Study of the thermal and optical performance of building integrated Si photovoltaics

Abstract

Buildings consume around 37% of the final energy in Greece, emit greenhouse gases, and favor the development of the urban heat island phenomenon. Consequently, this significantly motivates the development and implementation of new strategies for energy-efficient building design. In the context of zero-energy buildings, the integration of renewable energy sources along with energy-saving strategies must be the target. The abundance of sunlight and the need for alternative cooling technologies in Greece create opportunities for BIPV applications. Among the different cooling technologies under intensive research and development is the addition of semi-transparent photovoltaics on window systems. PV glazing is an innovative technology that can reduce the energy consumption of buildings, providing energy efficiency through electricity generation, heat gain reduction, and daylighting. With fabrication costs comparable to conventional double-glazed systems, it is highly expected that STPVs have a strong potential to dominate the fenestration market in the near future. After several advances in the PV industry, many semitransparent PV technologies can be used to utilize multi-functional photovoltaic (PV) glazing with several properties and structures. However, the applicability of a particular technology requires its extensive environmental and energy characterization in building integration. In addition, an appropriate methodology is proposed for the assessment of the overall energy performance and optimal integration of different PV glazing technologies according to the characteristics and the use of the building itself. To this end, STPV window prototypes, in small and full scale, were developed from the addition of unique c-Si solar cells with holes and thin film a-Si PV module, and a suitable experimental testing procedure was used to determine their thermal and daylighting performance. Small samples were initially characterized by ultraviolet–visible–near infrared (UV/VIS/NIR) spectrophotometry and solar simulator irradiation in a benchtop wind tunnel of controllable environmental conditions. Afterward, their overall energy performance was demonstrated through long-term monitoring of real integrated Si-based PV systems, indicating a suitable experimental test procedure to characterize and compare such systems with conventional windows. Additionally, the impact of various window design parameters (optical, thermal) and PV technology on the temperature profile, solar energy yield, and daylighting performance of the STPV windows has been assessed. Results indicated that PV windows can effectively reduce heat gains during summer with a slight increase in heating loads during winter compared to conventional systems. Integration of STPV windows also leads to reduced indoor illuminance; therefore, further optimization is needed through dynamic computer modelling. An accurate numerical model could balance the interaction between thermal, daylighting and power output and optimize the integration of STPV windows, maximizing energy efficiency and indoor comfort. To this end, Optics/WINDOW software is used for the development of window systems with the desired properties and calculation of their U-value and solar heat gain coefficient. Afterward, an energy model in TRNsys, able to combine the energy generation and thermal behavior of the STPV systems, was developed and used to simulate the conditions in the interior of the test rooms. More specifically, heat transfer, by means of conduction convection and radiation, was taken into consideration from the heat transfer model to analyze the effect of the PV windows, and the five-parameter model was used for the electrical modelling and the estimation of their annual energy yield. Finally, annual illuminance profiles based on the local climate data were used from Daysim/Radiance software for the calculation of the appropriate daylighting and glare indices. Validation of the model was performed, resulting from the comparison between the simulation and the relevant experimental data for the same time periods and varying weather conditions. In all cases, a very good fit was obtained, with relevant errors lower than ±5% indicating its accuracy. Subsequently, a validated model was used to estimate the annual energy demand of the reference building using the typical meteorological year of Agrinio City in Greece. Comparison with the results from the conventional systems revealed the energy-saving potential of the STPVs. Sensitivity analysis identified the optimal design parameters for the proposed systems based on the requirements for minimum energy use and maximum comfort in buildings. The best performance was achieved for South-West orientation and full replacement by c-Si solar cells. However, taking into consideration the selection criteria between PV glazing technologies, building typology, and climate conditions of Greece, a combined integration of the examined PV technologies is proposed, leading to 44% energy efficiency and a comfortable indoor environment. In addition, a major contribution arising from this thesis is that the proposed methodology is able to analyse the influence of each PV technology on the built environment while providing optimized integration. It can also be extended to other emerging technologies, building typologies, occupancy schedules, and climate conditions.

