה שבה עוצמות הקרינה נמוכות ממילא.
סיכום
במחקר נמצא כי לפאנלים הסולריים הייתה השפעה שלילית, אם כי מוגבלת, על הקרינה המגיעה לצמחים ועל היבול. בהתאם לכך, בהקמת מערכות אגרו־וולטאיות מומלץ לשקול גמישות בהצבת הפאנלים – למשל, באמצעות מערכת עקיבה המאפשרת לשנות את זוויתם – או להתאים את מועדי השתילה, כדי להשיג איזון מיטבי בין שמירה על היבול לבין הפקת אנרגיה.
ביבליוגרפיה
Dipta, Shahriyar Safat (2022). “Estimating the potential for semitransparent organic solar cells in agrophotovoltaic greenhouses.” Applied Energy, 328, 120208.
Weselek, Axel (2019). “Agrophotovoltaic systems: applications, challenges, and opportunities. A review.” Agronomy for Sustainable Development, 39(35). DOI: 10.1007/s13593-019-0581-3.
Schindele, Stephan (2020). “Implementation of agrophotovoltaics: Techno-economic analysis of the price-performance ratio and its policy implications.” Applied Energy, 265, 114737.
תודות לקרן מחקרי שה״מ על תמיכתה במחקר.
הערה לעריכה: התמונות, האיורים והנתונים המספריים של טבלאות 1 ו־2 לא נכללו בטקסט שהודבק כאן. הכיתובים שלהם נשמרו במקומם כדי שיהיה אפשר לשלבם מהמסמך המקורי.
