Thermal and electrical characterization of thin film photovoltaic technologies for building integration

Abstract

[SPA] Esta tesis aborda un problema actual y de _ámbito global como es la mitigación del cambio climático. Conscientes de que la prestación de servicios energéticos va a seguir en aumento en años futuros, se trabaja en una alternativa para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, en un contexto de desarrollo sostenible dentro del sector de la industria y la construcción. Una buena penetración de las energías renovables pasa por fortalecer la integración de las mismas, solucionando los costes sistémicos adicionales y mejorando sus modalidades de aplicación. En el sector de la construcción, la integración de sistemas fotovoltaicos, más conocidos como BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics), cuenta con numerosas ventajas ya que, al generar electricidad en el punto de consumo se puede reducir la demanda pico, las perdidas en la distribución de la energía, el coste en infraestructuras, etc. Además, se cuida el diseño arquitectónico y estético de la edición sin privarlo de identidad y respetando el entorno paisajístico urbano. Sin embargo, hay barreras que no permiten consolidar estos sistemas, algunas de ellas pasan por mejorar la estandarización en los elementos fotovoltaicos {constructivos como tamaños, formas, grosor de material o colores; y a la vez hacerla una opción competitiva frente en términos de coste, funcionalidad y diseño en comparación con los materiales utilizados convencionalmente en obra. Actualmente, la tecnología fotovoltaica basada en silicio cristalino todavía domina en gran medida el mercado fotovoltaico. Sin embargo, algunas aplicaciones finalistas, como la integración en edificios, presenta importantes barreras para el silicio. Las características de sus módulos como su rigidez, alto peso y medidas estándar rectangulares no modificables sobre demanda, hacen difícil una verdadera integración arquitectónica. Desde hace varios años se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en dispositivos de lámina delgada, algunas ya han alcanzado el mercado (con eficiencias de conversión de potencia a nivel de módulo de ~12%, ~ 18% y ~19% para tecnologías de silicio amorfo, teluro de cadmio y CIGS), pero otras están todavía en fase de investigación o proyectos de demostración (células poliméricas o híbridas, perovskitas, etc.). Las tecnologías emergentes de lámina delgada destacan por su coste económico reducido (materiales que se utilizan en muy poca cantidad, con grosores de célula solar hasta 200 veces menores que en el silicio) y por tener menor impacto ambiental en el proceso de fabricación (menores temperaturas y ausencia de requisitos de vacío) lo que hace que sea mucho más fácil integrarlas en fachadas y tejados como material de construcción. El principal objetivo de la tesis es estudiar el uso de las tecnologías de lámina delgada en sistemas BIPV caracterizando sus parámetros eléctricos y térmicos considerados puntos clave para identificar el potencial técnico que tienen estas tecnologías. Bajo este enfoque, se ha diseñado y construido un sistema experimental para estudiar la respuesta térmica y fotovoltaica de diferentes tecnologías en condiciones reales de trabajo con un montaje que representa un sistema BIPV en su forma más simple. Cuatro tecnologías han sido consideradas: una tecnología de referencia como es el silicio cristalino, dos tecnologías de lámina delgada consolidadas a nivel de mercado como son las de silicio amorfo y teluro de cadmio y una de tercera generación con gran potencial como es la basada en polímeros conjugados (mejor conocida como orgánica). La parámetros térmicos, eléctricos y ambientales recogidos por el diseño experimental durante un largo periodo de tiempo permiten tener un conocimiento más profundo del comportamiento de cada una de estas tecnologías para identificar y determinar su viabilidad técnica. Para ello, también se requiere de validación de modelos que determinen la irradiación en el plano de incidencia, ya que el recurso solar a diferentes orientaciones e inclinaciones es raramente medido por estaciones meteorológicas locales, siendo de gran utilidad tanto para la comunidad científica como para arquitectos e ingenieros, debido a que, en un contexto de integración arquitectónica, las orientaciones e inclinaciones vienen determinadas por la forma del edición, sin poder utilizar el ángulo óptimo como criterio de diseño. Esta tesis busca contribuir significativamente al desarrollo de los sistemas fotovoltaicos integrados estrechando la relación entre investigación y arquitectura. Cada capítulo discute diferentes perspectivas de este ámbito; de manera que se dé un mejor entendimiento de las tecnologías fotovoltaicas cuando se llevan a edificios, dando una mayor difusión a esta prometedora aplicación. La estructura de la tesis se organiza de la siguiente manera: el capítulo uno presenta el panorama de la energía, el papel de las tecnologías fotovoltaicas en la transición hacia edificios de bajas emisiones de carbono y los puntos clave establecidos para la evaluación del problema, como son la necesidad de contar con modelos de radiación solar fiables y de establecer una visión global que cubra tanto las necesidades arquitectónicas-constructivas, como la respuesta fotovoltaica de los sistemas. El capítulo dos presenta el objetivo principal de la tesis junto con los objetivos parciales llevados a cabo. La metodología y la descripción del sistema experimental, junto con las bases de datos utilizadas para examinar los modelos, se describen en el capítulo tres. Los modelos de radiación solar basada en mediciones horizontales para obtener la irradiancia según la inclinación y orientación deseada se estudian en el capítulo cuatro. Los capítulos cinco y seis se centran en la caracterización térmica y eléctrica de cada tecnología fotovoltaica considerada. Dos casos de estudio con módulos fotovoltaicos integrados en diferentes tipologías de ediciones se presentan en el capítulo siete. Y finalmente, las conclusiones y el trabajo futuro se discuten en el capítulo ocho.

