בחינת ביצועי עגבניות חממה תחת כיסוי אגרו-וולטאי

משתנה (עד %30) ברמת נגב – סיכום תוצאות המחקר

חוקרים: 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 המיטבית לשימוש במערכת סולרית של פנלים על החממה מעל המרזבים בשיעור של %30, בהנחה שההצללה תשפיע באופן שונה ויעיל מהמצב הקיים כיום של %15 כיסוי, ומהביקורת – בלי מערכת סולרית. בניסוי שנה א', שהתקיים בעונת החורף, בדקנו את מידת ההצללה בשלוש צורות הצבה. הממצאים הראו שמהיבט האקלים בחממות אין הבדל גדול בטמפרטורה ובלחות, אולם  מהיבט הקרינה נראית ירידה של כ-%30 בקרינה תחת כיסוי סולרי של %30, לעומת ירידה בקרינה הפחותה מ-%10 תחת כיסוי סולרי של %15. 

בשנה ב' נמדדה השפעת ההצבה של פנלים סולריים מעל המרזבים בבית צמיחה ברמת נגב על שטף האור המגיע לצמחי עגבנייה במהלך הגידול, על האקלים בחממה ועל נתוני היבול ואיכותו. מהיבט היבול – נראתה ירידה של כ-%17 בטיפול של %15 כיסוי, ביחס לביקורת, ובטיפול ההצללה של %30 הגיעה הירידה ביבול לכ-%27, ביחס לביקורת.

הקדמה

בעשור האחרון בעקבות האצת תהליכים של שינויי אקלים, מתגברת ההכרה העולמית בצורך לעבור מאנרגיה מבוססת פחמן מאובן (נפט, פחם וגז) לאנרגיה מתחדשת לסוגיה. ממשלת ישראל קיבלה החלטה להגדיל את יעדי ייצור החשמל באמצעות אנרגיות מתחדשות עד לשנת 2030 בשיעור של %30  מסך צריכת החשמל בארץ. בשל כך, הוחלט לאחרונה לבדוק את האפשרות לנצל את הפוטנציאל הגלום בקרקעות חקלאיות להפקת אנרגיה מתחדשת, תוך שמירה על היקף הקרקע החקלאית ועל היבול המתקבל ממנה. הפתרון שהוצע הוא אגרו-וולטאי (דו-שימוש). בנוסף, הכיסוי הסולרי עשוי לתת מענה להפחתת עומס החום בחממות. בעשר השנים האחרונות חלו שינויי אקלים גלובליים, שבעקבותיהם שררו במבני הגידול בחקלאות עומסי חום ולחות ברמה גבוהה ובקצב מהיר משהיו בעבר, והדבר הסב נזקים חמורים ליבול ולאיכות התוצרת.

הרעיון האגרו-פוטו-וולטאי מתמקד בשיתוף של האנרגיה הסולרית בין הצמחים (הייצור החקלאי) עם ייצור אנרגיה פוטו-וולטאית, ובו-בזמן בהפחתת עומסי קרינה וחום בצמחים. שילוב של מערכות סולריות (פוטו-וולטאיות) מעל החממות ו/או על קירות החממה באחוזי הכיסוי המתאימים לצמח, עשויים לשפר את הגידול במבנה ואת רווחיותו. בשנים האחרונות השימוש בחממות עבור מתקנים אגרו-פוטו-וולטאיים להפקת אנרגיה זכה לתשומת לב בעולם האקדמאי, והוא מיושם זה מכבר על ידי 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 מתקני אגרו-פוטו-וולטאיים (Agrophotovoltaic systems- APV), של פנלים סולריים מעל מרזבי החממה בשיעור של %15 ובשיעור של %30, לעומת הביקורת – חממה רגילה ללא כיסוי. במחקר נבדקה השפעת המערכת הסולרית על גידול העגבניות במשך שתי עונות. בנוסף לכך, תיחקר השפעת המערכות הסולריות על המדדים המטאורולוגיים בחלקות הניסוי השונות.

מטרת הניסוי 

מדידת השפעת ההצבה של פנלים סולריים על גג בית צמיחה ברמת נגב על שטף האור המגיע לצמחי עגבנייה במהלך הגידול ועל היבול.

