Η εφαρμογή και συνεισφορά καινοτόμων ημι-διάφανων φωτοβολταϊκών στο πεδίο των θερμοκηπιακών συστημάτων

Abstract

This dissertation investigates the application and contribution of innovative semi-transparent photovoltaics in greenhouse systems, a promising solution to address the dual challenge of food and energy production. The study begins by addressing the critical balance between the demands qualitative and quantitative food production and the need for effective energy management in greenhouse environments. To this end, a Multilayer Perceptron Neural Network is proposed to accurately model temperature and relative humidity within the greenhouse, achieving maximum errors of 0,877 K and 2,838%, respectively, with a coefficient of determination of 0.999 for both parameters. The high accuracy offered by this model allows a decision support system to effectively control the conditions within a greenhouse. The integration of photovoltaic modules into greenhouse roofs is an innovative solution to the high energy costs of production. However, the shading effect of these modules can affect crop growth, necessitating a detailed analysis of the shading dynamics. Considering this, an algorithm is developed to calculate the shading caused by photovoltaic modules based on sun's position and the geometry of the greenhouse/photovoltaic system. This algorithm is validated using the coefficient of variation for the difference between external and internal radiation. Furthermore, this research presents the improvements and modifications to the above algorithm for determining the shading from the solar cells of semi-transparent photovoltaics and studying the radiation passing through the modules. The findings demonstrate significant reductions in Global Horizontal Irradiance and Photosynthetically Active Radiation, by approximately 52% and 60%, respectively. The study also examines the effects of shading from semi-transparent photovoltaics on strawberry cultivation (Fragaria × ananassa Duch.), revealing that while unshaded plants exhibited greater growth, shading improved certain fruit quality characteristics, such as total phenolic content and antioxidant capacity. This research highlights the potential of semi-transparent photovoltaics to harmonize energy production with agricultural production, highlighting their role in sustainable greenhouse systems. Overall, the findings contribute valuable insights for optimizing agrivoltaics in greenhouses for photovoltaic designers and greenhouse managers, promoting innovative strategies for food and energy sustainability in the face of increasing global demands.

Η παρούσα διατριβή διερευνά την εφαρμογή και τη συμβολή των καινοτόμων ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών σε θερμοκηπιακά συστήματα, μία πολλά υποσχόμενη λύση για την αντιμετώπιση της διπλής πρόκλησης για την παραγωγή τροφίμων και ενέργειας. Η μελέτη ξεκινά με την προσέγγιση της κρίσιμης ισορροπίας μεταξύ των απαιτήσεων για ποιοτική και ποσοτική παραγωγή τροφίμων και της ανάγκης για αποτελεσματική διαχείριση της ενέργειας σε περιβάλλοντα θερμοκηπίων. Για τον σκοπό αυτό προτείνεται ένα Νευρωνικό Δίκτυο Πολυστρωματικής Αντίληψης για την ακριβή μοντελοποίηση της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας εντός του θερμοκηπίου, επιτυγχάνοντας μέγιστα σφάλματα 0,877 Κ και 2,838%, αντίστοιχα, με συντελεστή προσδιορισμού 0,999 και για τις δύο παραμέτρους. Η υψηλή ακρίβεια που προσφέρει το συγκεκριμένο μοντέλο επιτρέπει σε ένα σύστημα υποστήριξης λήψης αποφάσεων να ελέγχει αποτελεσματικά τις συνθήκες ενός θερμοκηπίου. Η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών μονάδων στην οροφή θερμοκηπίων αποτελεί μια καινοτόμα λύση για το υψηλό ενεργειακό κόστος παραγωγής. Ωστόσο, η επίδραση της σκίασης αυτών των μονάδων μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη των καλλιεργειών, γεγονός που απαιτεί λεπτομερή ανάλυση της δυναμικής της σκίασης. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος για τον υπολογισμό της σκίασης από φωτοβολταϊκές μονάδες με βάση την θέση του ήλιου και τη γεωμετρία του συστήματος θερμοκηπίου/φωτοβολταϊκών, ο οποίος επικυρώνεται με χρήση του συντελεστή μεταβολής για την διαφορά μεταξύ της εξωτερικής και της εσωτερικής ηλιακής ακτινοβολίας. Επιπλέον, η παρούσα έρευνα παρουσιάζει τις τροποποιήσεις και προσθήκες στον παραπάνω αλγόριθμο για την εύρεση της σκίασης από τις ηλιακές κυψελίδες των ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών, και την μελέτη της ακτινοβολίας που διαπερνά τις μονάδες. Τα ευρήματα καταδεικνύουν σημαντικές μειώσεις της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο και της Φωτοσυνθετικά Ενεργού Ακτινοβολίας, σε ποσοστό περίπου 52% και 60%, αντίστοιχα. Η μελέτη εξετάζει επίσης τις επιπτώσεις της σκίασης των ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών σε καλλιέργεια φράουλας (Fragaria × ananassa Duch.), αποκαλύπτοντας ότι ενώ τα μη σκιασμένα φυτά παρουσίασαν μεγαλύτερη ανάπτυξη, η σκίαση βελτίωσε ορισμένα ποιοτικά χαρακτηριστικά των καρπών, όπως η συνολική περιεκτικότητα σε φαινολικές ενώσεις και η αντιοξειδωτική ικανότητα των καρπών. Αυτή η έρευνα υπογραμμίζει τη δυνατότητα των ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών να εναρμονίσουν την παραγωγή ενέργειας και τη γεωργική παραγωγή, αναδεικνύοντας το ρόλο τους στα βιώσιμα θερμοκηπιακά συστήματα. Συνολικά, τα ευρήματα συνεισφέρουν πολύτιμες γνώσεις για τη βελτιστοποίηση των Αγριβολταϊκών σε θερμοκήπια, σε σχεδιαστές φωτοβολταϊκών συστημάτων και διαχειριστές θερμοκηπίων, προωθώντας καινοτόμες στρατηγικές για τη βιωσιμότητα των τροφίμων και της ενέργειας ενόψει των αυξανόμενων παγκόσμιων απαιτήσεων.