Design of a Solar Greenhouse with energy Delivery by the Conversion of Near Infrared Radiation. Part 1. Optics and PV-Cells

In this paper the design and development of a new type of greenhouse with an integrated filter for reflecting near infrared radiation (NIR) and a solar energy delivery system is described. Especially the optical parts as the spectral selective film, the properties of the circular reflector and the efficiencies of photo voltaic cells are studied. As a first measure, the spectral selective cover material, which prevents the entrance of NIR radiation, is investigated. It has to block up to 35% of the solar energy outside the greenhouse, which will reduce the needed cooling capacity. The second measure is the integration with a solar energy system. When the NIR reflecting coating is designed as a circular shaped reflector integrated in the greenhouse, the reflected solar energy of a PhotoVoltaic (PV) cell in the focus point delivers electric energy. With a ray tracing computer program the optimal geometry of the reflector was designed with respect to the collecting efficiency. The PV cells mounted in the focal point require cooling due to the high heat load of the concentrated radiation (geometric concentration factor of 30). The properties of different PV materials were investigated to find the optimal cell for this application. Cooled greenhouses are an important issue to cope with the combination of high global radiation and high outdoor temperatures. All parts are integrated in a 100m2 prototype greenhouse which will be applied for the proof of principl

Transvision: A light transmission measurement system for greenhouse covering materials

Abstract: For determining the optical performance of greenhouse covering materials other than standard float glass the current Dutch NEN 2675 norm is no longer appropriate. The emergence of a new generation of materials (diffuse, layered) resulted in a new measuring protocol developed by TNO and Wageningen UR. In line with this protocol Wageningen UR has developed an accurate measuring device (Transvision) for measuring the light transmittance for direct and hemispherical incident light. The device is based on spectral analysis of a perpendicular beam passing the material under a variable angle of incidence into an integrating sphere. With the angular transmission data, the hemispherical transmission can be calculated which is the most important benchmark for the performance as a covering material at northern latitudes. The device is specially developed for measuring thick, multi-layer and large materials which cannot be cut for testing, like tempered or structured glass panes. For clear float glass the device meets the specifications of the NEN 2675 and the results are comparable with those of professional spectrometer systems

Verschillende materialen met nieuw protocol weer goed te vergelijken

Door de opkomst van nieuwe kasdekmaterialen voldoet de norm NEN2675 voor lichtdoorlatendheid niet meer. Wageningen UR Glastuinbouw en TNO ontwikkelen een nieuw protocol. Daarin nemen de onderzoekers ook diffuus licht en vochteffecten mee zodat heel verschillende materialen weer met elkaar te vergelijken zijn. Een nieuwe ontwikkeling is ook dat gemeten kan worden hoeveel warmtestraling een materiaal doorlaat. Dat is belangrijk om de koelcapaciteit of warmteopslag te bepale

Gebruikershandleiding Simulatiemodel lichtuitstoot

Er is een simulatiemodel voor lichtuitstoot ontwikkeld om tuinders te ondersteunen in hun keuzemogelijkheden op het gebied van belichten en lichtuitstoot. Het model maakt de gevolgen inzichtelijk van (strengere) regelgeving op het kasklimaat en de productie. In de intensieve glastuinbouw worden in de laatste jaren steeds meer kassen verlicht door middel van assimilatiebelichting. Belichten is voor de tuinders vaak een noodzaak met betrekking tot de afzetmarkt en de trend van de laatste jaren laat zien dat niet alleen het belichte areaal toeneemt maar ook de belichtingsintensiteit. Vooral in traditioneel landelijke gebieden waar het relatief donker is, valt de lichtuitstoot van kassen extra op en is ongewenst voor omwonenden en flora en fauna. Aanleiding voor LTO Nederland en de Stichting Natuur en Milieu om in 2004 een convenant af te sluiten: het "Besluit Glastuinbouw". Hierin staan voorschriften om lichthinder door assimilatiebelichting te beperken. Sindsdien wordt het convenant regelmatig aangescherpt. Voor tuinders heeft het beperken van de lichtuitstoot direct gevolgen voor het klimaat in de kas en daarmee hun energieverbruik en productie. Dit komt omdat bij het lichtdicht maken van de kas minder goed geventileerd kan worden waardoor de temperatuur en luchtvochtigheid kunnen oplopen. Om zo goed mogelijk te telen en tegelijkertijd onder de lichtuitstootnorm te blijven moeten tuinders een optimum zien te vinden tussen zaken zoals het type schermdoek, de schermregeling, de belichtingsstrategie en klimaatinstellingen. Het Simulatiemodel lichtuitstoot is ontwikkeld door Wageningen UR Glastuinbouw, in samenwerking met het Projectbureau Westergozone (namens Waddenkas) en E kwadraat advies en is gefinancierd door de Provincie Friesland

