ارزیابی تولید زعفران با استفاده از سامانه تولید آب از هوای اتمسفر با نیروی فتوولتائیک: عملکرد، کیفیت و تحلیل انرژی-اقتصادی

این مطالعه امکان‌سنجی یکپارچه‌سازی سیستم تولید آب از رطوبت هوا (AWG) با تغذیه فتوولتائیک (PV) را برای تولید پایدار زعفران (*Crocus sativus* L.) در مناطق خشک بررسی می‌کند. یک دستگاه ترکیبی PV-AWG در تربت‌حیدریه ایران توسعه یافت و آزمایش شد تا با استفاده از انرژی خورشیدی، آب مورد نیاز برای آبیاری را مستقیماً از رطوبت محیط استخراج کند. این پژوهش با بررسی سیستم PV-AWG به عنوان یک منبع آب تکمیلی، تجدیدپذیر و غیرمتمرکز برای محصولات باارزش، به چالش کمبود آب در محیط‌های خشک می‌پردازد. مصرف انرژی و بازده تولید آب سیستم در شرایط محیطی مختلف ارزیابی و چرخه بهینه عملکرد کمپرسور تعیین شد. دو کرت کشت زعفران کاملاً مشابه ایجاد شد؛ یکی با آب لوله‌کشی و دیگری با آب تولیدشده توسط دستگاه AWG آبیاری گردید. شاخص‌های عملکرد، ریخت‌شناسی گل و ترکیبات شیمیایی (کروسین، پیکروکروسین، سافرانال) زعفران اندازه‌گیری و مقایسه شدند. نتایج نشان داد که کرت آبیاری‌شده با آب AWG، عملکرد گل و کلاله کمی بالاتری با ویژگی‌های کیفی قابل‌مقایسه داشته است که این امر مناسب بودن فنی آب تولیدی AWG را تأیید می‌کند. نوآوری این مطالعه در بهینه‌سازی تجربی عملکرد (روشن/خاموش) کمپرسور برای به حداکثر رساندن استخراج آب در شرایط متغیر محیطی و همچنین نمایش یک سیستم AWG کاملاً مستقل با تغذیه فتوولتائیک (بدون وابستگی به برق شبکه و منابع آب متعارف) نهفته است. در حالت عملکرد با انرژی فتوولتائیک، بازده مصرف انرژی به حدود ۰٫۰۳۶ افزایش یافت و در عین حال، تقاضای انرژی ویژه به حدود ۵۰۰٫۹۲ مگاژول بر گرم (MJ g⁻¹) کاهش پیدا کرد که نشان‌دهنده بهبود قابل‌توجه عملکرد انرژی در مقایسه با حالت تغذیه از برق شبکه است. ارزیابی انرژی-اقتصادی همچنین نشان داد که یکپارچه‌سازی سیستم فتوولتائیک، وابستگی به برق حاصل از سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد؛ با این حال، به دلیل بازده محدود تولید آب و هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری اولیه، بازده اقتصادی همچنان منفی است. این مطالعه نتیجه می‌گیرد که فناوری PV-AWG می‌تواند از کشت زعفران در مقیاس کوچک (به‌ویژه تولید گلخانه‌ای) در مناطق کم‌آب پشتیبانی کند، اما برای افزایش توجیه‌پذیری اقتصادی، نیازمند بهینه‌سازی و توسعه مقیاس است.

a photovoltaic (PV)-powered atmospheric water production (AWG) system for sustainable saffron (Crocus sativus L.) production in arid regions. A hybrid PV-AWG device was developed and tested in Torbat Heydarieh, Iran, to extract irrigation water directly from ambient humidity using solar energy. The study addresses the challenge of water scarcity in arid environments by exploring PV-AWG as a decentralized and renewable supplementary water source for high-value crops. The energy consumption and water production efficiency of the system were evaluated under different environmental conditions, and the optimal compressor operation cycle was determined. Two identical saffron beds were cultivated—one irrigated with tap water and the other with liquid water produced by the AWG device. Yield parameters, floral morphology, and chemical composition (crocin, picrocrocin, safranal) of the saffron were measured and compared. Results showed that the AWG-irrigated bed produced slightly higher flower and stigma yields with comparable quality traits, confirming the technical suitability of AWG water. The novelty of this study lies in experimentally optimizing compressor on–off operation to maximize water extraction under varying ambient conditions, while demonstrating a fully autonomous PV-powered AWG system independent of grid electricity and conventional water sources. Under photovoltaic operation, the energy use efficiency increased to approximately 0.036, while the specific energy demand decreased to about 500.92 MJ g⁻¹, indicating a substantial improvement in energy performance compared to grid-powered operation. The energy–economic assessment further showed that photovoltaic integration reduces dependence on external fossil electricity; however, the economic return remains negative due to limited water yield and high initial investment costs. The study concludes that PV-AWG technology can support small-scale saffron farming (specially greenhouse production) in water-scarce regions but requires optimization and scaling to enhance economic viability.