Sistemas solares innovadores basados en membranas poliméricas combinadas con tecnologías fotovoltaicas orgánicas para integración arquitectónica

Abstract

L'objectiu de la present tesi és desenvolupar un sistema fotovoltaic per a ser integrat arquitectònicament que, basat en membranes polimèriques i cèl·lules orgàniques semitransparents, promogui la consecució d'edificis més eficients mitjançant la generació d'electricitat, el control lumínic i la millora de l'eficiència energètica dels tancaments semitransparents. Els sistemes solars integrats en edificis representen uns elements que compleixen una doble funció. D'una banda actuen com a element constructiu i de l'altra són elements generadors. Aquesta ambivalència els posiciona com a imprescindibles per complir els requisits establerts per la Comissió Europea en matèria d'eficiència energètica en edificis. El sistema objecte de la tesi pot ser inclòs en zones que requereixen un material translúcid o transparent com són finestres, lluernes o qualsevol tancament transparent. Normalment, els elements translúcids que trobem en la construcció d'edificis estan basats en vidre, encara que existeixen altres materials que poden oferir prestacions similars com són els polímers. Un polímer amb unes propietats molt adequades per a aquesta aplicació és l'etilè tetrafluoroetilè (ETFE). La integració de sistemes fotovoltaics en elements translúcids exigeix la necessitat d'una certa semitransparència, aquest fet ha propiciat que en els últims anys sigui una propietat molt estudiada en aquest camp de la física. Per explorar aquests avenços s'ha realitzat una revisió de les tecnologies fotovoltaiques semitransparents. Es va seleccionar la tecnologia fotovoltaica orgànica (OPV) per integrar-la conjuntament amb l'ETFE, ja que els avenços aconseguits en investigacions prèvies mostren que és la tecnologia més avançada i prometedora per a aquest fi. Per dur a terme l'anàlisi del nou sistema ETFE / OPV s'ha realitzat una caracterització dels diferents materials per determinar el seu comportament lumínic i elèctric. La caracterització lumínica de l'ETFE i de les OPV s'ha realitzat mesurant les seves propietats òptiques per a un espectre ample de fins a 50 micres, obtenint les principals característiques òptiques. Pel que fa a les OPV, s'ha realitzat una caracterització elèctrica en condicions reals d'operació, no només per determinar la seva eficiència sinó també la seva estabilitat. A partir d'aquí, s'ha pogut realitzar un model i simulació dinàmica d'un sistema ETFE / OPV pla que permet veure el grau d'aportació energètica, la influència en la demanda tèrmica i l'afectació en el confort lumínic a l'ésser integrat com a tancament translúcid. Finalment, partint de les propietats òptiques, s'ha realitzat un model numèric que permet determinar el comportament tèrmic i elèctric de les OPV incorporades en sistemes coixí multicapa d'ETFE.

El objetivo de la presente tesis es desarrollar un sistema fotovoltaico para ser integrado arquitectónicamente que, basado en membranas poliméricas y células orgánicas semitransparentes, promueva la consecución de edificios más eficientes mediante la generación de electricidad, el control lumínico y la mejora de la eficiencia energética de los cerramientos semitransparentes. Los sistemas solares integrados en edificios representan unos elementos que cumplen una doble función. Por un lado actúan como elemento constructivo y por el otro son elementos generadores. Esta ambivalencia les posición como imprescindibles para cumplir los requisitos establecidos por la comisión Europea en materia de eficiencia energética en edificios. El sistema objeto de la tesis pueden ser incluido en zonas que requieren un material translucido o transparente como son ventanas, tragaluces o cualquier cerramiento transparente. Normalmente, los elementos translucidos que encontramos en la construcción de edificios están basados en vidrio, aunque existen otros materiales que pueden ofrecer prestaciones similares como son los polímeros. Un polímero con unas propiedades muy adecuadas para esta aplicación es el etileno tetrafluoroetileno (ETFE). La integración de sistemas fotovoltaicos en elementos translucidos exige la necesidad de cierta semitrasnparencia, este hecho ha propiciado que en los últimos años sea una propiedad muy estudiada en este campo de la física. Para explorar estos avances se ha realizado una revisión de las tecnologías fotovoltaicas semitransparentes. Se seleccionó la tecnología fotovoltaica orgánica (OPV) para integrarla conjuntamente con el ETFE, ya que los avances logrados en investigaciones previas muestran que es la tecnología más avanzada y prometedora para este fin. Para llevar a cabo el análisis del nuevo sistema ETFE/OPV se ha realizado una caracterización de los diferentes materiales para determinar su comportamiento lumínico y eléctrico. La caracterización lumínica del ETFE y de las OPVs se ha realizado midiendo sus propiedades ópticas para un espectro ancho de hasta 50 μm, obteniéndose las principales características ópticas. Referente a las OPVs, se ha realizado una caracterización eléctrica en condiciones reales de operación, no solo para determinar su eficiencia sino también su estabilidad. A partir de aquí, se ha podido realizar un modelo y simulación dinámica de un sistema ETFE/OPV plano que permite ver el grado de aportación energética, la influencia en la demanda térmica y la afectación en el confort lumínico al ser integrado como cerramiento translucido. Finalmente, partiendo de las propiedades ópticas, se ha realizado un modelo numérico que permite determinar el comportamiento térmico y eléctrico de las OPVs incorporadas en sistemas cojín multicapa de ETFE.

The objective of this thesis is to develop a photovoltaic system to be building integrated that, based on polymeric membranes and semi-transparent organic cells, promotes the achievement of more efficient buildings through the generation of electricity, light control and the improvement of energy efficiency in semitransparent glazing. Solar systems integrated in buildings represent elements that serve a dual function. On the one hand, they act as a constructive element and, on the other hand, they are generating elements. This ambivalence positions them as essential to meet the requirements established by the European Commission regarding energy efficiency in buildings. The system object of the thesis can be included in zones that require a translucent or transparent material such as windows, skylights or any transparent enclosure. Normally, the translucent elements that we find in the construction of buildings are based on glass, albeit other materials that can offer similar benefits such as polymers exist. A polymer with very suitable properties for this application is ethylene tetrafluoroethylene (ETFE). The integration of photovoltaic systems in translucent elements requires certain semitransparency, this fact has led the transparency to be a property that has been widely studied in this field of physics in recent years. To explore these advances, a review of semitransparent photovoltaic technologies has been carried out. Organic photovoltaic (OPV) technology was selected to be integrated together with ETFE, since the advances made in previous research did show that it is the most advanced and promising technology to this purpose. In order to perform an analysis of the new ETFE / OPV system, a characterization of the different materials has been conducted to determine their luminous and electrical performance. The luminous characterization of ETFE and OPVs has been carried out by measuring their optical properties for a wide spectrum of up to 50 μm, obtaining the main optical characteristics. Regarding the OPVs, an electrical characterization has been executed under real operating conditions, not only to determine its efficiency but also its stability. From here, it has been possible to build a model for the dynamic simulation of a flat ETFE/OPV system that reveals the degree of energy input, the influence on thermal demand and the effect on light comfort when the system is integrated as a translucent glazing. Finally, based on the optical properties, a numerical model has been implemented that allows determining the thermal and electrical behavior of the OPVs incorporated in ETFE multilayer cushion systems.