שיטות וחומרים 

המחקר התבצע במשך שתי עונות במשק החקלאי של עופר אלעד במושב כמהין, בחממות שעליהן הוקמו מתקני אגרו-פוטו-וולטאיים (Agrophotovoltaic systems – APV) של פנלים סולריים דינמיים (על מערכת עקיבה חד-צירית) באחוזי כיסוי קרקעי (GCR) של %13.75 ושל %27.5 (איור 1). במחקר נבחן את השפעת המערכת הסולרית על גידול העגבניות.

מועד השתילה הראשונה של צמחי העגבניות: יולי 2023.  

טיפולים ראשיים: אחוז הכיסוי הקרקעי (GCR): %13.75, ביקורת ללא כיסוי באותה חממה, אחוז כיסוי קרקעי (GCR): %27.5, ביקורת ללא כיסוי באותה חממה. ייבדקו פרמטרים של יבול ואיכות והשפעות אחרות על הצמח והפרי. יימדדו פרמטרים אקלימיים, כמו טמפרטורה, לחות וקרינה במשך כל תקופת הגידול.

תמונה 1: חממת עגבניות במשק אלעד (מושב כמהין), שעליהן הוקמו מתקנים אגרו-פוטו-וולטאיים (Agrophotovoltaic systems- APV) של פנלים סולריים דינמיים (על מערכת עקיבה חד-צירית). (א) בחממה זו הוקם מעל כל מרזב פס רציף של פנלים ברוחב של 2.2 מ', כשרוחב גמלון הוא 8 מ', לקבלת כיסוי קרקעי (GCR) של %27.5; (ב) בחממה זו הוקם מעל כל מרזב שני פס רציף של פנלים ברוחב של 2.2 מ', כשרוחב גמלון הוא 8 מ' לקבלת כיסוי קרקעי (GCR) של %13.75. כיוון גמלוני החממה ופס הפנלים הוא צפון-דרום, כך שהפנלים עוקבים אחר השמש לאורך היום, ממזרח למערב. (צילום – רוני מקלין, מו"פ רמת נגב). 

פירוט הצבת הפנלים בחממה בכמהין: 

1. חלקה תחת פנלים סולריים בכיסוי של %30 (מעל כל מרזב).
2. חלקה תחת פנלים סולריים על הגג בכיסוי של  %15 (מעל כל מרזב שני, לסירוגין). 
3. חלקת ביקורת ללא פנלים סולריים.

בחממה זו נערכו מדידות מטאורולוגיות באמצעות שני חיישנים של חברת 'גרופיט' שהותקנו מעל הצמחים למדידת שטף הקרינה, טמפרטורת האוויר והלחות באוויר. החיישנים הותקנו על כבל ההדליה, כשחיישן אחד הוצב בערוגה שמתחת למרזב, וחיישן שני בערוגה שבמרכז הגמלון (איור 1 ו-2). 

בתאריך 24/09/24 נשתלו שתילי עגבניות מזן שירן בחממה בכמהין (משק פיליש), שעליה מותקנים פנלים סולריים (איור 2). 

כל חלקה כללה 4 ערוגות מסומנות, והיבול נמדד בהן על פי מספר הקרטונים של היבול לשיווק, כפי שנאסף מכל ערוגה.  

הניסוי הסתיים בתחילת יולי, בשל פגיעה משמעותית ביבול של 4 הקומות האחרונות בכל החלקות כתוצאה מנגיעות באקריות.

תוצאות

מהבדיקות, שבוצעו בשנה א' בחודשים נובמבר-דצמבר 23, עלה כי לכיסויים השונים של הפנל הסולרי לא הייתה השפעה מובהקת על הלחות היחסית במבנה ועל הטמפרטורה בשעות היום, כמו באזורים בחממה שהיו ללא כיסוי.

