Energy characterization and experimental validation of natural ventilated semitransparent double skin PV components

Abstract

Els sistemes integrats Fotovoltaics (FV) de doble pell, són components de l'edifici que combinen les funcions d'envolvent, amb les d'il·luminació natural, generació d'electricitat i generació d'energia tèrmica. La modelització dels processos de transferència d'energia d'aquests components, especialment en situacions de convecció natural, planteja una alta complexitat i és un dels inconvenients principals per a una disseminació massiva d'aquesta tecnologia. En les últimes dècades s'han dut a terme diferents intents per a superar aquest inconvenient i s'han desenvolupat diferents models de simulació. No obstant això, molt pocs estudis s'han enfrontat a una anàlisi detallat del rang de validesa d'aquestes correlacions i models i tampoc de les limitacions inherents en la seva definició. El segon inconvenient per a una àmplia propagació d'aquests components FV complexos, està relacionat amb la dificultat per a dur a terme campanyes experimentals de mesura del seu comportament energètic en condicions reals. A més dels mencionats inconvenients, s'hi afegeix una gran manca de coneixement per a la cal·libració dels models de simulació de components FV ventilats. Aquesta tesi doctoral aborda aquests inconvenients i introdueix una metodologia general per a la caracterització energètica i la validació experimental dels components FV ventilats. Aquesta investigació també contribueix a augmentar el coneixement sobre mètodes per a integrar el desenvolupament de models de simulació dinàmica, amb enfocaments innovadors per a la seva cal·libració.

Los sistemas integrados Fotovoltaicos (FV) de doble piel, son components del edificio que combinan las funciones de envolvente, con las de illuminación natural, generación eléctrica y generación de energía térmica. La modelización de los procesos de transferència de energía de estos components, especialmente en situaciones de convección natural, plantea una alta complejidad y es uno de los inconvenientes principales para una diseminación masiva de esta tecnología. En las últimas décadas, se han llevado a cabo diferentes intentos para a superar este inconveniente y se han desarrollado diferentes modelos de simulación para evaluar la eficiéncia energética global de estos sistemas. Sin embargo, muy pocos estudios se han enfrentado al análisis detallado del rango de validez de estas correlaciones y modelos y tampoco de las limitaciones inherentes en su definición. El segundo inconvenient para una amplia propagación de estos components FV complejos, está relacionado con la dificultad para llevar a cabo campañas experimentales de medida de su comportamento energético en condiciones reales. Además de estos inconvenientes, se constata una carencia significativa de conocimiento sobre métodos para la calibración de los modelos de simulación de componentes FV ventilados . Esta tesis doctoral aborda todos estos inconvenientes mencionados anteriormente e introduce una metodología general para la caracterización energética y la validación experimental de los componentes FV ventilados. Esta investigación también contribuye a aumentar el conocimiento sobre métodos para integrar el desarrollo de modelos de simulación dinámica, con estrategias innovadoras para su calibración.

Double skin semi transparent components with Photovoltaic integrated systems are building components which combine functions of the building envelope with natural lighting, electricity and thermal energy generation. The energy transfer modeling of these components, especially under free convection situations, raises a high complexity and is the first main drawback for a massive dissemination of this technology. Many attempts to fill this gap have been undertaken and some dynamic simulation models of these components have been obtained in the last decades. However, very few studies have faced a detailed analysis of the valid range of these mathematical expressions and simulation models and of the restrictions entailed. The second drawback for a wide spread of these complex PV components is related to the difficulty in setting up monitoring and experimental campaigns to measure their real energy performance with sufficient accuracy and precision. Besides these drawbacks, there is also a lack of knowledge on methods for calibrating building energy simulation models in general, and specifically in the calibration of dynamic models of ventilated PV components. This PhD thesis addresses these existing drawbacks and introduces an overall methodology for the energy characterization and experimental validation of ventilated PV components. This research also contributes in increasing the knowledge on methods for coupling the mathematical development of dynamic simulation models with innovative approaches for its calibration with experimental measures.