Document
Performance evaluation of an on-grid solar-powered greenhouse with a fan-chiller-tube bank cooling system.
Source
Master's thesis
Other titles
تقييم أداء دفيئة تعمل بالطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة الكهربائية مع نظام تبريد مروحة ومبرد وأنابيب بنكية.
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Master's thesis
English abstract
Greenhouse farming is one of the best solutions to overcome the harsh environmental conditions in arid countries like Oman. However, the summer season can significantly affect the cooling system's efficiency. The Fan-Pad cooling system is the most commonly used cooling system, and the increased humidity from the evaporative pad can lead to plant and soil pathogen issues. This study aimed to evaluate the performance of a greenhouse developed with a new concept of an on-grid solar-powered, fan-chiller-tube-bank (FCTB) cooling system using pot-grown Okra. In addition to conducting cost-benefit and cash flow analyses. With an on-grid solar system, the income comes from the crop and the sale of excess electricity to the grid. The growth setup was developed with a Quonset side-walled single-span greenhouse, pot-based Okra cultivation with an automatic scheduled irrigation system, and similarly treated control pots in an open-field condition. The greenhouse and cooling system were set up with sensors and a data logging system to measure temperature, humidity, and light intensity variations. The growth parameters of okra and environmental parameters were measured and analyzed. The water consumption and electricity consumption were determined, and the excess energy supplied to the electricity grid was also estimated. In the performance evaluation, crop growth parameters were compared with the control plots, and efficiency parameters such as crop yield, total water use efficiency (WUE), irrigation water use efficiency (IWUE), cooling water use efficiency (CWUE), and energyuse efficiency (EUE) were evaluated.
The results showed that the FCTB cooling system has effectively maintained optimum temperature (23.0°C–34.4°C) and relative humidity (55.2%–69.0%) levels inside the greenhouse, promoting plant growth. Statistically significant differences were observed between the growth parameters of greenhouse and control Okra plants, with greenhouse plants showing superior growth performances. In one cultivation cycle, the greenhouse produced a higher okra yield (3683.79 g) compared to the open field (331.94 g). The greenhouse demonstrated improved EUE, with a value of 1.1579 and a positive net energy of 163.8689 MJ/m2. The WUE, IWUE, and CWUE were 0.91 kg/m3, 2.07 kg/m3, and 1.63 kg/m3, respectively. In addition, the economic performance indicated that growing okra with a solar-powered FCTB cooling system was economically unfeasible with a cost ratio less than one (0.99). The values of Internal Rate of Return (IRR) and Net Present Value (NPV) of cucumber (IRR40%, NPV 7812.99 OMR) and cherry tomatoes (IRR 33%, NPV 7259.46 OMR) indicated profitability of these crops with this greenhouse. Furthermore, the use of solar energy in the FCTB cooling system increases greenhouse efficiencies, economic viability, profitability, and sustainability. This study recommends further research with this system for Oman's seasonal effect with high-value crops and optimizing the size of the solar panel bank, fan, and chiller tube bank system to see how the energy and other efficiency components will be varied.
Arabic abstract
الزراعة في البيوت المحمية هي واحدة من أفضل الحلول للتغلب على الظروف البيئية القاسية في البلدان القاحلة مثل سلطنة عمان. ومع ذلك، يمكن أن تتأثر كفاءة نظام التبريد خاصة خلال فصل الصيف. يعد نظام التبريد وسادة المروحة هو نظام التبريد الأكثر شيوعاً، ويمكن أن تتسبب الرطوبة الزائدة الناتجة عن وسادة التبخر في حدوث مشاكل للنبات والتربة مثل الأمراض. هدفت هذه الدراسة إلى تقييم أداء الدفيئة التي تم تطويرها بمفهوم جديد لنظام التبريد الذي يعمل بالطاقة الشمسية المتصلة بالشبكة، ويستخدم نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية من خلال زراعة البامية المزروعة في أوعية. بالإضافة إلى إجراء تحليل التكلفة والعائد وتحليل التدفق النقدي. بوجود الطاقة الشمسية المتصل بالشبكة، يأتي الدخل من المحاصيل وبيع الكهرباء الزائدة إلى الشبكة. تم تطوير مجموعة النمو باستخدام بيت محمي بجدار جانبي واحد ومظلة منفردة وزراعة البامية في أوعية مع نظام ري تلقائي مجدول وأوعية تحكم معالجة بالمثل في الظروف الحقلية المفتوحة. تم تجهيز الدفيئة ونظام التبريد بأجهزة استشعار ونظام تسجيل بيانات لقياس الرطوبة وتغيرات درجة الحرارة. تم قياس وتحليل معاملات النمو للبامية والعوامل البيئية. وتم تحديد استهلاك المياه والكهرباء، كما تم تقدير الطاقة الزائدة الموردة لشبكة الكهرباء. في تقييم الأداء، تمت مقارنة معاملات نمو المحصول في الدفيئة مع أوعية التحكم في الحقل المفتوح، ومعايير الكفاءة مثل إنتاجية المحصول، وكفاءة استخدام المياه الإجمالية، وكفاءة استخدام المياه في نظام الري، وكفاءة استخدام المياه في نظام التبريد، وتم تقييم كفاءة استخدام الطاقة.
