Dyrkning af agri-PV-tomater, mens der produceres brint til smarte vinduer

En forskergruppe ved University of Exeter undersøgte et modulopbygget, agrivoltaikdrevet-brintproduktionskoncept til husholdninger. Rooftop agrivoltaics driver en elektrolysator, der producerer brint til brintbiler og til isolerede gasokrome smarte vinduer. Vinduerne er en form for termisk isoleringsglas, der mørkere eller klares gennem reversible reaktioner med brint og ilt, hvilket muliggør kontrol af lys og varme.

"Denne forskning præsenterer et nyt bygnings-integreret energikoncept, der forbinder agrovoltaik, brint, smarte facader og mobilitet. Det giver et nyt perspektiv på, hvordan bygninger kan blive aktive, multifunktionelle energiknudepunkter, en idé med voksende relevans for fremtidens energisystemer i byerne," fortalte forsker Aritra Ghosh til pv magazine. "Mens det begrænsede tagareal naturligvis begrænser den samlede brintproduktion, ligger værdien af ​​konceptet i dets systemintegration og nyhed snarere end stor-produktion."

Ved hjælp af flere softwareværktøjer simulerede teamet et ægte dobbelt-bolighus i Birmingham, England. Bygningen har et samlet etageareal på omkring 142,7 kvadratmeter, en højde på 4,8 meter og 55 kvadratmeter tagterrasse til rådighed for agrovoltaik. Det omfatter 16 vinduer på tværs af ni termiske zoner. Birmingham oplever moderate ekstreme temperaturer, med top sommertemperaturer på omkring 21 grader Celsius og vinterlave nær 1 grad.

På det flade tag blev der installeret 12 solcellemoduler i tre konfigurationer: lodret, kuppelformet-med en 20-graders hældning eller en optimeret 30-graders hældning. Hver konfiguration blev testet med enten 600 W monofaciale moduler eller 605 W bifacial moduler. Tomater blev dyrket under panelerne, hvilket krævede seks til otte timers direkte sollys om dagen og nattemperaturer på omkring 13 grader.

En 7 kW elektrolysator med en virkningsgrad på 88 % blev brugt til at producere brint fra solenergien. Brinten blev modelleret til tre anvendelser: brændstof til en 2017 Toyota Mirai, strøm til de gasokrome vinduer eller begge dele. Ydeevnen af ​​vakuumgasokrome vinduer blev også sammenlignet med dobbelte-ruder, elektrokrome og standard gasokrome alternativer.

"Ved at bruge et 55 m2 tagterrasse var systemet i stand til at producere nok brint til at imødekomme den årlige efterspørgsel af de smarte ruder, som blev beregnet til kun 52,56 gram om året," sagde Ghosh. "Derudover, når brintoutputtet vurderes i forhold til mobilitet, vil det samme tagsystem -, der bruger en bifacial PV-konfiguration, der vippes ved 30 grader – teoretisk kunne understøtte op til 64,23 km kørsel pr. dag. Dette estimat er baseret på ydeevnen af ​​en 2017 Toyota Mirai, som har en brinttankkapacitet på 5,6 kg."

Resultaterne viste, at det bifaciale system ved en 30--graders hældning genererede mest elektricitet med 7.919 kWh årligt, mens den monofaciale 30--graders konfiguration leverede de laveste udjævnede omkostninger ved elektricitet på GBP 0,061 (0,082 USD)/kWh. Tomatudbyttet var konsistent på tværs af konfigurationer med 0,31 kg pr. kvadratmeter. Blandt glasmulighederne opnåede vakuumgasokromvinduer den bedste termiske ydeevne med en U-værdi på 1,32 W pr. kvadratmeter-kelvin, dog med en større tykkelse på 24,62 mm.

"Selvom de absolutte brintvolumener er beskedne, viser resultaterne, hvordan små tagarealer kan understøtte flere bygnings-skala brintapplikationer, hvilket forstærker potentialet i modulære, onsite PV-brintsystemer," sagde Ghosh. "Agrivoltaics indvirkning på boligisolering og optimal udnyttelse af den producerede brint til boligopvarmning vil være målet for vores videre forskning.

Resultaterne blev offentliggjort i Energy and Buildings under titlen "Rooftop agrivoltaic powered onsite hydrogen production for insulated gasochromic smart glazing and brint vehicles: A holistic approach to sustainable residential building."