ارزیابی تولید زعفران با استفاده از سیستم تولید آب جوی با انرژی فتوولتائیک: عملکرد، کیفیت و تحلیل اقتصادی-انرژی

این مطالعه به بررسی امکان‌سنجی ادغام سیستم تولید آب جوی (AWG) با انرژی فتوولتائیک (PV) برای تولید پایدار زعفران (Crocus sativus L.) در مناطق خشک می‌پردازد. یک دستگاه هیبریدی PV-AWG در تربت حیدریه ایران ساخته و آزمایش شد تا آب آبیاری را مستقیماً از رطوبت محیط با استفاده از انرژی خورشیدی استخراج کند. این مطالعه با بررسی PV-AWG به عنوان یک منبع آب مکمل غیرمتمرکز و تجدیدپذیر برای محصولات با ارزش بالا، به چالش کمبود آب در محیط‌های خشک می‌پردازد. مصرف انرژی و راندمان تولید آب سیستم تحت شرایط محیطی مختلف ارزیابی شد و چرخه عملکرد بهینه کمپرسور تعیین شد. دو بستر زعفران یکسان کشت شدند – یکی با آب لوله‌کشی و دیگری با آب مایع تولید شده توسط دستگاه AWG آبیاری شد. پارامترهای عملکرد، مورفولوژی گل و ترکیب شیمیایی (کروسین، پیکروکروسین، سافرانال) زعفران اندازه‌گیری و مقایسه شدند. نتایج نشان داد که بستر آبیاری شده با AWG عملکرد گل و کلاله کمی بالاتر با صفات کیفی قابل مقایسه تولید کرد که مناسب بودن فنی آب AWG را تأیید می‌کند. نوآوری این مطالعه در بهینه‌سازی تجربی عملکرد روشن و خاموش کمپرسور برای به حداکثر رساندن استخراج آب در شرایط محیطی مختلف، ضمن نشان دادن یک سیستم AWG کاملاً مستقل با انرژی فتوولتائیک و مستقل از برق شبکه و منابع آب متعارف است. تحت عملکرد فتوولتائیک، راندمان مصرف انرژی تقریباً به 0.036 افزایش یافت، در حالی که تقاضای انرژی ویژه به حدود 500.92 مگاژول بر گرم کاهش یافت که نشان‌دهنده بهبود قابل توجه عملکرد انرژی در مقایسه با عملکرد با انرژی شبکه است. ارزیابی انرژی-اقتصادی همچنین نشان داد که ادغام فتوولتائیک وابستگی به برق فسیلی خارجی را کاهش می‌دهد. با این حال، بازده اقتصادی به دلیل بازده محدود آب و هزینه‌های بالای سرمایه‌گذاری اولیه همچنان منفی است. این مطالعه نتیجه می‌گیرد که فناوری PV-AWG می‌تواند از کشاورزی زعفران در مقیاس کوچک (به‌ویژه تولید گلخانه‌ای) در مناطق کم‌آب پشتیبانی کند، اما برای افزایش سودآوری اقتصادی نیاز به بهینه‌سازی و مقیاس‌بندی دارد.

This study investigates the feasibility of integrating 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.