زراعة الطماطم-الزراعية باستخدام الطاقة الكهروضوئية أثناء إنتاج الهيدروجين للنوافذ الذكية

قامت مجموعة بحثية في جامعة إكستر بدراسة مفهوم نموذجي لإنتاج الهيدروجين الذي يعمل بالطاقة الزراعية-للمنازل. تعمل الخلايا الفولتية الزراعية على الأسطح على تشغيل المحلل الكهربائي الذي ينتج الهيدروجين لمركبات الهيدروجين والنوافذ الذكية المعزولة بالغاز. النوافذ هي شكل من أشكال الزجاج العازل للحرارة الذي يصبح داكنًا أو صافيًا من خلال تفاعلات عكسية مع الهيدروجين والأكسجين، مما يتيح التحكم في الضوء والحرارة.

قالت الباحثة أريترا غوش لمجلة pv: "يقدم هذا البحث مفهومًا جديدًا للطاقة المتكاملة-للمباني، يربط بين الخلايا الزراعية والهيدروجين والواجهات الذكية والتنقل. ويقدم منظورًا جديدًا حول كيفية تحول المباني إلى مراكز طاقة نشطة ومتعددة الوظائف، وهي فكرة ذات أهمية متزايدة لأنظمة الطاقة الحضرية المستقبلية". "على الرغم من أن مساحة السقف المحدودة تقيد بشكل طبيعي إجمالي إنتاج الهيدروجين، فإن قيمة المفهوم تكمن في تكامل النظام وحداثته، بدلاً من الإنتاج على نطاق واسع{{3}".

باستخدام أدوات برمجية متعددة، قام الفريق بمحاكاة منزل سكني حقيقي-من طابقين في برمنغهام، إنجلترا. تبلغ مساحة المبنى الإجمالية حوالي 142.7 مترًا مربعًا، وارتفاعه 4.8 مترًا، ومساحة السطح 55 مترًا مربعًا متاحة للزراعة. ويشمل 16 نافذة عبر تسع مناطق حرارية. تشهد مدينة برمنغهام درجات حرارة معتدلة للغاية، حيث تصل درجات الحرارة القصوى في الصيف إلى حوالي 21 درجة مئوية وأدنى درجات الحرارة في فصل الشتاء بالقرب من درجة واحدة.

على السطح المسطح، تم تركيب 12 وحدة للطاقة الشمسية في ثلاثة تكوينات: عمودي، أو على شكل قبة -بإمالة 20 درجة، أو إمالة محسّنة بمقدار 30 درجة. تم اختبار كل تكوين باستخدام وحدات أحادية الوجه بقدرة 600 واط أو وحدات ثنائية الوجه بقدرة 605 واط. تمت زراعة الطماطم تحت الألواح، مما يتطلب ما بين ست إلى ثماني ساعات من ضوء الشمس المباشر يوميًا ودرجات حرارة تصل إلى حوالي 13 درجة ليلاً.

تم استخدام محلل كهربائي بقدرة 7 كيلو وات بكفاءة 88% لإنتاج الهيدروجين من إنتاج الطاقة الشمسية. تم تصميم الهيدروجين لثلاثة استخدامات: تزويد سيارة تويوتا ميراي 2017 بالوقود، أو تشغيل النوافذ الغازية، أو كليهما. تمت أيضًا مقارنة أداء النوافذ الغازية المفرغة مع الزجاج المزدوج-والزجاج الكهربي والبدائل الغازية القياسية.

وقال غوش: "باستخدام مساحة سطح تبلغ 55 مترًا مربعًا، تمكن النظام من إنتاج ما يكفي من الهيدروجين لتلبية الطلب السنوي من الزجاج الذكي، والذي تم حسابه عند 52.56 جرامًا فقط سنويًا". "بالإضافة إلى ذلك، عندما يتم تقييم إنتاج الهيدروجين من حيث القدرة على الحركة، فإن نفس نظام السطح - باستخدام تكوين كهروضوئي ثنائي الجانب مائل بمقدار 30 درجة - يمكن نظريًا أن يدعم ما يصل إلى 64.23 كيلومترًا من القيادة يوميًا. ويستند هذا التقدير على أداء سيارة تويوتا ميراي 2017، التي تبلغ سعة خزان الهيدروجين فيها 5.6 ​​كجم."

أظهرت النتائج أن النظام ثنائي الوجه بزاوية 30-درجة يولد أكبر قدر من الكهرباء، بمعدل 7919 كيلووات ساعة سنويًا، في حين أن النظام أحادي الوجه بزاوية 30-درجة يوفر أقل تكلفة مستوية للكهرباء عند 0.061 جنيه إسترليني (0.082 دولار أمريكي)/كيلووات ساعة. كانت غلة الطماطم متسقة عبر التكوينات عند 0.31 كجم لكل متر مربع. من بين خيارات الزجاج، حققت النوافذ المفرغة من الغازوكروم أفضل أداء حراري، مع قيمة U تبلغ 1.32 واط لكل متر مربع كلفن، على الرغم من أن سمكها أكبر يبلغ 24.62 ملم.

قال غوش: "على الرغم من أن أحجام الهيدروجين المطلقة متواضعة، إلا أن النتائج توضح كيف يمكن للمناطق الصغيرة على الأسطح أن تدعم العديد من تطبيقات الهيدروجين على نطاق المباني-، مما يعزز إمكانات أنظمة الهيدروجين الكهروضوئية- المعيارية في الموقع". "إن تأثير الخلايا الكهروضوئية على العزل المنزلي والاستخدام الأمثل للهيدروجين المنتج لتدفئة المنزل سيكون هدف بحثنا الإضافي.

تم نشر النتائج في مجلة الطاقة والمباني تحت عنوان "إنتاج الهيدروجين في الموقع بالطاقة الزراعية على الأسطح من أجل الزجاج الذكي المعزول والمركبات الهيدروجينية: نهج شامل لبناء سكني مستدام."