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Publicação
Synergizing agrivoltaics, agroforestry, and IoT for sustainable agriculture. Design and implementation of a field experiment in urban Environment
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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| 3.39 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Esta dissertação aborda os primeiros passos de um projeto pratico mais amplo, um laboratório
agrovoltaico estabelecido no Campus Solar da Faculdade de Ciências. O Campus Solar, inicialmente
composto apenas por painéis solares e a sua estrutura, foi transformado num laboratório operacional.
Este laboratório irá permitir avaliar o potencial da abordagem combinada de geração fotovoltaica e
produção agrícola. A dissertação quanto a ela, visa abordar dois desafios globais urgentes ligados ao
setor agrícola: produzir mais alimentos e utilizar menos água doce. Face a desafios globais atuais, como
a escassez de água (doce) e a crescente procura na produção de alimentos, são necessárias soluções
inovadoras. Neste sentido, a dissertação procura integrar conhecimentos em três áreas: energia solar,
sistemas agroflorestais e gestão hídrica, enquanto investiga o potencial da Internet das Coisas na
promoção da agricultura sustentável, alinhando-se com os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
das Nações Unidas.
Esta iniciativa não tem apenas o propósito de facilitar a pesquisa, mas também de criar uma
plataforma para estudos futuros. Com a implementação desta nova instalação, visamos viabilizar a
contínua exploração dos benefícios advindos da combinação de energia solar e agricultura.
Num primeiro tempo, realizou-se uma revisão bibliográfica, incluindo casos práticos como
projetos em operação, mas também literatura académica. Este passo serviu como fundamento para as
decisões futuras e garantir uma integração bem-sucedida.
A configuração experimental foi desenhada para investigar nove tratamentos distintos,
abrangendo três modalidades de irrigação (sequeiro, irrigação convencional/temporizada e irrigação
adaptada/inteligente) e três níveis de exposição solar (sombreamento nulo, intermédio e máximo). No
entanto, dada a natureza de longo prazo do estudo, que englobava não apenas o cultivo de plantas anuais,
mas também de espécies perenes, incluindo pequenas árvores, optou-se por priorizar a sustentação e o
desenvolvimento das plantas perenes nesta primeira fase. Assim, ao nos concentrarmos na variação de
exposição solar, optou-se por implementar tratamentos que permitissem avaliar o impacto direto da
intensidade de luz sobre as culturas, enquanto se mantinha a prática de irrigação convencional constante.
Este método foi concebido para proporcionar uma compreensão de como os diferentes níveis de
sombreamento, proporcionados pelo sistema agrovoltaico, influenciam as taxas de crescimento,
produtividade e o estado geral de saúde das plantas.
Antes de se avançar para a fase experimental, foi preciso definir o posicionamento das linhas de
cultivo e determinar os diferentes tratamentos de nível de sombreamento. Para esta tarefa, recorreu-se a
um programa de modelação 3D que permitiu georreferenciar o campo. Através do uso de uma
ferramenta de simulação solar, conseguiu-se identificar o local mais adequado para o posicionamento
do tratamento de maior sombreamento assim como o de sombreamento intermédio. Adicionalmente,
refinaram-se os padrões de sombreamento ao longo das linhas de cultivo. Este processo visava
identificar subtilezas no sombreamento e eventuais microclimas resultantes, uma consideração que
provou ter um impacto não negligenciável nos resultados. Para algumas plantas, estar nas extremidades
das linhas de cultivo demonstrou ter influência no seu crescimento.
Além disso, desenhou-se e implementou-se um sistema de rega gota-a-gota, com o papel de
assegurar um fornecimento eficiente e preciso de água às plantas. Este sistema incorpora quarto
electroválvulas. Cada tratamento de rega é associado a uma electroválvula específica. Uma delas sendo
dedicada à rega convencional, a qual não leva em consideração os diferentes níveis de sombreamento.
As três eletroválvulas restantes são atribuídas à rega adaptada, cada uma correspondendo a um nível de
sombreamento. No futuro, quando as linhas de cultivo forem equipadas com sensores de humidade do
solo (e potencial hídrico), essa diferenciação permitirá a rega diferenciada e desfasada, ajustando-a de
acordo com as necessidades específicas de cada área de cultivo. Para gerir a rega, foi proposto um modelo conceptual que envolve as seguintes componentes:
arquitetura do sistema, comunicação, rede de sensores e armazenamento de dados. A comunicação foi
configurada para garantir uma troca eficiente e segura de dados entre os dispositivos. Para a próxima
fase do projeto, foram propostos diversos sensores que, quando implementados, fornecerão informações
para uma tomada de decisão mais informada, contribuindo significativamente para a gestão agrícola. O
armazenamento de dados foi projetado para incluir redundância, assegurando a preservação e
integridade dos dados mesmo em cenários de falha.