[ENG] This PhD thesis addresses a current and global problem such as mitigating Climate Change. Aware that the provision of energy services will continue to increase in future years, this work focuses on an attractive alternative to reduce greenhouse gas emissions within a sustainable development context in the industry and construction sector. A good penetration of renewable energies, photovoltaics (PV) in particular, involves strengthening their integration, solving the additional systemic costs and improving their functionality in different applications. In the construction sector, the integration of photovoltaic systems, better known as BIPV (Building Integrated Photovoltaics), has numerous advantages since, by generating electricity at the point of consumption, grid power peak demand can be reduced, as well as the losses in the distribution of energy and the infrastructure costs. In addition, the architectural and aesthetic design of the building is taken care of without depriving it of identity and respecting the urban landscape environment. However, there are barriers that do not allow to consolidate these systems, and therefore it is necessary to improve the standardization in the photovoltaic constructive elements such as sizes, shapes, thickness or colours; and at the same time, converting it into a competitive option in terms of economic cost, functionality and design compared to the materials conventionally used in the building sector. Currently, photovoltaic technology based on crystalline silicon still dominates the photovoltaic market. However, some finalist applications, such as building integration, present significant barriers to silicon. The characteristics of silicon PV, such as rigidity, high weight and standard rectangular measurements, cannot be modified on demand, making the architectural integration difficult. In the last decade, new technologies based on thin-film devices have been developed, some have already reached the market (with power conversion efficiencies on module level of ~12%, ~18% and ~19% for amorphous silicon, cadmium telluride and CIGS respectively), but others are still under investigation or demonstration projects (organic PV, hybrid, perovskites and so on). Third generation photovoltaics, such as organic photovoltaics (OPV), stand out by low-cost (fewer material in comparison to silicon PV) and low-weight (solar cell thicknesses up to 200 times lower than silicon PV) having less environmental impact in the manufacturing process (less temperatures in the production and absence of vacuum requirements). These facts make it much easier to integrate on roof or walls as building material. The main objective of the thesis is to assess the use of thin-film photovoltaic technologies in BIPV systems by characterizing its thermal and electrical parameters, which are needed to identify the technical potential of these technologies. For this purpose, an experimental system working in real outdoor conditions has been designed and built to study the thermal and photovoltaic response of four different technologies (crystalline silicon PV technology, two thin-film technologies already at market level: cadmium telluride and amorphous silicon; and a third emerging generation PV with great potential, such as organic PV). The system is a simple experimental model which reproduces real BIPV conditions. The monitoring and recording of electrical, thermal and environmental parameters of the experimental design after a long period of time allows us to have an in-depth knowledge to identify and determine the viability of a range of PV technologies for BIPV applications. This also requires the validation of models used to calculate in-plane irradiation since solar resource at different inclination and orientations (for instance vertical surface in façades) is rarely measured by local meteorological stations being of great utility both for the scientific community and for architects and engineers since, in a context of building integration, the orientation and inclination of the systems are determined by the shape of the building, without adopting the optimal angle as design criterion. This PhD thesis seeks to make an important contribution to the subject of BIPV creating a closer relationship between research and architecture. Each chapter discusses BIPV from different perspectives, together providing knowledge for the further spread of this promising application. The structure of the present dissertation is organised as follows: chapter one presents the energy panorama, the role of photovoltaic technologies in the transition towards low-carbon emission buildings and the key points established for the assessment of the issue, such as the need for reliable solar radiation models and for establishing a global vision of the problem that covers both architectural and construction needs, as well as the photovoltaic response of the system. Chapter two presents the main objective of the thesis and the partial objectives. The methodology and description of the experimental system together with the databases used to examine models are described in chapter three. Solar radiation models to obtain the in-plane irradiance based on horizontal measurements are studied in chapter four. Chapters five and six focus on the thermal and electrical characterization of each PV technology under consideration respectively. Building simulations with PV modules integrated in two different building types are presented and discussed in chapter seven. And finally, conclusions and future work are presented in chapter eight.