Dielectric solar concentrators for building integration of hybrid photovoltaic-thermal systems

Abstract

L'objectiu de la present tesi és desenvolupar, optimitzar, fabricar i caracteritzar experimentalment un sistema solar de baixa concentració, fotovoltaic i tèrmic, per a integració arquitectònica en façanes on les cèl·lules estan submergides en un líquid dielèctric. L'objectiu està alineat cap al compliment de la directiva sobre eficiència energètica en edificis establerta per la Comissió Europea. Els sistemes solars fotovoltaics i tèrmics per integració en edificis permeten la cogeneració d'electricitat i calor al mateix edifici amb unes eficiències globals al voltant del 70% i utilitzen una menor superfície comparat amb un col·lector tèrmic i un mòdul fotovoltaic independents. D'altra banda, els sistemes de baixa concentració permeten reduir costos utilitzant cèl·lules solars estàndards, amb una àrea reduïda i seguiment en un sol eix. A més, la immersió de les cèl·lules en líquids dielèctrics comporta uns beneficis agregats com ara la reducció de les pèrdues de Fresnel i un millor control de la temperatura. La necessitat d'estudiar i desenvolupar aquests sistemes per a la seva integració en edificis ve donada per les qualitats prèviament descrites i per l’estudi de l'estat de l'art realitzat. El disseny proposat està compost d'un xassís cilíndric i una cavitat interna per on circula el líquid dielèctric (aigua desionitzada o alcohol isopropílic) en el qual hi ha les cèl·lules submergides. Cada mòdul segueix l'altura solar rotant i està dissenyat per ser col·locat en files formant una matriu. L'aparença del conjunt és similar a la de les lames que es troben normalment en les finestres. S’ha implementat un moviment secundari que controla la distància vertical entre mòduls per evitar l’ombra entre ells mateixos i controla la il·luminació interior. Per dur a terme un desenvolupament òptim, s'ha modelat la distribució espectral de la llum solar incident a la qual es veuen exposades les cèl·lules solars en condicions reals. S’ha dut a terme un anàlisis exhaustiu dels líquids dielèctrics susceptibles de complir amb els requeriments per a la present aplicació. S'ha modelat la absortivitat / emissivitat de les cèl·lules de silici comercials en un rang espectral que va des del ultraviolat fins a l'infraroig mitjà i s'ha validat experimentalment. A partir d'aquí, s’ha desenvolupat un algoritme de traçat de raigs que computa l'energia per optimitzar el disseny òptic del concentrador per posteriorment fabricar-lo i analitzar-lo mitjançant una simulació CFD. Fet que ens permet caracteritzar el sistema tèrmicament i òpticament. Finalment, s'ha realitzat una simulació energètica amb el sistema instal·lat a les finestres d'una casa estàndard per tal d'avaluar quines parts de les demandes energètiques de l'edifici és capaç de satisfer. Aquesta simulació s’ha dut a terme en tres localitzacions diferents. El rendiment del sistema ha estat estudiat en llocs caracteritzats per hiverns suaus i altures solars no molt elevades, obtenint resultats satisfactoris cobrint una gran part de la demanda de climatització, d'aigua calenta sanitària i elèctrica.

