Добувають енергію та їжу: вчені придумали незвичайне застосування сонячним вікнам

Інженери з австралійського Університету Мердока і компанії ClearVue Technologies розробили нові сонячні вікна, які можуть скоротити споживання енергії та води в теплицях. Результати дослідження були представлені в статті, опублікованій у журналі Cleaner Engineering and Technology.

Для перевірки своєї технології фахівці спроектували і побудували в Перті (Австралія) теплицю з дуже прозорими фотоелектричними вікнами, розміщеними на даху і стінах. Вона складалася з чотирьох кімнат, кожна довжиною 8 м і шириною 6 м. Кімната №1 була засклена звичайним ультрапрозорим склом з низьким вмістом заліза, а кімнати №2, №3 і №4 використовували сонячне скло. Воно мало пряме пропускання видимого світла (VLT) близько 60% і загальне (пряме і розсіяне) VLT близько 70%, за ефективності перетворення енергії близько 3,3% і вихідної електричної потужності 30-33 Вт-пік/м2.

Загалом у теплиці було встановлено 153 прозорих сонячних вікна. Вони могли живити вентилятори, кондиціонери, жалюзі та вентиляційні жалюзі. Надлишки енергії, що виробляється фотоелектричними установками, також експортувалися в електромережу. Вночі робота теплиці залежала від електроенергії з мережі. Сонячні модулі використовують частину захопленого сонячного світла для вироблення електроенергії, дозволяючи сонячному світлу, що залишилося, проходити в теплицю для росту рослин і виробництва продуктів харчування.

Були використані два типи конструкцій з полівінілбутиралю (ПВБ), включно з ПВБ-1, з більш низькою концентрацією легування для вікон з вищою прозорістю, і ПВБ-2, з трохи вищою люмінесценцією. Сонячне скло в кімнаті 2 використовувало два проміжних шари ПВБ-2; у кімнаті 3 використовували комбінацію ПВБ-1 і ПВБ-2, тоді як у кімнаті 4 використовували один проміжний шар ПВБ-1 у парі зі звичайним проміжним шаром ПВБ.

Протягом двох вегетаційних сезонів (з липня по грудень 2021 і з березня по вересень 2022 років) автори дослідження вимірювали врожайність 18 різних культур, що ростуть усередині, а також виробництво електроенергії та споживання води. За час випробувань кімнати з фотоелектричними вікнами витратили на 57% менше електроенергії та на 29% менше води.

Фотоелектричні вікна вплинули на ріст рослин. Звичайні садові культури, такі як томат, карликова квасоля, нут, салат, шпинат, гірчиця і болгарський перець, зберегли такий самий рівень врожайності в сонячній кімнаті, що й у звичайній кімнаті. Водночас урожайність снігового горошку в сонячних кімнатах збільшилася на 12%. Широкосмугові культури зазнали помітного зниження біомаси та врожайності або не досягли зрілості при вирощуванні в "сонячних" кімнатах.

Отримавши результати, команда створила обчислювальну модель і передбачила, як теплиця з сонячними вікнами зможе працювати в різних місцях по всьому світу. Її віртуально розмістили в Ріо-де-Жанейро, Бразилія; Пекіні, Китай; Нью-Делі, Індія; Лос-Анджелесі, Каліфорнія, США; Нью-Йорку, Нью-Йорк, США; Хайфі, Ізраїль; і Парижі, Франція.

"Обчислювальна модель показала, що повністю засклена сонячна теплиця може компенсувати до 100% споживання енергії в різних точках світу завдяки використанню адаптивних і ефективних методів контролю температури, що потенційно дає змогу створити повністю самодостатнє тепличне господарство в глобальному масштабі", — заявила команда.

У коментарі виданню PV Magazine один з авторів дослідження — професор Чендао Лі, додав, що основна концепція цього проєкту полягає в одночасному збиранні продовольства та енергії, щоб людство могло одночасно виробляти їжу, енергію та не шкодити навколишньому середовищу.

Раніше вчені з Великої Британії та Німеччини представили вікно, яке дає сонячну енергію і гарячу воду. Модуль площею 1,2 квадратних метра покриє потреби сім'ї з двох дорослих і двох дітей.