כדי לבחון את השפעת הפנלים על הקרינה, בוצעה השוואה של הקרינה היומית (DLI) תחת כיסוי הפנל (%30 ו-%15) וללא כיסוי, באזורים שונים בגמלון. לכיסוי הפנל הייתה ההשפעה החזקה ביותר על הקרינה במרכז גמלון המכוסה ב-%30, ביחס לגמלון לא מכוסה במרכזה של אותה חממה. הירידה בקרינה במקרה זה הייתה גבוהה מ-%30. גם בצד הימני והשמאלי של הגמלון הייתה ירידה בקרינה בכ-%30, כשהירידה בקרינה בצדו הימני הייתה משמעותית יותר מאשר בצד השמאלי בשתי החממות. בחממה בכיסוי %15 ההשפעה הייתה חלשה הרבה יותר על הקרינה, ובאה לידי ביטוי בעיקר במרכז הגמלון ובצדו הימני.

לשם השוואת השפעת טיפולי ההצללה עם קבוצת הביקורת, בוצע מבחן t מזווג (paired t-test). המדידות נאספו במשך 7 ימים, כאשר בכל יום בוצעו מדידות סימולטניות הן בקבוצת הביקורת והן בקבוצת הטיפול.

מאחר שהמדידות בכל זוג נאספו באותם תנאים סביבתיים (כגון תנאי קרינה, טמפרטורה וזמן ביום), נוצרו זוגות תואמים, ולכן נבחר מבחן t מזווג כאמצעי סטטיסטי מתאים לבחינת מובהקות ההבדלים בין הקבוצות. 

טבלה 1: תוצאות מבחןt  מזווג (paired t-test)  עבור מדידות DLI  שנאספו בימים תואמים

טבלה 1 מציגה את תוצאות מבחןt  מזווג שנערך להשוואת ערכיDLI  בין קבוצת הביקורת לבין קבוצות הטיפול בהצללה של %15 ו־%30, בשלושה מיקומים שונים בגמלון (ימין, מרכז, שמאל). ניתן לראות כי בכל המצבים קיים הבדל מובהק בין הביקורת לטיפול(p < 0.05) , למעט בטיפול של %15 הצללה בצד השמאלי, שם לא נצפה הבדל מובהק בין הביקורת לטיפול (p > 0.05). ממצא זה סביר והגיוני, שכן הפנל הסולרי שהיווה את מקור ההצללה מוקם בצד הימני של הגמלון, כך שהצל לא הגיע באופן משמעותי לאזור השמאלי.

רמת הקרינה בחוץ גבוהה בכ-%30-%50  מהקרינה בחלקות הביקורת במיקומים השונים בגמלון, בשתי החממות. כלומר הקרינה יורדת בכ-%30-%50 רק מעצם הכניסה לחממה, לפני הוספת הפנלים הסולריים, אשר מפחיתים אותה  באחוזים נוספים. בנוסף, כצפוי, הייתה הקרינה במרכז הגמלון גבוהה מזו שמתחת למרזבים (מימין ומשמאל), גם בביקורת וגם בחלקה המכוסה בפנל, כלומר המרזבים הפחיתו אותה באחוזים נוספים.

בשנה ב' של הניסוי התייחסו הנתונים המטאורולוגים בניתוח זה רק לתקופה שבין חודש דצמבר 24 לחודש מרס 25, מאחר שמחודש אפריל ואילך חלה תקלה בחלק מהחיישנים. בשל כך, לא התאפשר איסוף נתונים מלא ועקבי בכל הטיפולים, והנתונים שנאספו בתקופה זו לא נכללו בניתוח בשל אי-אפשרות לבצע השוואה מהימנה.

ניתוח הנתונים המטאורולוגיים התמקד בשעות שבהן נרשמה עוצמת קרינה ממוצעת של 100 ואט למטר רבוע (W/m²) ומעלה. טווח שעות זה, המשתרע בין 08:00 ל-16:00, נבחר כחלון זמן רלוונטי לצורך הצגת הנתונים והשוואתם. הסיבה לבחירה זו היא שבשעות אלו, כאשר עוצמת הקרינה גבוהה יחסית ומייצגת את שעות הפעילות הפוטוסינתטית, השפעת טיפול ההצללה באה לידי ביטוי באופן המשמעותי ביותר.

