Systems engineering in integration of two-stage solar concentrators with built environment
Creators: name: Bushra, Nayab
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::624 Ingenieurbau
subject: buildings
subject: energy
subject: two-stage solar concentrators
subject: parametric modeling
subject: design optimization

description: Energy use in buildings accounts for a large proportion of total energy use and CO2 emissions in many countries around the world. In this context, the implementation of clean and sustainable energy technologies has achieved much attention over the past few years. Solar energy appears to be a promising energy resource for a broad range of energy applications in buildings. Concentrating solar power technologies have the advantage of delivering multi-nature outcomes at high efficiency over conventional technologies such as photovoltaics (PVs) and solar thermal collectors. There are different types of solar concentrators based on the numbers and shapes of reflecting mirrors. Among different solar concentrators, the two-stage solar concentrators (TSSCs) rank highest for efficient power delivery at high temperatures as well as compactness and modularity in their deployment. Despite these advantages, the deployment of TSSCs in buildings is still very low due to several design-related challenges. For instance, geometrical configurations of TSSCs and buildings need to be aligned, TSSCs need higher manufacturing skills, are much more sensitive to the level of incoming sunlight, and are less rigorous compared with PVs. Therefore, this research focuses on the integration of TSSCs with building envelopes. In the first phase, the research aims to develop a comprehensive analysis of TSSCs based on the review of a wide range of research studies to develop an overall perspective of technology. The review helps to analyze research and trends in existing TSSCs and guides to develop high-performing and cost-effective TSSCs as energy supply systems. The next research phase is focused on the integration process of TSSC technologies with buildings aiming to improve the performative aspects of buildings and TSSCs. In this phase, an integrative design approach of both, building and TSSCs is proposed, by identifying the relationships between building- and TSSCs-related design parameters and developing a parametric model for the automatic integration of TSSCs with buildings. In several design explorations, the method allows evaluating different key performance indicators i.e., energy yield, number of required TSSC modules, and their space usage. This promotes a collaborative and integrative design process which can be useful for building designers and energy specialists. This phase also includes a sensitivity analysis to find which parameters have a more significant impact on the performance, and which parameters can be excluded from the method for future analysis. The design process of building-integrated TSSCs further requires an integrated design optimization approach for finding the optimal building and TSSC designs. Therefore, in the third phase, this research applies a multi-disciplinary optimization algorithm to the parametric modeling method developed in the previous phase. The main objective of this phase is to optimize both, building geometries and TSSC configurations in a collaborative design approach. This is achieved by combining a parametric model with multi-objective optimization that facilitates setting up design parameters (decision variables) associated with building and TSSC designs and defining a list of fitness functions (objectives). Multi-objective optimization methods are useful for the generation of optimal solutions that can be evaluated across several conflicting objectives. Therefore, design optimization of building and TSSC configurations is performed by genetic algorithm, as one of the widely used multi-objective optimization methods in building energy research. Thus, several design solutions are automatically generated and evaluated across conflicting objectives i.e., maximizing the solar gain on the building envelope, maximizing the energy yield of TSSCs, and minimizing the space required for TSSC modules when integrated with buildings. Hence, the main objective is not only to design high-performing energy systems such as TSSC in terms of energy, size, and cost but also high-performing buildings with good solar potential. This integrated design optimization approach enables an informed decision-making process by addressing multiple objectives of stakeholders from different domains i.e., energy specialists, building architects, and civil engineers. In the final phase, the research in this thesis focuses on the global potential assessment of TSSCs when these systems are integrated with buildings at the district scale. This phase extends the parametric modeling and design optimization approach used in the third phase by additional district design-related parameters and TSSC design-related parameters. This enables setting up a large design space where design optimization becomes more assessable for innovative energy-efficient districts by use of TSSC technology. In this phase, the genetic algorithm is applied for multi-objective optimization of district and TSSCs in two consecutive steps: district design optimization for the maximum solar gain, and minimum energy demand, and the TSSC design optimization for maximum energy yield and minimum space coverage by TSSC modules. Thus, the method enables the quick generation of feasible district solutions which can address sustainability-related issues using building-integrated TSSC technologies. Overall, the research presented in this thesis enables design exploration and design optimization during the early design process of buildings and TSSC as energy supply systems. The methods proposed in this research enable an integrative, collaborative, and concurrent design process involving stakeholders from different domains i.e., energy specialists, civil engineers, building designers, and architects who have their domain-specific concerns. Additionally, this research helps to allow informed decision-making by assessing several design solutions across a number of conflicting objectives of different stakeholders.
