Dyrker Agri-PV-tomater mens de produserer hydrogen for smarte Windows

En forskergruppe ved University of Exeter undersøkte et modulært, agrivoltaikkdrevet-hydrogenproduksjonskonsept for husholdninger. Rooftop agrivoltaics driver en elektrolysator som produserer hydrogen for hydrogenbiler og for isolerte gasokrome smarte vinduer. Vinduene er en form for termisk isolerende glass som mørkner eller klarner gjennom reversible reaksjoner med hydrogen og oksygen, som muliggjør kontroll av lys og varme.

"Denne forskningen presenterer et nytt bygnings-integrert energikonsept, som kobler sammen agrovoltaikk, hydrogen, smarte fasader og mobilitet. Den gir et nytt perspektiv på hvordan bygninger kan bli aktive, multifunksjonelle energiknutepunkter, en idé med økende relevans for fremtidige urbane energisystemer," sa forsker Aritra Ghosh til pv magazine. "Mens det begrensede takarealet naturlig begrenser den totale hydrogenproduksjonen, ligger verdien av konseptet i systemintegrasjonen og nyheten, snarere enn stor-produksjon."

Ved hjelp av flere programvareverktøy simulerte teamet et ekte dobbelt-bolighus i Birmingham, England. Bygget har et samlet gulvareal på ca. 142,7 kvadratmeter, en høyde på 4,8 meter, og 55 kvadratmeter takareal tilgjengelig for agrivoltaics. Den inkluderer 16 vinduer over ni termiske soner. Birmingham opplever moderate ekstreme temperaturer, med topp sommertemperaturer på rundt 21 grader Celsius og vinterlav nær 1 grad.

På det flate taket ble 12 solcellemoduler installert i tre konfigurasjoner: vertikal, kuppelformet-med en 20-graders tilt, eller en optimalisert 30-graders tilt. Hver konfigurasjon ble testet med enten 600 W monofacial moduler eller 605 W bifacial moduler. Tomater ble dyrket under panelene, og krevde seks til åtte timer med direkte sollys per dag og nattetemperaturer på rundt 13 grader.

En 7 kW elektrolysator med en virkningsgrad på 88 % ble brukt til å produsere hydrogen fra solenergien. Hydrogenet ble modellert for tre bruksområder: drivstoff til en 2017 Toyota Mirai, drive gasokromvinduene, eller begge deler. Ytelsen til vakuumgasokrome vinduer ble også sammenlignet med doble-vinduer, elektrokrome og standard gasokrome alternativer.

"Ved å bruke et 55 m2 takareal, var systemet i stand til å produsere nok hydrogen til å møte den årlige etterspørselen til smarte glass, som ble beregnet til bare 52,56 gram per år," sa Ghosh. "I tillegg, når hydrogenproduksjonen vurderes med tanke på mobilitet, kan det samme taksystemet - som bruker en bifacial PV-konfigurasjon tiltet i 30 grader – teoretisk støtte opptil 64,23 km kjøring per dag. Dette anslaget er basert på ytelsen til en 2017 Toyota Mirai, som har en hydrogentankkapasitet på 5,6 kg."

Resultatene viste at det tosidige systemet ved en 30- tilt genererte mest elektrisitet, med 7 919 kWh årlig, mens den monofasiale 30--graders konfigurasjonen ga den laveste utjevnede kostnaden for elektrisitet på 0,061 GBP (0,082 USD)/kWh. Tomatavlingene var konsistente på tvers av konfigurasjoner med 0,31 kg per kvadratmeter. Blant glassalternativene oppnådde vakuumgasokromvinduer den beste termiske ytelsen, med en U-verdi på 1,32 W per kvadratmeter-kelvin, men med en større tykkelse på 24,62 mm.

"Selv om de absolutte hydrogenvolumene er beskjedne, viser resultatene hvordan små takområder kan støtte flere bygnings-skala hydrogenapplikasjoner, og forsterker potensialet til modulære, onsite PV-hydrogensystemer," sa Ghosh. "Agrivoltaics innvirkning på boligisolasjon og optimal bruk av produsert hydrogen til oppvarming av boliger vil være målet for vår videre forskning.

Resultatene ble publisert i Energy and Buildings under tittelen "Rooftop agrivoltaic powered onsite hydrogen production for insulated gasochromic smart glazing and hydrogen vehicles: A holistic approach to sustainable residential building."