Study of the thermal and optical performance of building integrated Si photovoltaics
Authors: Σκάνδαλος Νικόλαος 
Published: January 2024

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.