Odla Agri-PV-tomater samtidigt som väte produceras för smarta fönster

En forskargrupp vid University of Exeter undersökte ett modulärt, agrivoltaics-drivet-väteproduktionskoncept för hushåll. Rooftop agrivoltaics driver en elektrolysator som producerar vätgas för vätgasfordon och för isolerade gasokromiska smarta fönster. Fönstren är en form av värmeisolerande glas som mörknar eller klarnar genom reversibla reaktioner med väte och syre, vilket möjliggör kontroll av ljus och värme.

"Denna forskning presenterar ett nytt byggnads-integrerat energikoncept, som kopplar samman agrovoltaik, väte, smarta fasader och mobilitet. Den ger ett nytt perspektiv på hur byggnader kan bli aktiva, multifunktionella energinav, en idé med växande relevans för framtida urbana energisystem," sa forskaren Aritra Ghosh till tidningen pv. "Medan den begränsade takytan naturligtvis begränsar den totala vätgasproduktionen, ligger värdet av konceptet i dess systemintegration och nyhet, snarare än storskalig-produktion."

Med hjälp av flera programvaruverktyg simulerade teamet ett riktigt dubbel-bostadshus i Birmingham, England. Byggnaden har en total golvyta på cirka 142,7 kvadratmeter, en höjd av 4,8 meter och 55 kvadratmeter takyta tillgänglig för agrovoltaik. Den innehåller 16 fönster över nio termiska zoner. Birmingham upplever måttliga extrema temperaturer, med topp sommartemperaturer på cirka 21 grader Celsius och vinterns lägsta temperaturer nära 1 grad.

På det platta taket installerades 12 solcellsmoduler i tre konfigurationer: vertikal, kupolformad-med en 20-graders lutning eller en optimerad 30-graders lutning. Varje konfiguration testades med antingen 600 W monofacial moduler eller 605 W bifacial moduler. Tomater odlades under panelerna, vilket krävde sex till åtta timmars direkt solljus per dag och natttemperaturer på cirka 13 grader.

En 7 kW elektrolysator med en verkningsgrad på 88 % användes för att producera väte från solenergin. Vätgasen modellerades för tre användningsområden: att driva en 2017 Toyota Mirai, driva de gasokromiska fönstren eller båda. Prestandan hos vakuumgasokroma fönster jämfördes också med dubbelglas, elektrokroma och standardgasokroma alternativ.

"Med hjälp av en takyta på 55 m2 kunde systemet producera tillräckligt med väte för att möta den årliga efterfrågan på de smarta glasen, som beräknades till bara 52,56 gram per år," sa Ghosh. "Dessutom, när vätgaseffekten bedöms i termer av mobilitet, kan samma taksystem - som använder en bifacial PV-konfiguration lutad i 30 grader teoretiskt stödja upp till 64,23 km körning per dag. Denna uppskattning är baserad på prestandan hos en 2017 Toyota Mirai, som har en vätgastankkapacitet på 5,6 kg."

Resultaten visade att det bifaciala systemet vid 30- graders lutning genererade mest elektricitet, 7 919 kWh årligen, medan den monofaciala 30--graderskonfigurationen gav den lägsta utjämnade elkostnaden på 0,061 GBP (0,082 USD)/kWh. Tomatskörden var konsekvent över konfigurationer vid 0,31 kg per kvadratmeter. Bland inglasningsalternativen uppnådde vakuumgasokromiska fönster den bästa termiska prestandan, med ett U-värde på 1,32 W per kvadratmeter-kelvin, dock med en större tjocklek på 24,62 mm.

"Även om de absoluta vätevolymerna är blygsamma, visar resultaten hur små ytor på taket kan stödja flera väteapplikationer i byggnads-skala, vilket förstärker potentialen hos modulära PV-vätesystem på plats," sa Ghosh. "Agrivoltaics inverkan på hemisolering och optimal användning av det producerade vätgas för uppvärmning av hem kommer att vara målet för vår fortsatta forskning.

Resultaten publicerades i Energy and Buildings under titeln "Rooftop agrivoltaic powered onsite hydrogen production for insulated gasokromic smart glazing and hydrogen vehicles: A holistic approach to sustainable residential building."