Оптимизированная конструкция полупрозрачной фотоэлектрической теплицы увеличивает выработку энергии на 20,1%
Аккумуляторная батарея TROJAN J305G-AC
Международная исследовательская группа разработала оптимизированную конструкцию полупрозрачной фотоэлектрической теплицы, которая увеличивает выработку солнечной энергии за счет стратегического размещения фотоэлектрических панелей на крышах и стенах, обращенных на юг. Благодаря усовершенствованному алгоритму оптимизации конструкция увеличила годовую выработку энергии на 20,1% и превзошла традиционные конструкции теплиц по этому показателю на 56,86%.
Предлагаемый проект
Исследовательская группа под руководством ученых из Катарского университета предложила новый проект полупрозрачной фотоэлектрической теплицы (STPV). Исследователи оптимизировали геометрию теплицы, чтобы увеличить выработку электроэнергии, сохранив при этом такие ограничения, как общая площадь пола и площадь покрытия STPV.
«В этом исследовании представлена новая конструкция теплицы, ориентированная на максимальное улавливание солнечной энергии на южных участках и поверхностях стен. Она специально разработана с учетом климатических условий Катара, — сообщили исследователи. — Новая конструкция была оценена и сравнена с распространенными конфигурациями теплиц при сохранении таких ограничений, как одинаковая общая площадь и площадь фотоэлектрических систем. Это гарантирует, что предложенная конструкция эффективно оптимизирует прием солнечной энергии без ущерба для занимаемой площади».
Ученые оценили энергоэффективность пяти типов теплиц: с равными пролетами, с неравными пролетами, арочных, с модифицированной аркой и предложенной ими конструкции, в которой большая часть площади STPV приходится на обращенные на юг участки крыши и вертикальные стены.
Они смоделировали все пять конфигураций, используя одинаковые двусторонние полупрозрачные фотоэлектрические модули p-типа мощностью 280 Вт с двойным остеклением. Площадь каждой теплицы составляла 24 м², а эффективная установленная площадь STPV — 71 м².
Исследователи оценили четыре традиционные конструкции теплиц с фиксированной неоптимизированной геометрией и сравнили их эффективность с предложенной конфигурацией. Затем они оптимизировали новую конструкцию с помощью усовершенствованного алгоритма оптимизации на основе среднеквадратичного отклонения (IMVMO) — метаэвристического метода оптимизации.
Алгоритм варьировал длину, ширину, максимальную высоту теплицы, а также углы наклона крыши и стен с целью максимизации годовой выработки электроэнергии.
Дополнительные конструкции
«В этом исследовании мы усовершенствовали алгоритм оптимизации среднеквадратичного отображения (mean-variance mapping optimization, MVMO), разработав его улучшенную версию (IMVMO)», — пояснили исследователи. «В усовершенствованном алгоритме предусмотрены механизмы, позволяющие избежать преждевременной сходимости и попадания в локальные оптимумы, что является распространенным ограничением многих метаэвристических методов. Это усовершенствование делает IMVMO более надежным и эффективным в решении сложных задач оптимизации, обеспечивая превосходную производительность при оптимизации конструкций теплиц».
С точки зрения общей выработки энергии предложенная конструкция неизменно превосходит четыре традиционные конфигурации теплиц с теми же размерами. По сравнению с теплицей типа «виноградник» она обеспечивает прирост энергии на 56,86 %. Прирост по сравнению с теплицами с равными пролетами и теплицами с модифицированными арками составил 25,14 % и 24,60 % соответственно, а по сравнению с теплицами с неравными пролетами — 6,03 %.
По словам исследователей, стены сыграли важную роль в выработке электроэнергии в соответствии с новым проектом, обеспечив выработку 7518,3 кВт·ч по сравнению с 5493,5 кВт·ч, выработанными на крыше. Неоптимизированная конфигурация имела размеры 6 м в длину и 4 м в ширину, максимальную высоту 3 м и угол наклона крыши 50 градусов. После оптимизации размеры изменились на 4 м на 6 м, максимальная высота составила 2,5 м, а угол наклона крыши — 26 градусов. Оптимизированная геометрия увеличила годовую выработку энергии на 20,1%.
«Этот подход к оптимизации подчеркивает важность стратегического выбора параметров для создания энергоэффективных теплиц, — заключили исследователи. — В целом это исследование демонстрирует возможность оптимизации конструкции для значительного повышения энергоэффективности теплиц и предлагает практические рекомендации по интеграции возобновляемых источников энергии в современное сельское хозяйство».
Исследователи представили свои выводы в статье «Оптимизация полупрозрачной теплицы с фотоэлектрическими элементами: новая конструкция для более эффективного сбора солнечной энергии», опубликованной в Energy Reports. В исследовательскую группу вошли ученые из Катарского университета, Университета BRAC в Бангладеш и Шанхайского морского университета в Китае.