أظهرت النتائج أن نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية حافظ بشكل فعال على مستويات مثالية لمستويات درجة الحرارة) ٠.٢٣ درجة مئوية –٣٤٤. درجة مئوية( والرطوبة النسبية) ٥٥٢.% –٠.٦٩%( داخل الدفيئة، مما عزز نمو النباتات.وقد لوحظ فروق ذات دلالة إحصائية بين معاملات نمو النباتات المزروعة في الدفيئة وتلك المزروعة في الحقل المفتوح،حيث أظهرت النباتات المزروعة في الدفيئة أداءً أفضل من حيث النمو.في دورة زراعية، أنتجت الدفيئة أعلى محصول من البامية )٣٦٨٣.٧٩ جرام( مقارنة بالحقل المفتوح) ٣٣١.٩٤ جرام(. أظهرت الدفيئة تحسنًا في كفاءة استخدام الطاقة بقيمة ١.١٥٧٩ وصافي طاقة إيجابي يبلغ ١٦٣.٨٦٨٩ ميجا جول/م². كما بلغت كفاءة استخدام المياه، وكفاءة استخدام المياه للري، وكفاءة استخدام المياه للمحصول ٠.٩١ كجم/م3، ٢.٠٧ كجم/م3، و١.٦٣ كجم/م3على التوالي.
بالإضافة إلى ذلك ،أظهر الأداء الاقتصادي إلى أن زراعة البامية بنظام التبريد نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية الذي يعمل بالطاقة الشمسية غير مجدية اقتصاديًا بنسبة تكلفة إلى الفائدة أقل من واحد )٠.٩٩(. تشير قيم معدل العائد الداخلي و صافي القيمة الحالية للخيار )معدل العائد الداخلي: ٤٠%، صافي القيمة الحالية: ٧٨١٢.٩٩ ريال عماني( والطماطم الكرزية) معدل العائد الداخلي: ٣٣%، صافي القيمة الحالية: ٧٢٥٩.٤٦ ريال عماني( إلى ربحية هذه المحاصيل
في هذه الدفيئة. علاوة على ذلك، فإن استخدام الطاقة الشمسية في نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية يعزز كفاءة البيوت المحمية، والجدوى الاقتصادية، وبالتالي الربحية والاستدامة. توصي هذه الدراسة بإجراء المزيد من الأبحاث باستخدام هذا النظام لبحث تأثير المواسم في عمان على المحاصيل ذات القيمة العالية. بالإضافة الى تحسين حجم مجموعة الألواح الشمسية والمروحة ونظام مجموعة أنابيب التبريد لمعرفة تأثيرها على تنوع الطاقة ومكونات الكفاءة الأخرى.
أظهرت النتائج أن نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية حافظ بشكل فعال على مستويات مثالية لمستويات درجة الحرارة) ٠.٢٣ درجة مئوية –٣٤٤. درجة مئوية( والرطوبة النسبية) ٥٥٢.% –٠.٦٩%( داخل الدفيئة، مما عزز نمو النباتات.وقد لوحظ فروق ذات دلالة إحصائية بين معاملات نمو النباتات المزروعة في الدفيئة وتلك المزروعة في الحقل المفتوح،حيث أظهرت النباتات المزروعة في الدفيئة أداءً أفضل من حيث النمو.في دورة زراعية، أنتجت الدفيئة أعلى محصول من البامية )٣٦٨٣.٧٩ جرام( مقارنة بالحقل المفتوح) ٣٣١.٩٤ جرام(. أظهرت الدفيئة تحسنًا في كفاءة استخدام الطاقة بقيمة ١.١٥٧٩ وصافي طاقة إيجابي يبلغ ١٦٣.٨٦٨٩ ميجا جول/م². كما بلغت كفاءة استخدام المياه، وكفاءة استخدام المياه للري، وكفاءة استخدام المياه للمحصول ٠.٩١ كجم/م3، ٢.٠٧ كجم/م3، و١.٦٣ كجم/م3على التوالي.
بالإضافة إلى ذلك ،أظهر الأداء الاقتصادي إلى أن زراعة البامية بنظام التبريد نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية الذي يعمل بالطاقة الشمسية غير مجدية اقتصاديًا بنسبة تكلفة إلى الفائدة أقل من واحد )٠.٩٩(. تشير قيم معدل العائد الداخلي و صافي القيمة الحالية للخيار )معدل العائد الداخلي: ٤٠%، صافي القيمة الحالية: ٧٨١٢.٩٩ ريال عماني( والطماطم الكرزية) معدل العائد الداخلي: ٣٣%، صافي القيمة الحالية: ٧٢٥٩.٤٦ ريال عماني( إلى ربحية هذه المحاصيل
في هذه الدفيئة. علاوة على ذلك، فإن استخدام الطاقة الشمسية في نظام التبريد بالمروحة والمبرد والأنابيب البنكية يعزز كفاءة البيوت المحمية، والجدوى الاقتصادية، وبالتالي الربحية والاستدامة. توصي هذه الدراسة بإجراء المزيد من الأبحاث باستخدام هذا النظام لبحث تأثير المواسم في عمان على المحاصيل ذات القيمة العالية. بالإضافة الى تحسين حجم مجموعة الألواح الشمسية والمروحة ونظام مجموعة أنابيب التبريد لمعرفة تأثيرها على تنوع الطاقة ومكونات الكفاءة الأخرى.
Category
Theses and Dissertations