Das sete espécies de plantas selecionadas, destacam-se duas como variedades anuais, enquanto
as restantes cinco são de natureza perene. Optou-se por integrar práticas dos sistemas agroflorestais, que
combinam cultivo com a presença de árvores, desde a seleção das espécies iniciais. A cada tipo de
planta, foi atribuído um indicador ajustado para avaliar o seu desempenho sob diferentes tratamentos de
sombreamento. Esta abordagem não apenas enriquece a dinâmica do ambiente experimental, mas
também proporciona uma perspetiva sobre como a interação entre plantas e árvores pode otimizar a
produção agrícola sob sistemas agrovoltaicos. Além disso, realizou-se uma observação não quantitativa
para avaliar o aumento da biodiversidade após a implementação do sistema.
Durante o processo experimental, foram observadas várias tendências entre as sete variedades
examinadas. O milho e as alfazemas, por exemplo, mostraram uma clara preferência pela exposição
plena ao sol, ao passo que, os feijoeiros e as jovens alfarrobeiras demonstraram um desempenho superior
em áreas com maior sombreamento. Por outro lado, as restantes espécies apresentaram respostas
semelhantes em diversos níveis de sombreamento, evidenciando a adaptabilidade dessas culturas à
integração com sistemas agrovoltaicos.
Atualmente, o laboratório encontra-se em plena operação, marcando um passo significativo na
realização deste projeto. A próxima fase deverá concentrar-se na medição da poupança de água
resultante do sombreamento, bem como na redução da evapotranspiração. Os dados obtidos nesta etapa
são aguardados com interesse, uma vez que têm o potencial de contribuir para a compreensão e
aprimoramento desta abordagem inovadora.
This dissertation delves into the initial stages of a broader practical project: an agrivoltaic laboratory established on the Solar Campus of the faculty. This site has since developed into a fully operational research facility, now incorporating the horticultural component. The primary aim is to tackle two urgent global issues in agriculture: the need for increased food production and the imperative to judiciously manage freshwater resources. Its core objective is to integrate knowledge in agroforestry systems, solar energy, and water management, while exploring the potential of the Internet of Things in advancing sustainable agriculture. In the initial phase, a comprehensive literature review was conducted, serving as the foundation for subsequent decisions. Prior to the experimental phase, proper definition of culture lines and treatment selection were required. This involved employing a 3D modelling program alongside a solar simulation tool to achieve georeferencing and refine shading patterns along the cultivation rows. A drip irrigation system was also planned and installed to provide efficient and precise water release to the plants. The water flow is controlled by four solenoid valves in this system. Each irrigation treatment is linked to a unique solenoid valve. In the future, including soil moisture sensors along production lines will allow for tailored irrigation, adapting to the individual demands of each growing area. A comprehensive conceptual model was proposed for irrigation management, covering system architecture, communication protocols, sensor network details, and data storage approaches. During the experimental process, several notable trends were observed among the seven varieties examined. While corn and lavender showed a clear preference for full sun exposure, bean and young carob trees preferred areas with greater shading. On the other hand, other species showed similar responses at different levels of shading, highlighting their adaptability to integration with agrivoltaic systems.
This dissertation delves into the initial stages of a broader practical project: an agrivoltaic laboratory established on the Solar Campus of the faculty. This site has since developed into a fully operational research facility, now incorporating the horticultural component. The primary aim is to tackle two urgent global issues in agriculture: the need for increased food production and the imperative to judiciously manage freshwater resources. Its core objective is to integrate knowledge in agroforestry systems, solar energy, and water management, while exploring the potential of the Internet of Things in advancing sustainable agriculture. In the initial phase, a comprehensive literature review was conducted, serving as the foundation for subsequent decisions. Prior to the experimental phase, proper definition of culture lines and treatment selection were required. This involved employing a 3D modelling program alongside a solar simulation tool to achieve georeferencing and refine shading patterns along the cultivation rows. A drip irrigation system was also planned and installed to provide efficient and precise water release to the plants. The water flow is controlled by four solenoid valves in this system. Each irrigation treatment is linked to a unique solenoid valve. In the future, including soil moisture sensors along production lines will allow for tailored irrigation, adapting to the individual demands of each growing area. A comprehensive conceptual model was proposed for irrigation management, covering system architecture, communication protocols, sensor network details, and data storage approaches. During the experimental process, several notable trends were observed among the seven varieties examined. While corn and lavender showed a clear preference for full sun exposure, bean and young carob trees preferred areas with greater shading. On the other hand, other species showed similar responses at different levels of shading, highlighting their adaptability to integration with agrivoltaic systems.
Descrição
Tese de Mestrado, Engenharia da Energia e Ambiente, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Agricultura Sustentável Agrovoltaica Agrofloresta IdC (Internet das Coisas) Laboratório vivo Teses de mestrado - 2024