Studio e validazione scientifica di un modello colturale integrato all’interno del sistema agrifotovoltaico SolarFertigation.

The growing global demand for food and energy intensifies competition for agricultural land and calls for greater land-use efficiency. Agrivoltaic (AV) systems, which co-locate crop production and photovoltaic (PV) electricity generation, can support food security while expanding renewable energy, but outcomes are strongly site- and crop-specific. This research, conducted in Apulia (southeastern Italy) and Murcia (southeastern Spain), evaluated agronomic and technological approaches for AV production in open-field horticulture and greenhouses. In Apulia, lettuce, sweet pepper, and chili pepper were assessed in a ground-mounted PV plant across three areas: an adjacent open-field Control, an inter-row zone close to PV panel rows (near), and an inter-row zone farther from the panels (far). During summer cycles, cumulative solar radiation was strongly reduced in the near zone (883 and 1091 MJ m−2 for sweet pepper and chili pepper). PV conditions slightly lowered air temperature and wind speed and increased relative humidity, particularly in the near inter-row zone overall. Evaporative demand decreased under PV, with cumulative ET0 28% and 34% lower in the near zone than in the Control during the sweet pepper and chili pepper cycles, respectively. Lettuce showed average reductions of 15% in plant height and 37% in marketable yield per plant. Sweet pepper yield was highest in the Control, with the strongest reduction in the far zone (−51% fruit fresh weight vs Control), while the near zone showed intermediate responses. Chili pepper yield per plant decreased by 82% under PV regardless of sub-zone. Despite yield penalties, land-use efficiency improved (LER = 1.60 and 1.40 for annual lettuce+sweet pepper and lettuce+chili pepper programs), and soil biological quality (QBS-ar) showed no negative impacts. A second phase improved and field-validated SolarFertigation, a solar-powered smart fertigation system with a cloud architecture for AV management. The platform integrates sensors and machinery, adapts fertigation schedules using real-time data, and records nutrient doses (g) and irrigation volumes (L) at field, zone, and crop levels. Validation confirmed reliable LoRaWAN data transmission under AV structures, and experiments documented substantial light reductions under modules and yield losses that in some cases exceeded 80% compared with open-field conditions. The system supports compliance with Italian AV guidelines (MASE), including Land Area Occupation Ratio limits (LAOR ≤ 40%), and is designed for future integration of PV performance monitoring. In Murcia, greenhouse tomato production was compared among Control, shading screen, and two commercial semi-transparent PV technologies, monocrystalline silicon (PV-Si) and cadmium telluride thin film (PV-TF), across two seasons. In winter–spring, only Control and PV-Si maintained daily light integral above the minimum threshold; with similar fruit numbers, PV-Si produced 25% higher mean fruit weight. In spring–summer, the shading screen and PV-TF constrained photosynthesis during key photoperiod windows and reduced yields, whereas a checkerboard PV-Si layout maintained sufficient light transmission and yields comparable to or higher than the Control. PV-Si generated 726.8 kWh over the study period, outperforming PV-TF, and moderated spring thermal fluctuations but did not mitigate peak summer temperatures. Overall, optimized crop planning and data-driven management are essential to maximize AV land productivity in Mediterranean environments.

La crescita della domanda globale di cibo ed energia intensifica la competizione per i terreni agricoli e impone di massimizzare l’efficienza d’uso del suolo. I sistemi agrivoltaici (AV), che integrano colture e fotovoltaico (FV) sullo stesso appezzamento, possono contribuire alla sicurezza alimentare e alla decarbonizzazione, ma richiedono valutazioni quantitative e strumenti gestionali. Questa ricerca, condotta in Puglia (Italia sudorientale) e Murcia (Spagna sudorientale), ha valutato approcci agronomici e tecnologici per la produzione agrivoltaica in orticoltura e in serra. Nel sito pugliese è stato studiato un impianto FV a terra valutando lattuga, peperone e peperoncino in tre aree: Controllo in pieno campo adiacente, interfilare vicino ai pannelli e interfilare lontano. La radiazione solare cumulata estiva è risultata poco variata nell’area lontana (peperone: 1630 vs 1616 MJ m−2; peperoncino: 2044 vs 2130 MJ m−2, lontano vs Controllo) e fortemente ridotta nell’area vicina (883 e 1091 MJ m−2). La domanda evapotraspirativa si è ridotta sotto FV, con ET0 cumulativa inferiore del 28% e del 34% nella sottozona vicina ai moduli rispettivamente nei cicli di peperone e peperoncino. La lattuga ha mostrato riduzioni medie del 15% dell’altezza e del 37% della resa commercializzabile. Nel peperone, la resa in frutti è diminuita soprattutto nell’area lontana (−51% rispetto al Controllo); nel peperoncino la resa per pianta si è ridotta dell’82% in condizioni FV. Nonostante le riduzioni, il Land Equivalent Ratio è aumentato (1,60 e 1,40 per programmi annuali lattuga+peperone e lattuga+peperoncino) e la qualità biologica del suolo (QBS-ar) non ha evidenziato impatti negativi. Sono state rilevate riduzioni di temperatura e vento e un aumento di umidità relativa. Nel peperone l’area vicina ai moduli ha mostrato risposte intermedie. L’indice QBS-ar non ha evidenziato effetti negativi. È stato inoltre migliorato e validato SolarFertigation, un sistema di fertirrigazione intelligente alimentato da energia solare e basato su architettura cloud. La piattaforma integra sensori e macchine e aggiorna i programmi irrigui e nutrizionali in funzione di fenologia, meteo e suolo, tracciando dosi (g) e volumi (L) a scala campo-zona-coltura. La validazione ha confermato copertura LoRaWAN e affidabilità di trasmissione; campagne in AV hanno quantificato riduzioni della radiazione sotto i moduli e cali di resa talvolta superiori all’80%. Il sistema supporta la conformità alle Linee Guida MASE, inclusi vincoli come il LAOR (copertura FV ≤40%). L’architettura cloud modulare facilita l’integrazione di nuovi sensori e, in prospettiva, di dati di produzione FV. In serra (Murcia), su pomodoro, sono state confrontate quattro configurazioni: controllo (C), rete ombreggiante (SC), FV semitrasparente in silicio monocristallino (PV-Si) e film sottile CdTe (PV-TF), in due stagioni. Nel ciclo inverno-primavera solo C e PV-Si hanno mantenuto un integrale di luce giornaliera (DLI) sopra soglia; PV-Si ha prodotto frutti con peso medio +25% a parità di numero. Nel ciclo primavera-estate, SC e PV-TF hanno ridotto la resa per limitazioni fotosintetiche in fasi chiave, mentre la disposizione a scacchiera del PV-Si ha mantenuto trasmissione luminosa sufficiente. PV-Si ha generato 726,8 kWh nel periodo di studio, superando PV-TF. L’ombreggiamento ha moderato le fluttuazioni termiche primaverili, senza mitigare i picchi estivi. Nel complesso, specie, stagione e geometria di ombreggiamento determinano la performance AV; scelte colturali mirate e gestione data-driven possono aumentare la produttività territoriale in ambiente mediterraneo. Nel complesso, il PV-Si ha bilanciato gestione della radiazione, regolazione termica e produzione energetica, risultando più adatto del PV-TF per contesti con condizioni climatiche limitanti mediterranee.