A spectral selective lamellae concentrator system as BI-CPV/T System

In warm periods the excess of incoming solar energy into a greenhouse is more than required for the growth of the crop. In particular the near infrared radiation (NIR) part of the incoming radiation is not necessarily. In a previous research project a new type of greenhouse with an integrated concentrated photovoltaic system with thermal energy output (CPVT-system) was developed. This earlier system was based on a circular covering geometry and an integrated filter for reflecting the NIR of the greenhouse. The reflected radiation was used in a solar energy system. In this feasibility study the new CPVT-system is simplified so more economically by avoiding the asymmetric greenhouse construction with bended glass and the large construction for solar tracking. All parts of the solar concentrating system will be mounted inside a standard Venlo type greenhouse. The concentrator consists of lamellae which only focus the NIR-part of the spectrum onto the CPVT–module. This module is mounted to or integrated into the ridge or gutter of the greenhouse. With this spectral selection the heat load inside the greenhouse will be reduced. The target is a maximal total annual electricity production. The optimization is done with a ray tracing model fed with actual radiation data. Two types of lamellae are compared: flat lamellae and trough shaped lamellae which focus the radiation individually. Trough shaped lamellae have the advantage of reducing the number of lamellae in combination with a high concentration ratio. This will lower the costs for the servo drive of the lamellae. The reflected NIR radiation can be focused with a geometric concentration factor of 100x. The lamellae will not only reflect 49% of the NIR radiation but also a part of the whole solar spectrum. The total effective concentration ration factor will be 23x, including the transmission losses of the greenhouse and the efficiency of the concentrator. The high geometric concentration factor will limit the shadowing effect of the cultivation area by the PV-cells with only 1%. Further optimalisation in the energy yield were performed on determination of the optimal focal length of the trough shaped lamellae. The highest annual electrical output was found for lamellae with individual optimized focal lengths. In that case the annual output for Dutch climate conditions can be over 29 kWh/m

A Fresnel lenses based concentrated PV system in a greenhouse

The scope of this investigation is the development and testing of a new type of greenhouse with an integrated linear Fresnel lens, receiver module and an innovative system for tracking to exploit all direct radiation in a solar energy system. The basic idea of this horticultural application is to develop a greenhouse for pot plants (typical shadow plants) that do not like direct radiation. Removing all direct radiation will drastically reduce the need for cooling under summer conditions and the need for screens or lime coating of the glass to reflect or block a large part of the radiation. The removal of all direct radiation will block up to 81% of the solar energy, which will reduce the needed cooling capacity. The second measure is the integration of a solar energy system. When the (linear) Fresnel lenses are designed between double glass coverings and integrated in the greenhouse, the focused solar energy on the Thermal Photovoltaic (TPV) cell in the focus point delivers electric and thermal energy. The TPV module mounted in the focal point requires cooling due to the high heat load of the concentrated radiation (concentration factor of 50×). All parts are integrated in a greenhouse structure with a size of about 36 m2 and the electrical and thermal yield is determined for Dutch climate circumstances

Solar Energy Delivering Greenhouse with an Integrated NIR filter

The scope of this investigation is the design and development of a new type of greenhouse with an integrated filter for rejecting near infrared radiation (NIR) and a solar energy delivery system. Cooled greenhouses are an important issue to cope with the combination of high global radiation and high outdoor temperatures. As a first measure, the spectral selective cover material, which prevents the entrance of NIR radiation, is investigated. The special spectral selective properties of these materials have to block up to 50% of the solar energy outside the greenhouse, which will reduce the needed cooling capacity. The second measure is the integration of a solar energy system. When the NIR reflecting coating is designed as a parabolic or circular shaped reflector integrated in the greenhouse, the reflected solar energy of a PhotoVoltaic (PV) cell in the focus point delivers electric energy. With a ray tracing computer program the geometry of the reflector was optimally designed with respect to the maximum power level. The PV cells mounted in the focal point require cooling due to the high heat load of the concentrated radiation (concentration factor of 30-40). The properties of different materials, Ge, GaSb, CIS and Si cells were investigated to find the optimal cell for this application. All parts are integrated in a greenhouse structure with a size of about 100m2