נתוני לחות וטמפרטורה 

ממדידת אחוז הלחות והטמפרטורה בחממה בשעות היום (00:08-00:16) נראה כי אין הבדלים מובהקים בין הביקורת לטיפולי ההצללה השונים בחודשים דצמבר עד מרס (איורים 2 ו-3). 

נתוני קרינה

הנתונים באיור 4 שלהלן מציגים ממוצעי קרינה יומית (Daily Light Integral – DLI), שנמדדו מחוץ לחממה ובתוכה בארבעת החודשים שבין דצמבר למרס, תחת שלושה טיפולים: ביקורת – ((CTL ללא הצללה, הצללה חלקית של %15, והצללה מוגברת של %30 באמצעות פנלים סולריים. ראשית נציין כי מההשוואה בין הקרינה מחוץ לחממה לבין טיפול הביקורת (ללא הצללה) עולה כי הייתה ירידה מובהקת בעוצמת הקרינה הנובעת מעצם  כיסוי החממה. הירידה הממוצעת בקרינה בחלקת הביקורת בתוך החממה לעומת הקרינה מחוץ לחממה בארבעת החודשים היא כ-%38. 

בהשוואה בין הטיפולים בתוך החממה נראה כצפוי, כי ככל שעולה אחוז ההצללה, כך פוחתת עוצמת הקרינה. בטיפול הצללה של %15 נרשמה ירידה ממוצעת של כ-%21.6 ביחס לביקורת, בעוד שבטיפול עם הצללה של %30 הירידה הממוצעת עומדת על כ-%29. הירידה המשמעותית ביותר בין טיפול %30 לבין הביקורת נרשמה בחודש מרס, והסתכמה בכמעט %30. 

ניתוח שונות (ANOVA) העיד על הבדלים מובהקים בעוצמת הקרינה (DLI) בין טיפולי ההצללה (p < 0.05).

השוואה בשיטת Tukey HSD הראתה כי בכל אחד מהחודשים הייתה רמת הקרינה היומית בחוץ גבוהה באופן מובהק מכל אחד מהטיפולים בתוך החממה. כמו כן, רמת הקרינה היומית בטיפול הביקורת הייתה גבוהה באופן מובהק מטיפולי ההצללה בחודשים דצמבר, ינואר ומרס. בחודש פברואר טיפול הביקורת היה שונה במובהק רק מטיפול ההצללה %30. כמו כן, ניתן לראות כי באף אחד מהחודשים לא היה הבדל מובהק ברמת הקרינה היומית בין הצללה של %15 להצללה של %30 (ראה סימון אותיות באיור 4). 

קרינה שעתית 

להבנת השפעת הירידה בקרינה על הצמח במהלך היום, נבדקה רמת הקרינה השעתית בכל אחד מהטיפולים.

באיור 5 נראה כי הירידה המשמעותית בקרינה בשני טיפולי ההצללה של %30 ושל %15 התרחשה בשעות אחר הצהריים, כלומר בין 00:12-00:16, כאשר שיא הירידה היה בשעות 00:13-00:14, שבהן הקרינה ירדה ביותר מ-%50 לעומת הביקורת. בטיפול ההצללה של %30 הייתה ירידה משמעותית נוספת בקרינה בשעות הבוקר – 00:08-00:09. 

יבול

במהלך הקטיפים נספרו הארגזים של היבול השיווקי בכל ערוגה עבור כל טיפול, ובסך הכול ב-4 ערוגות לכל טיפול בכל קטיף (איור 6). היבול הומר לטון לדונם על פי חישוב השטח והערכת המשקל בקטיף, לפי מכפלת מספר הארגזים במשקל המוערך של ארגז ממוצע.

בטבלה 2 מוצגת כמות היבול בכל אחד מהטיפולים ובכל חודש מחודשי הגידול, את היבול המצטבר ואת אחוז היבול בטיפולי ההצללה ביחס לביקורת.

