Агривольтаика на крыше для производства помидоров и водорода
Новое исследование изучило возможность интеграции агроэлектрической системы на жилом объекте с электролизером PEM для выработки водорода и ее использования в «умных окнах».
Что, если бы мы могли совместить необходимость сделать здания энергетически автономными с новой тенденцией создания приусадебных садов? Примечательную попытку предприняли инженеры Шанза Неда Хусейн и Аритра Гош из Эксетерского университета в Соединенном Королевстве, протестировав (виртуально) оригинальную агривольтаическую систему на крыше.
Система находится в центре новых исследований, направленных на проектирование экологически чистого здания, в котором солнечная энергия интегрирована с производством экологически чистого водорода и инновационными высокоэффективными окнами.
Технико-экономическое обоснование
Исследование началось с очень конкретной цели: найти способ справиться с растущей конкуренцией между сельским хозяйством, энергетической безопасностью и развитием строительства, принимая при этом во внимание экономические последствия и устойчивость.
Окончательное решение пало на сочетание взаимосвязанных технологий и подходов: от двусторонних солнечных панелей до электролизеров с протонообменными мембранами (ПЕМ) и до хромогенных стекол. Настоящая высокотехнологичная экосистема, которая ожила «в цифровом формате» на жилом объекте в Бирмингеме.
Различные конфигурации агровольтаики на крыше
Используя программное обеспечение для моделирования, команда смоделировала агроэлектрическую систему на крыше рассматриваемого здания. В частности, для Солнечной системы в ходе исследования были протестированы две разные конфигурации модулей — односторонняя и двусторонняя — и три ориентации:
- вертикальный под углом 90°;
- с оптимальным наклоном в 30°;
- куполообразный.
Высота панелей была сохранена на уровне 3 метров для куполообразной и наклонной конфигураций и 1 метр для вертикальной, чтобы обеспечить достаточное количество света для посевов томатов под ними. Результат? Несмотря на разные уровни затенения, во всех случаях урожайность сельскохозяйственных культур должна оставаться постоянной и составлять примерно 0,31 кг томатов на м2.
Однако изменится выход энергии. В ходе моделирования система с двусторонними панелями, установленными под наклоном 30°, получила максимальную выработку, равную 7919 кВтч в год. Приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) была ниже в системе с односторонними модулями под углом 30° (0,061 фунта/кВтч).
Газохромные окна
Моделирование агровольтаики на крыше было лишь частью исследования. Студия также сосредоточила свое внимание на вакуумном газохромном остеклении (VGC — Vacuum Gasochromic Glazing), технологии «умных окон», использующей использование газа для изменения прозрачности самого стекла.
В этом случае, когда в полость стекла вводится водород, образуется тонкий слой триоксида вольфрама, уменьшающий пропускание света и тепла; чтобы вернуться к нормальной прозрачности, достаточно ввести небольшое количество воздуха. Моделирование показало, что VGC не только гарантирует самое низкое значение U (1,32 Вт/м²К), но и улучшает энергетические характеристики здания более чем на 8 186 кВтч по сравнению с электрохромным остеклением.
Производство водорода
Необходимый для работы водород можно будет производить непосредственно из агроэлектрической системы на крыше с помощью электролизера PEM. Системе потребуется около 52,56 г водорода в год, чтобы справиться с изменением прозрачности 16 окон здания, а оставшийся H2 может использоваться в качестве топлива для автомобиля на топливных элементах.
Обратите внимание: в выводах авторы указали, что столкнулись с ограничениями из-за невозможности мониторинга реальных микроклиматических условий в полевых условиях. Существенный фактор, который представляет собой проблему для эффективного внедрения системы в реальном мире.
Чтобы узнать больше, прочтите исследование «Производство водорода на месте с помощью агроэлектрической энергии на крыше для изолированных газохромных интеллектуальных остеклений и водородных транспортных средств: целостный подход к устойчивому жилому строительству», опубликованное в журнале Energy and Buildings.