Haalbaarheidsstudie naar gebruik van faseovergansmateriaal (PCM) in de kas

PCM = Faseovergangsmateriaal heeft de eigenschap om per m3 materiaal een grote hoeveelheid energie te kunnen opslaan. In de woningbouw wordt dit toegepast in huizen om een aangenaam klimaat te combineren met energiebesparing. In deze studie is nagegaan wat de energiebesparing kan zijn bij Chrysant en tomaat als PCM in de kas wordt toegepast. Voor beide teelten is het perspectief van PCM slecht. In het gunstigste geval (tomaat) wordt ruim 0.7 m³/m² aan gas bespaard. De maximale gasafname wordt door het gebruik van PCM niet verlaagd. Dit komt omdat piekverbruiken ontstaan in de koudste periode van het jaar waarbij overdag geen of te weinig zonnewarmte benut kan worden om de piek in de nacht of ¿s morgens te verlagen. De verandering van het kasklimaat en de gewasproductie zijn zeer klein. Bij chrysant werkt de hogere nachttemperatuur (neg. dif.) negatief door. Dit komt omdat de stollingstemperatuur voor PCM boven de nachttemperatuur moet liggen om ¿s nachts de overdag opgespaarde warmte te kunnen vrijgeven. De smelttemperatuur ligt daardoor nog hoger, zodat pas bij een stijging van de dagtemperatuur ten opzichte van de nachttemperatuur energie kan worden bespaard. Dit betekent dat de kasluchttemperatuur overdag boven de 21.5 °C moet komen terwijl de ingestelde temperatuur 18.5 °C is. De veranderingen in temperatuur en CO2 niveau zijn gering. PCM heeft geen negatieve effecten, maar de positieve effecten zijn klein. Het onderzoek laat wel zien dat vergroting van de warmtecapaciteit van een kas door meer massa, gewas en dergelijke gunstig is voor het energiegebruik. Voor een betere toepassing met de warmteoverdacht van kaslucht naar PCM en omgekeerd worden verbeterd. Een fors temperatuurverschil tussen dag en nacht is gunstig voor de toepassing van PCM. PCM geeft wel een besparing, maar er is geen realistische verwachting dat de investering en de aanpassing in de teelt worden terugverdiend

A concentrator system for BI-CPVT with static linear Fresnel lenses

A greenhouse with Fresnel lenses in the south facing roof and a receiver for concentrated Photovoltaic with water cooling (CPVT system) will result in electrical and thermal energy output from the solar energy excess entering a greenhouse. The PV system converts about half of the direct radiation into heat and electricity. During periods with direct radiation this will significantly reduce the heat load on the greenhouse For an optimal performance the roof elements must be asymmetric with a steep inclination at the north side (the exact angle of course depends on the latitude of the building site). The Fresnel lens structure is best oriented in upwards direction. In the current design, two lenses are placed in the inner space of a double glass. This prevents pollution and condensation on the lenses. By the upward facing of the lens structure, the focus quality is preserved over a much broader range of angles of incidence compared to a lens with downward facing structures. Each PMMA lens with a size of 1.20m x 1.52m is composed of 12 ‘tiles’ for easy production. The focal distance of the lens is 1,875m and the geometrical concentration factor is 50×. This means that in most cases the focus line is thinner than 3 cm. The performance of the lens with respect to the shape of the focal area and the position of the focal line has been analyzed with ray tracing techniques. From this analyses and by the development of a smart tracking system only two motors can bring the receivers in the required positions. One motor controls the distance between lens and receiver and the other controls the translocation of the receivers parallel to the lens. The second conclusion was that the positions of the focal line are within the bounds of the greenhouse construction for almost the whole year. Only in winter, in the early morning and at the end of the day, the focal line will be unreachable. The light sum is very stable in the greenhouse compared with the light sum outside. The 480 m2 greenhouse, with the LCPVT system based on Static Fresnel lenses and a 12 m CPVT-module and a 200 m CT-module, is designed by Bode Project Engineering and constructed by Technokas in Bleiswijk the Netherlands. An electrical power of 37W/(m2 greenhouse) is measured at an incoming global radiation of 870 W/m² (on a horizontal plane). The fraction collected thermal yield is about 20% of the total incident direct radiation

De microturbine als branderventilator

De microgasturbine is een alternatief voor de gasmoter aangedreven WKK, inzetbaar in kleine eenheden, onderhoudsarm en met hoge kwaliteit rookgassen waaruit CO2 direct (zonder reiniger) te gebruiken zijn. Maar heeft wel een lager elektrisch rendement. Door de microgasturbine te integreren met de ketelbrander en gebruik te maken van de ketel als warmtewisselend oppervlak zal het te behalen elektrische rendement hoger zijn dan losse microgasturbines. Met medewerking van EON Benelux en een branderfabrikant wordt een microturbine/ ketel combinatie ontwikkeld en getest bij een tuinbouwbedrijf op punten als technische prestaties en een passende besturingsstrategie Door middel van simulaties voor tomaat, komkommer, paprika en fresia wordt de inzet van de microturbine/ ketel combinatie doorgerekend en vertaald naar onder meer energetische en bedrijfseconomische perspectieven. De simulaties voor verschillende teelten (tomaat, komkommer, paprika en fresia). tonen aan dat de microturbine in deze configuratie als branderventilator voor een bedrijf van 1 hectare een energiebesparing van ca. 2 m3/m per jaar oplevert met een terugverdientijd van 3,5 tot 4 jaar. Inmiddels heeft E-on een praktijktest gestart