Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Exeter đã nghiên cứu một khái niệm sản xuất hydro sử dụng năng lượng mặt trời nông nghiệp cho các hộ gia đình. Năng lượng mặt trời trên mái nhà cung cấp điện cho một thiết bị điện phân để sản xuất hydro rồi cung cấp cho xe ô tô chạy bằng hydro và cửa sổ gasochromic cách nhiệt.
Cửa sổ gasochromic là loại kính cách nhiệt, có khả năng làm tối hoặc làm sáng thông qua các phản ứng đảo ngược với hydro và oxy, cho phép điều khiển ánh sáng và nhiệt.
"Nghiên cứu này đưa ra một khái niệm năng lượng tích hợp mới cho tòa nhà, kết nối năng lượng mặt trời nông nghiệp, hydro, mặt tiền thông minh và giao thông. Nó mang lại một góc nhìn mới về cách các tòa nhà có thể trở thành các trung tâm năng lượng và đa chức năng. Ý tưởng này ngày càng quan trọng đối với các hệ thống năng lượng đô thị trong tương lai", nhà nghiên cứu Aritra Ghosh nói với PV Magazine.
Ông cũng nhấn mạnh, mặc dù diện tích mái hạn chế làm giảm thiểu tổng sản lượng hydro, nhưng giá trị của khái niệm này lại nằm ở sự tích hợp hệ thống và tính mới lạ, thay vì sản xuất quy mô lớn.
Sử dụng nhiều công cụ phần mềm, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng một ngôi nhà hai tầng thực tế ở Birmingham, Anh. Tòa nhà có tổng diện tích sàn khoảng 142,7m2, chiều cao 4,8m và diện tích mái có sẵn để lắp đặt điện mặt trời nông nghiệp là 55m2.
Birmingham có khí hậu ôn hòa, với nhiệt độ mùa hè cao nhất khoảng 21 độ C, trong khi mùa đông có thời điểm giảm xuống gần 1 độ C.
Trên mái phẳng, 12 mô-đun năng lượng mặt trời được lắp đặt theo ba cấu hình: thẳng đứng, hình vòm với góc nghiêng 20 độ, hoặc góc nghiêng tối ưu 30 độ. Mỗi cấu hình được thử nghiệm với mô-đun đơn mặt 600W hoặc mô-đun hai mặt 605W. Cà chua được trồng dưới các tấm pin, yêu cầu từ 6 đến 8 giờ ánh sáng trực tiếp mỗi ngày và nhiệt độ ban đêm khoảng 13 độ C.
Một điện phân kế 7kW với hiệu suất 88% được sử dụng để sản xuất hydro từ nguồn điện mặt trời. Hydro được mô phỏng cho ba mục đích sử dụng gồm: tiếp nhiên liệu cho xe Toyota Mirai 2017, cung cấp năng lượng cho cửa sổ gasochromic, hoặc cả hai. Hiệu suất của cửa sổ gasochromic chân không cũng được so sánh với các loại cửa sổ hai lớp, điện mạ và gasochromic tiêu chuẩn.
"Sử dụng diện tích mái 55m2, hệ thống có thể sản xuất đủ hydro để đáp ứng nhu cầu hàng năm của cửa sổ thông minh, với tổng lượng tính toán chỉ 52,56 gram/năm", Ghosh cho biết.
Ngoài ra, khi sản lượng hydro được đánh giá theo khả năng di chuyển, hệ thống mái nhà tương tự - sử dụng cấu hình PV song mặt nghiêng 30 độ - theo lý thuyết có thể hỗ trợ tối đa lượng hydro cho xe ô tô chạy quãng đường 64,23 km/ngày. Ước tính này dựa trên hiệu suất của Toyota Mirai 2017, có dung tích bình hydro 5,6kg.
Kết quả cho thấy, hệ thống hai mặt nghiêng 30 độ tạo ra nhiều điện năng nhất, đạt 7.919 kWh/năm, trong khi cấu hình đơn mặt nghiêng 30 độ có mức giá điện chi phí hợp lý nhất, với giá 0,061 bảng Anh (0,082 USD)/kWh.
Sản lượng cà chua ổn định ở tất cả các cấu hình, đạt 0,31 kg/m2.
Trong số các lựa chọn kính, cửa sổ gasochromic chân không đạt hiệu suất nhiệt tốt nhất, với giá trị U là 1,32 W/m2K, mặc dù độ dày lớn hơn là 24,62mm.
Cũng theo Ghosh, dù khối lượng hydro tuyệt đối là khiêm tốn, song kết quả cho thấy cách các diện tích mái nhỏ có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng hydro quy mô tòa nhà, củng cố tiềm năng của các hệ thống PV-hydro mô-đun tại chỗ.
"Tác động của năng lượng mặt trời nông nghiệp đối với việc cách nhiệt của ngôi nhà và việc sử dụng tối ưu hydro sản xuất để sưởi ấm nhà sẽ là mục tiêu của nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi", ông nói.
Theo PV
