Forschungsteam der Universität Katar optimiert Design halbtransparenter Photovoltaik-Gewächshäuser – Energieertrag um 20,1 % gesteigert

de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Katar (Qatar University) sowie mit Beteiligung der BRAC-Universität in Bangladesch (BRAC University) und der Shanghai Maritime University in China hat eine neuartige geometrische Konfiguration für halbtransparente Photovoltaik- (STPV) Gewächshäuser vorgeschlagen. Die neue Konfiguration ermöglicht bei unveränderter Gesamtgrundfläche des Gewächshauses und unveränderter Photovoltaik-Abdeckungsfläche eine höhere Stromerzeugung.

Die Designidee besteht darin, einen größeren Anteil der STPV-Oberflächen auf dem nach Süden ausgerichteten Dach und den vertikalen Wänden zu konzentrieren und diese an die lokalen Klimabedingungen Katars anzupassen. Die Studie legte vier gängige Gewächshauskonfigurationen – gleichspannig (even-span), ungleichspannig (uneven-span), Weinberg- (vinery) und modifizierte Bogenform (modified-arch) – als Vergleichsgruppen zugrunde, die alle mit denselben 280-W-p-Typ-Doppelglas-Bifazial-Halbtransparent-Photovoltaikmodulen modelliert wurden. Die Grundfläche jedes Gewächshauses beträgt 24 m², die effektiv installierte STPV-Fläche jeweils 71 m².

Die Forscher führten zunächst eine Basisbewertung der vier traditionellen Konfigurationen mit festen geometrischen Parametern durch und verglichen diese mit der Ausgangsform der neuen Konfiguration. Anschließend wurde ein verbesserter Mean-Variance-Mapping-Optimierungsalgorithmus (IMVMO) zur Optimierung der neuen Konfiguration eingesetzt. Dieser Algorithmus gehört zu den metaheuristischen Optimierungsmethoden und kann Gewächshauslänge, -breite, maximale Höhe sowie Dach- und Wandneigungswinkel als Anpassungsparameter verwenden, mit dem Ziel, die jährliche Stromerzeugung zu maximieren. Im Vergleich zum Mean-Variance-Mapping-Optimierungsalgorithmus (MVMO) verfügt IMVMO über zusätzliche Mechanismen zur Vermeidung vorzeitiger Konvergenz und des Feststeckens in lokalen Optima, um die Robustheit bei der Lösung komplexer Optimierungsprobleme zu verbessern.

Beim Vergleich der Stromerzeugung übertrifft die neue Konfiguration unter denselben Randbedingungen wie Grundfläche und STPV-Fläche alle vier traditionellen Konfigurationen mit identischen Spezifikationen: Der Energiegewinn gegenüber der Weinberg-Konfiguration beträgt 56,86 %, gegenüber der gleichspannigen bzw. modifizierten Bogenkonfiguration 25,14 % bzw. 24,60 % und gegenüber der ungleichspannigen Konfiguration 6,03 %. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Stromerzeugung tragen die vertikalen Wände der neuen Konfiguration 7.518,3 kWh bei, der Dachteil 5.493,5 kWh. Vor der Parameteroptimierung war das Gewächshaus auf 6 Meter Länge, 4 Meter Breite, 3 Meter maximale Höhe und einen Dachneigungswinkel von 50 Grad ausgelegt; nach der IMVMO-Optimierung wurden die geometrischen Abmessungen auf 4 m × 6 m, eine maximale Höhe von 2,5 Metern und einen Dachneigungswinkel von 26 Grad angepasst, wodurch die jährliche Stromerzeugung gegenüber dem Zustand vor der Optimierung um 20,1 % gesteigert wurde.

Das Forschungsteam weist im Fazit der Arbeit darauf hin, dass diese Optimierungsmethode die wichtige Rolle strategischer Parameterwahl bei der Gestaltung energieeffizienter Gewächshäuser verdeutlicht. Die Forschungsergebnisse bieten zudem einen praxisorientierten Referenzwert für die Integration erneuerbarer Energielösungen in die moderne Landwirtschaft. Die entsprechende Studie wurde unter dem Titel „Optimizing semi-transparent PV-integrated greenhouse: A novel design for enhanced solar energy harvesting“ in Energy Reports veröffentlicht.