טבלה 2: כמות היבול (טון לדונם) בטיפולים השונים בחודשי הגידול, היבול המצטבר (סכום כולל) והיבול באחוזים בטיפולים ביחס לביקורת

בטבלה 2 ובאיור 6 נראים ממוצעי היבולים בחודשים השונים וממוצע היבול המצטבר. ניתן לראות כי בטיפו ל של %30 הצללה התקבל היבול הנמוך ביותר. הירידה ביבול בטיפול של %15 הצללה הייתה כ-%17, ביחס לביקורת.  בטיפול ההצללה של %30 הגיעה הפחיתה ביבול לכ-%27  ביחס לביקורת. עוד ניתן לראות כי בחודש ינואר נצפו קטיפים בביקורת בלבד, לעומת טיפולי ההצללה  שבהם לא היו קטיפים כלל. בהמשך, בחודשים פברואר ומרס  נראה כי בביקורת  התקבל יבול בכמות הגבוהה יותר מזו שהתקבלה בטיפולי ההצללה. בחודשים אפריל ומאי כבר לא נראו הבדלים משמעותיים בין הביקורת לטיפולי ההצללה השונים. 

לסיכום, היבול המצטבר הגבוה ביותר נצפה בביקורת, בעיקר בעקבות ההבדלים בחודשי החורף המוקדמים. עם זאת, ההבדלים הצטמצמו עם הכניסה לאביב, ובאפריל-מאי לא נראו הבדלים משמעותיים בין הטיפולים והביקורת.

דיון

תוצאות המחקר מראות כי ההצללה מפנלים סולריים על גג החממה הביאה לירידה ברמות הקרינה ביחס לביקורת, בעיקר בשעות הצהריים, ובכיסוי של %30 גם בשעות הבוקר המוקדמות. יש לציין כי שעות הפוטוסינתזה המשמעותיות בצמח העגבנייה הן שעות הבוקר המאוחרות, שבהן עוצמת הקרינה גבוהה ויעילות הניצול הפוטוסינתטי מיטבית – ובשעות אלו נרשמה ירידה מתונה בלבד ברמות הקרינה בטיפולי ההצללה. מבחינת היבול, נמצא כי ההבדלים העיקריים בין הטיפולים הופיעו בחודשי החורף, כאשר בביקורת נצפה יתרון משמעותי על פני החלקות המוצלות. החל מחודש אפריל ההבדלים ביבול בין הטיפולים הצטמצמו ואף נעלמו, מה שמעיד על כך שההשפעה של ההצללה חזקה יותר בתקופה של עוצמות קרינה נמוכות ממילא. 

סיכום 

במחקר זה נמצא כי לפנלים סולריים השפעה שלילית, אם כי מוגבלת, על הקרינה ועל היבול. בהתאם לכך, בהקמת מערכות אגרו-וולטאיות מומלץ לשקול אפשרות לגמישות, למשל באמצעות מערכת עקיבה לשינוי זווית הפנלים או התאמת מועדי השתילה, כדי להשיג איזון מיטבי בין שמירה על  כמות היבול לבין הפקת אנרגיה.

האמור לעיל הינו בגדר עצה מקצועית בלבד ואינו מהווה חוות דעת מומחה לצורך הצגה כראיה בהליך משפטי. על מקבל העצה לנהוג מנהג זהירות, ושימוש או הסתמכות על המידע המופיע לעיל הינו באחריות מקבל העצה בלבד. אין להעתיק, להפיץ או להשתמש במסמך זה או בחלקים ממנו לצורך הליך משפטי כלשהו, ללא אישור מראש ובכתב של החתומים.

בביבליוגרפיה

Shahriyar Safat Dipta, (2022). Estimating the potential for semitransparent organic solar cells in agrophotovoltaic greenhouses. Applied Energy, Volume 328, 15 December 2022,

120208 Axel Weselek, Dr. sc. agr. (2019). Agrophotovoltaic systems: applications, challenges, and opportunities. A review. Crop Production, Agronomy for Sustainable Development 39(35), DOI:10.1007/s13593-019-0581-3 Stephan Schindele (2020). Implementation of agrophotovoltaics: Techno-economic analysis of the price-performance ratio and its policy implications. Applied Energy, Volume 265, 1 May 2020, 114737

תודות לקרן מחקרי שה"מ על תמיכתה במחקר