Добывают энергию и еду: ученые придумали необычное применение солнечным окнам

Инженеры из австралийского Университета Мердока и компании ClearVue Technologies разработали новые солнечные окна, которые могут сократить потребление энергии и воды в теплицах. Результаты исследования были представлены в статье, опубликованной в журнале Cleaner Engineering and Technology.

Для проверки своей технологии специалисты спроектировали и построили в Перте (Австралия) теплицу с очень прозрачными фотоэлектрическими окнами, размещенными на крыше и стенах. Она состояла из четырех комнат, каждая длиной 8 м и шириной 6 м. Комната №1 была застеклена обычным ультрапрозрачным стеклом с низким содержанием железа, а комнаты №2, №3 и №4 использовали солнечное стекло. Оно имело прямое пропускание видимого света (VLT) около 60% и общее (прямое и рассеянное) VLT около 70%, при эффективности преобразования энергии около 3,3% и выходной электрической мощности 30–33 Вт-пик/м2.

Всего в теплице было установлено 153 прозрачных солнечных окна. Они могли питать вентиляторы, кондиционеры, жалюзи и вентиляционные жалюзи. Излишки энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками, также экспортировались в электросеть. Ночью работа теплицы зависела от электроэнергии из сети. Солнечные модули используют часть захваченного солнечного света для выработки электроэнергии, позволяя оставшемуся солнечному свету проходить в теплицу для роста растений и производства продуктов питания.

Были использованы два типа конструкций из поливинилбутираля (ПВБ), включая ПВБ-1, с более низкой концентрацией легирования для окон с более высокой прозрачностью, и ПВБ-2, с немного более высокой люминесценцией. Солнечное стекло в комнате 2 использовало два промежуточных слоя ПВБ-2; в комнате 3 использовалась комбинация ПВБ-1 и ПВБ-2, в то время как в комнате 4 использовался один промежуточный слой ПВБ-1 в паре с обычным промежуточным слоем ПВБ.

В течение двух вегетационных сезонов (с июля по декабрь 2021 и с марта по сентябрь 2022 годов) авторы исследования измеряли урожайность 18 различных культур, растущих внутри, а также производство электроэнергии и потребление воды. За время испытаний комнаты с фотоэлектрическими окнами потратили на 57% меньше электроэнергии и на 29% меньше воды.

Фотоэлектрические окна повлияли на рост растений. Обычные садовые культуры, такие как томат, карликовая фасоль, нут, салат, шпинат, горчица и болгарский перец, сохранили тот же уровень урожайности в солнечной комнате, что и в обычной комнате. В то же время урожайность снежного горошка в солнечных комнатах увеличилась на 12%. Широкополосные культуры испытали заметное снижение биомассы и урожайности или не достигли зрелости при выращивании в "солнечных" комнатах.

Получив результаты, команда создала вычислительную модель и предсказала, как теплица с солнечными окнами сможет работать в разных местах по всему миру. Ее виртуально разместили в Рио-де-Жанейро, Бразилия; Пекине, Китай; Нью-Дели, Индия; Лос-Анджелесе, Калифорния, США; Нью-Йорке, Нью-Йорк, США; Хайфе, Израиль; и Париже, Франция.

"Вычислительная модель показала, что полностью застекленная солнечная теплица может компенсировать до 100% потребления энергии в разных точках мира за счет использования адаптивных и эффективных методов контроля температуры, что потенциально позволяет создать полностью самодостаточное тепличное хозяйство в глобальном масштабе", — заявила команда.

В комментарии изданию PV Magazine один из авторов исследования — профессор Чэндао Ли, добавил, что основная концепция этого проекта заключается в одновременном сборе продовольствия и энергии, чтобы человечество могло одновременно производить еду, энергию и не вредить окружающей среде.