El objetivo de la presente tesis es desarrollar, optimizar, fabricar y caracterizar experimentalmente un sistema solar de baja concentración, fotovoltaico y térmico, para integración arquitectónica en fachadas donde las células están sumergidas en un líquido dieléctrico. Este objetivo está perfectamente alineado con el cumplimiento de la directiva sobre eficiencia energética en edificios establecida por la Comisión Europea. Los sistemas solares fotovoltaicos y térmicos para integración en edificios atesoran la cogeneración de electricidad y calor en el mismo edificio con unas eficiencias globales alrededor del 70% y utilizando una menor superficie que si incorporamos un colector térmico y un módulo fotovoltaico separados. Por otra parte, los sistemas de baja concentración permiten reducir costes utilizando células solares estándar, con un área reducida y seguimiento en un solo eje. Además, la inmersión de las células en líquidos dieléctricos conlleva unos beneficios agregados como son la reducción de las pérdidas de Fresnel y un mejor control de la temperatura. Del estado del arte realizado y las cualidades previamente descritas, se desprende la necesidad de estudiar y desarrollar estos sistemas para su integración en edificios. El diseño propuesto está compuesto de un chasis cilíndrico y una cavidad interna por donde circula el líquido dieléctrico (agua desionizada o alcohol isopropílico) en el cual están las células sumergidas. Cada módulo sigue la altura solar rotando y está diseñado para ser colocado en filas formando una matriz. De este modo, la apariencia del conjunto es similar a la de las lamas que se encuentran comúnmente en ventanas. Además, un movimiento secundario que regula la distancia vertical entre los módulos para evitar sombreo entre ellos mismos y controlar la iluminación interior, ha sido implementado. Para llevar a cabo un desarrollo óptimo, se ha modelado la distribución espectral de la luz solar incidente a la cual se ven expuestas las células solares en condiciones reales. Se ha realizado un análisis exhaustivo de los líquidos dieléctricos susceptibles de cumplir con los requerimientos para la presente aplicación. Se ha modelado la absortividad/emisividad de las células de silicio comerciales en un rango espectral que va desde el ultravioleta hasta el infrarrojo medio y se ha validado experimentalmente. A partir de aquí, se ha desarrollado un algoritmo de trazado de rayos para optimizar el diseño óptico del concentrador con el fin de posteriormente fabricarlo y analizarlo mediante una simulación CFD. Hecho que nos permite caracterizarlo ópticamente y térmicamente. Finalmente, se ha realizado una simulación energética con el sistema instalado sobre las ventanas de una casa estándar para evaluar que parte de las demandas energéticas del edificio es capaz de satisfacer. Esta simulación se ha realizado en tres localizaciones distintas. El rendimiento del sistema ha sido estudiado en lugares caracterizados por inviernos suaves y alturas solares no muy elevadas, cubriéndose una gran parte de las demandas de agua caliente sanitaria, eléctricas y de climatización.

The goal of this thesis is to develop, optimize, fabricate and experimentally test a low-concentrating photovoltaic thermal system (CPVT) for building façade integration where the cells are directly immersed in a dielectric liquid. The objective sought is perfectly aligned with the Energy Performance Building Directive established by the European Commission in terms of energy efficiency. Building-integrated PVT systems present an on-site cogeneration of electricity and heat with global efficiencies around 70% and lower space utilization compared to a separate thermal collector and PV module. On the other hand, low-concentrating systems improve the cost effectiveness by using standard cells, single axis-tracking and reduced cell areas. In addition, direct-immersion of solar cells in dielectric liquids brings associated benefits such as a reduction of Fresnel losses and a better temperature control. From the state-of-the-art performed and the previous facts, the need for further developing and studying these systems for building integration purposes was found. The proposed design is composed by a cylindrical chassis and an inner cavity filled with the circulating dielectric liquid (deionized water or isopropyl alcohol) in which the cells are immersed. The module tracks the solar height by rotation and it is designed to be placed in rows as an array so that the appearance is akin to ordinary window blinds. A secondary movement has been implemented to control the vertical distance between modules and to avoid shading between them while provide lighting control. For an appropriate development, the spectral distribution of the incident solar irradiance to which solar cells are exposed under real working conditions has been modelled. An in-depth analysis of suitable dielectric liquid candidates based on the required properties for this application has been performed. The absorptivity/emissivity of standard silicon solar cells has been modeled from the ultraviolet to the mid-infrared and validated by an experimental measurement. Then, a full ray-tracing algorithm was developed to optimize the concentrator optical design and the optimum collector was fabricated and analyzed by a CFD simulation to thermally characterize the system. Finally, an energetic simulation with the concentrators superimposed in front of the windows in a standard house aiming to partially cover the building demands has been performed for three locations. The system performance has been studied for locations with mild winters and latitudes not achieving very high solar heights with satisfactory solar fractions regarding domestic hot water, electrical and space heating and cooling demands.