Έχει υπολογιστεί ότι τα κτίρια συμβάλουν κατά 37% στην κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας της Ελλάδας, εκπέμπουν το ένα τρίτο των ετησίων αερίων του θερμοκηπίου, ενώ παράλληλα ευνοούν την ανάπτυξη του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας. Το γεγονός αυτό ενισχύει την ανάπτυξη και εφαρμογή νέων στρατηγικών για τον ενεργειακό σχεδιασμό αποδοτικών κτιρίων. Λαμβάνοντας υπόψη το υψηλό ηλιακό δυναμικό, αλλά και την ανάγκη εναλλακτικών συστημάτων δροσισμού στην Ελλάδα, η ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών αναμένεται να διαδραματίσει πρωταρχικό ρόλο στην επίτευξη κτιρίων μηδενικής κατανάλωσης έως το 2020. Η ανάγκη για ένα σύστημα που μετατρέπει την ανεπιθύμητη ακτινοβολία σε πολύτιμη ηλεκτρική ενέργεια ανέδειξε την ιδέα των ημιδιάφανων φωτοβολταϊκών υαλοπινάκων. Ύστερα από χρόνια εξέλιξης πλέον όλο και περισσότερες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών κυττάρων, διαφορετικής δομής και ιδιοτήτων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογή σε συστήματα παραθύρων. Ωστόσο, η ενσωμάτωση κάθε τεχνολογίας απαιτεί εκτεταμένη μελέτη της περιβαλλοντικής και ενεργειακής τους επίδοσης. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η συνολική ενεργειακή επίδοση κάθετα εγκατεστημένων ημιδιαφανών φωτοβολταϊκών και προτείνεται μια κατάλληλη μεθοδολογία για την βέλτιστη ενσωμάτωσής τους σε κτίρια. Το πρώτο μέρος αφορά τη συναρμολόγηση συστημάτων παραθύρου σε μικρή και πλήρη κλίμακα με την προσαρμογή ημιδιάφανων φωτοβολταϊκών άμορφου και κρυσταλλικού πυριτίου. Αναλύεται η πειραματική διαδικασία που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση της θερμικής και οπτικής τους επίδοσης, η οποία περιλάμβανε πειράματα σε μικρή κλίμακα εντός εργαστηρίου, αλλά και μελέτη φωτοβολταϊκών παραθύρων πλήρους κλίμακας υπό πραγματικές συνθήκες. Κατά την διαδικασία αυτή, αξιολογήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων σχεδιασμού και φωτοβολταϊκής τεχνολογίας στην θερμική και ηλεκτρική επίδοση των υαλοπινάκων αλλά και στην ικανότητα παροχής φυσικού φωτισμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν αποτελεσματική μείωση των θερμικών κερδών, αλλά και αισθητά μειωμένα επίπεδα φωτισμού στο εσωτερικό του κτιρίου. Η ανάγκη λοιπόν για περαιτέρω βελτιστοποίηση οδήγησε στην ανάπτυξη κατάλληλου μοντέλου, ικανό να προσομοιώσει την θερμική, οπτική και ηλεκτρική συμπεριφορά των συστημάτων με σκοπό την μέγιστη ενεργειακή απόδοση και εσωτερική άνεση. Μεταξύ άλλων, τα λογισμικά Optics και WINDOW χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη των συστημάτων παραθύρου με τις επιθυμητές ιδιότητες και τον υπολογισμό κρίσιμων παραμέτρων. Στο περιβάλλον TRNSYS αναπτύχθηκε κατάλληλο μοντέλο ικανό να προσομοιώσει με ακρίβεια την μεταφορά θερμότητας και την ηλεκτρική ισχύ των φωτοβολταϊκών παραθύρων λαμβάνοντας υπόψη την μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Τέλος η ανάλυση φωτισμού και οπτικής άνεσης στο εσωτερικό του κτιρίου πραγματοποιήθηκε με βάση τον υπολογισμό κατάλληλων παραμέτρων στα λογισμικά Ecotect, Daysim και Radiance. Προκειμένου να ελεγχθεί η εγκυρότητα των μοντέλων, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά την ίδια χρονική περίοδο. Σε κάθε περίπτωση επετεύχθη σημαντική συσχέτιση με σχετικές τιμές σφάλματος μικρότερες από ±5% υποδεικνύοντας την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων. Με χρήση του επικυρωμένου μοντέλου και μετεωρολογικά δεδομένα, για την πόλη του Αγρινίου, υπολογίστηκε η ετήσια κατανάλωση ενέργειας κτιρίου αναφοράς και εκτιμήθηκε η ετήσια εξοικονόμηση που επιφέρει η εφαρμογή των δύο τεχνολογιών. Επιπλέον, διεξήχθη ανάλυση ευαισθησίας από την οποία προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες παράμετροι σχεδιασμού. Καλύτερη ενεργειακή επίδοση επετεύχθη κατά την πλήρη επικάλυψη των υαλοπινάκων από ηλιακά κύτταρα κρυσταλλικού πυριτίου με οπές, για προσόψεις νοτιοδυτικού προσανατολισμού. Ωστόσο, με βάση την απαίτηση για βέλτιστη ενσωμάτωση ορίστηκαν επιπλέον κριτήρια σχετικά με την εσωτερική άνεση του κτιρίου. Σε αυτή την κατεύθυνση προτείνεται η παράλληλη ενσωμάτωση και των δύο τεχνολογιών, εξοικονομώντας ενέργεια έως και 44%, διατηρώντας ένας ευχάριστο εσωτερικό περιβάλλον. Συνεπώς, η μεθοδολογία που προτείνεται από την παρούσα εργασία είναι ικανή να αναλύσει την επίδραση ενσωμάτωσης ημιδιάφανων φωτοβολταϊκών πυριτίου στο δομημένο περιβάλλον και να προτείνει την βέλτιστη ενσωμάτωσή τους. Παράλληλα, μπορεί να επεκταθεί σε νέες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών, διαφορετικούς τύπους κτιρίων και κλιματικές συνθήκες.