Uprawa pomidorów-fotowoltaicznych i produkcja wodoru na potrzeby inteligentnych okien

Grupa badawcza na Uniwersytecie w Exeter zbadała modułową koncepcję produkcji wodoru na potrzeby gospodarstw domowych-zasilaną agrowoltaiką. Agrivoltaika na dachu zasila elektrolizer wytwarzający wodór do pojazdów wodorowych i izolowanych inteligentnych okien gazochromowych. Okna są formą szkła termoizolacyjnego, które przyciemnia się lub prześwituje w wyniku odwracalnych reakcji z wodorem i tlenem, umożliwiając kontrolę światła i ciepła.

„Badanie to przedstawia nową koncepcję-zintegrowanej energii z budynkiem, łączącą agriwoltaikę, wodór, inteligentne fasady i mobilność. Oferuje świeże spojrzenie na to, w jaki sposób budynki mogą stać się aktywnymi, wielofunkcyjnymi węzłami energii, a koncepcja ta ma coraz większe znaczenie dla przyszłych miejskich systemów energetycznych” – powiedziała badaczka Aritra Ghosh magazynowi pv. „Chociaż ograniczona powierzchnia dachu w naturalny sposób ogranicza całkowitą produkcję wodoru, wartość tej koncepcji polega na integracji systemu i nowości, a nie na produkcji-na dużą skalę”.

Korzystając z wielu narzędzi programowych, zespół przeprowadził symulację prawdziwego dwupiętrowego domu mieszkalnego w Birmingham w Anglii. Budynek ma powierzchnię całkowitą około 142,7 m2, wysokość 4,8 m i 55 m2 powierzchni dachowej przeznaczonej na agrowoltaikę. Zawiera 16 okien w dziewięciu strefach termicznych. W Birmingham występują umiarkowane ekstremalne temperatury, ze szczytowymi temperaturami w lecie wynoszącymi około 21 stopni Celsjusza i najniższymi w zimie w pobliżu 1 stopnia.

Na płaskim dachu zainstalowano 12 modułów fotowoltaicznych w trzech konfiguracjach: pionowej,-w kształcie kopuły pod kątem 20 stopni lub zoptymalizowanej pod kątem 30 stopni. Każdą konfigurację testowano z modułami jednofazowymi o mocy 600 W lub modułami dwustronnymi o mocy 605 W. Pomidory uprawiano pod panelami, co wymagało od sześciu do ośmiu godzin bezpośredniego światła słonecznego dziennie i temperatury w nocy około 13 stopni.

Do produkcji wodoru z energii słonecznej wykorzystano elektrolizer o mocy 7 kW i sprawności 88%. Wodór zaprojektowano do trzech zastosowań: zasilania Toyoty Mirai z 2017 r., zasilania szyb gazochromowych lub obu. Porównano także działanie próżniowych okien gazochromowych z alternatywami z podwójnymi-szybami, elektrochromowymi i standardowymi oknami gazochromowymi.

„Wykorzystując powierzchnię dachu o powierzchni 55 m2, system był w stanie wyprodukować wystarczającą ilość wodoru, aby zaspokoić roczne zapotrzebowanie inteligentnych szyb, które obliczono na zaledwie 52,56 gramów rocznie” – powiedział Ghosh. „Ponadto, jeśli ocenia się produkcję wodoru pod kątem mobilności, ten sam system dachowy - wykorzystujący dwustronną konfigurację fotowoltaiczną nachyloną pod kątem 30 stopni – teoretycznie mógłby przejechać do 64,23 km dziennie. Szacunki te opierają się na osiągach Toyoty Mirai z 2017 r., która ma pojemność zbiornika wodoru wynoszącą 5,6 kg”.

Wyniki pokazały, że system dwustronny przy nachyleniu 30-stopni generował najwięcej energii elektrycznej – 7919 kWh rocznie, podczas gdy konfiguracja jednofazowa pod kątem 30-stopni zapewniała najniższy uśredniony koszt energii elektrycznej na poziomie 0,061 GBP (0,082 USD)/kWh. Plony pomidorów były spójne we wszystkich konfiguracjach i wynosiły 0,31 kg na metr kwadratowy. Spośród opcji oszklenia, próżniowe okna gazochromowe osiągnęły najlepsze parametry termiczne, przy współczynniku U wynoszącym 1,32 W na metr kwadratowy-kelwina, choć przy większej grubości wynoszącej 24,62 mm.

„Chociaż bezwzględne ilości wodoru są skromne, wyniki pokazują, jak małe obszary na dachach mogą obsługiwać wiele zastosowań wodoru na skalę-budynkową, wzmacniając potencjał modułowych, lokalnych-systemów fotowoltaicznych” – powiedział Ghosh. „Wpływ agriwoltaiki na izolację domów i optymalne wykorzystanie powstałego wodoru do ogrzewania domów będzie celem naszych dalszych badań.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie Energy and Buildings pod tytułem „Rooftop, agrowoltaiczna produkcja wodoru na miejscu na potrzeby izolowanych inteligentnych szyb gazochromowych i pojazdów wodorowych: holistyczne podejście do zrównoważonego budownictwa mieszkalnego”.