Trồng cà chua-PV nông nghiệp đồng thời sản xuất hydro cho Windows thông minh

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Exeter đã nghiên cứu ý tưởng sản xuất hydro chạy bằng năng lượng nông nghiệp-theo mô-đun dành cho các hộ gia đình. Hệ thống điện nông nghiệp trên mái nhà cung cấp năng lượng cho máy điện phân sản xuất hydro cho các phương tiện chạy bằng hydro và cho các cửa sổ thông minh khí hóa cách nhiệt. Cửa sổ là một dạng kính cách nhiệt, có màu tối hoặc trong suốt thông qua các phản ứng thuận nghịch với hydro và oxy, cho phép kiểm soát ánh sáng và nhiệt.

"Nghiên cứu này trình bày một khái niệm năng lượng tích hợp-tòa nhà mới, liên kết nông điện, hydro, mặt tiền thông minh và tính di động. Nó đưa ra một góc nhìn mới về cách các tòa nhà có thể trở thành trung tâm năng lượng đa chức năng, hoạt động, một ý tưởng ngày càng phù hợp với các hệ thống năng lượng đô thị trong tương lai," nhà nghiên cứu Aritra Ghosh nói với tạp chí pv. "Mặc dù diện tích mái nhà hạn chế đương nhiên hạn chế tổng sản lượng hydro, nhưng giá trị của mẫu xe này nằm ở sự tích hợp hệ thống và tính mới của nó, thay vì sản xuất ở quy mô lớn."

Bằng cách sử dụng nhiều công cụ phần mềm, nhóm đã mô phỏng một ngôi nhà-hai tầng thực sự ở Birmingham, Anh. Tòa nhà có tổng diện tích sàn khoảng 142,7 mét vuông, cao 4,8 mét và diện tích sân thượng 55 mét vuông dành cho nông nghiệp. Nó bao gồm 16 cửa sổ trên chín vùng nhiệt. Birmingham trải qua thời tiết khắc nghiệt với nhiệt độ vừa phải, với nhiệt độ cao nhất vào mùa hè khoảng 21 độ C và nhiệt độ mùa đông thấp nhất gần 1 độ.

Trên mái bằng, 12 mô-đun năng lượng mặt trời được lắp đặt theo ba cấu hình: thẳng đứng, hình vòm- nghiêng 20 độ hoặc nghiêng 30 độ được tối ưu hóa. Mỗi cấu hình đều được thử nghiệm với mô-đun một mặt 600 W hoặc mô-đun hai mặt 605 W. Cà chua được trồng bên dưới các tấm ván, cần có ánh nắng trực tiếp từ 6 đến 8 giờ mỗi ngày và nhiệt độ ban đêm khoảng 13 độ.

Một máy điện phân 7 kW với hiệu suất 88% đã được sử dụng để sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời. Hydro được mô hình hóa cho ba mục đích sử dụng: cung cấp nhiên liệu cho chiếc Toyota Mirai 2017, cung cấp năng lượng cho cửa sổ đổi màu hoặc cả hai. Hiệu suất của cửa sổ khí sắc chân không cũng được so sánh với các giải pháp thay thế kính hai lớp, điện sắc và khí sắc tiêu chuẩn.

Ghosh cho biết: “Sử dụng diện tích mái nhà rộng 55 m2, hệ thống có thể sản xuất đủ hydro để đáp ứng nhu cầu hàng năm về kính thông minh, được tính toán chỉ ở mức 52,56 gam mỗi năm”. "Ngoài ra, khi đánh giá sản lượng hydro về mặt khả năng di chuyển, hệ thống mái nhà tương tự - sử dụng cấu hình quang điện hai mặt nghiêng 30 độ – về mặt lý thuyết có thể hỗ trợ quãng đường lái xe lên tới 64,23 km mỗi ngày. Ước tính này dựa trên hiệu suất của chiếc Toyota Mirai 2017, có dung tích bình hydro là 5,6 kg."

Kết quả cho thấy hệ thống hai mặt ở góc nghiêng 30{9}}tạo ra nhiều điện nhất, ở mức 7.919 kWh hàng năm, trong khi cấu hình một mặt 30{11}}độ nghiêng mang lại chi phí điện quy dẫn thấp nhất ở mức 0,061 GBP (0,082 USD)/kWh. Năng suất cà chua nhất quán ở các cấu hình ở mức 0,31 kg/m2. Trong số các lựa chọn lắp kính, cửa sổ khí sắc chân không đạt được hiệu suất nhiệt tốt nhất, với giá trị U là 1,32 W trên mét vuông-kelvin, mặc dù ở độ dày lớn hơn 24,62 mm.

Ghosh cho biết: "Mặc dù lượng hydro tuyệt đối còn khiêm tốn nhưng kết quả cho thấy các khu vực nhỏ trên mái nhà có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng hydro ở quy mô tòa nhà như thế nào, củng cố tiềm năng của các hệ thống hydro tại chỗ, mô-đun PV-". "Tác động của điện nông học đến khả năng cách nhiệt trong nhà và việc sử dụng tối ưu lượng hydro được sản xuất để sưởi ấm trong nhà sẽ là mục tiêu nghiên cứu sâu hơn của chúng tôi.

Kết quả đã được công bố trên tạp chí Năng lượng và Tòa nhà với tiêu đề "Sản xuất hydro tại chỗ chạy bằng năng lượng nông nghiệp trên mái nhà cho kính thông minh khí hóa cách nhiệt và phương tiện chạy bằng hydro: Một cách tiếp cận toàn diện để xây dựng khu dân cư bền vững."