description: Die Energienutzung in Gebäuden macht in vielen Ländern der Welt einen großen Teil des gesamten Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen aus. In diesem Zusammenhang hat die Einführung sauberer und nachhaltiger Energietechnologien in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Solarenergie scheint eine vielversprechende Energiequelle für ein breites Spektrum von Energieanwendungen in Gebäuden zu sein. Konzentrierende Solarenergietechnologien haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu konventionellen Technologien wie Photovoltaik (PV) und solarthermischen Kollektoren mit hohem Wirkungsgrad eine Vielzahl von Ergebnissen liefern. Es gibt verschiedene Arten von Solarkonzentratoren, die auf der Anzahl und Form der reflektierenden Spiegel basieren. Unter den verschiedenen Solarkonzentratoren stehen die zweistufigen Solarkonzentratoren (TSSC) an erster Stelle, da sie auch bei hohen Temperaturen effizient Strom liefern und kompakt und modular einsetzbar sind. Trotz dieser Vorteile ist der Einsatz von TSSCs in Gebäuden aufgrund verschiedener konstruktionsbedingter Probleme noch sehr gering. So müssen beispielsweise die geometrischen Konfigurationen von TSSCs und Gebäuden aufeinander abgestimmt werden, TSSCs erfordern höhere Fertigungsfähigkeiten, reagieren viel empfindlicher auf das einfallende Sonnenlicht und sind im Vergleich zu PVs weniger rigoros. Daher konzentriert sich diese Forschung auf die Integration von TSSCs in Gebäudehüllen. In der ersten Phase zielt die Forschung darauf ab, eine umfassende Analyse von TSSCs zu entwickeln, die auf der Überprüfung eines breiten Spektrums von Forschungsstudien basiert, um eine Gesamtperspektive der Technologie zu entwickeln. Die Übersicht hilft bei der Analyse der Forschung und der Trends bei bestehenden TSSCs und gibt Hinweise für die Entwicklung leistungsfähiger und kostengünstiger TSSCs als Energieversorgungssysteme. Die nächste Forschungsphase konzentriert sich auf den Integrationsprozess von TSSC-Technologien mit Gebäuden, um die Leistungsaspekte von Gebäuden und TSSCs zu verbessern. In dieser Phase wird ein integrativer Entwurfsansatz für Gebäude und TSSC vorgeschlagen, bei dem die Beziehungen zwischen gebäude- und TSSC-bezogenen Entwurfsparametern ermittelt werden und ein parametrisches Modell für die automatische Integration von TSSC in Gebäude entwickelt wird. In mehreren Entwurfsuntersuchungen ermöglicht die Methode die Bewertung verschiedener wichtiger Leistungsindikatoren, z. B. Energieertrag, Anzahl der erforderlichen TSSC-Module und deren Platzbedarf. Dies fördert einen kollaborativen und integrativen Entwurfsprozess, der für Gebäudeplaner und Energiespezialisten nützlich sein kann. Diese Phase umfasst auch eine Sensitivitätsanalyse, um herauszufinden, welche Parameter einen größeren Einfluss auf die Leistung haben und welche Parameter für zukünftige Analysen aus der Methode ausgeschlossen werden können. Der Entwurfsprozess von gebäudeintegrierten TSSCs erfordert darüber hinaus einen integrierten Ansatz zur Entwurfsoptimierung, um das optimale Gebäude- und TSSC-Design zu finden. Daher wird in der dritten Phase dieser Forschung ein multidisziplinärer Optimierungsalgorithmus auf die in der vorherigen Phase entwickelte parametrische Modellierungsmethode angewendet. Das Hauptziel dieser Phase ist die Optimierung sowohl der Gebäudegeometrien als auch der TSSC-Konfigurationen in einem kollaborativen Designansatz. Dies wird durch die Kombination eines parametrischen Modells mit einer Mehrzieloptimierung erreicht, die die Festlegung von Entwurfsparametern (Entscheidungsvariablen) im Zusammenhang mit Gebäude- und TSSC-Designs und die Definition einer Liste von Fitnessfunktionen (Zielen) erleichtert. Multi-Objektiv-Optimierungsmethoden sind nützlich für die Generierung optimaler Lösungen, die über mehrere konkurrierende Ziele hinweg bewertet werden können. Daher wird die Designoptimierung von Gebäude- und TSSC-Konfigurationen mit Hilfe eines genetischen Algorithmus durchgeführt, der zu den in der Gebäudeenergieforschung weit verbreiteten Mehrziel-Optimierungsmethoden gehört. Auf diese Weise werden automatisch mehrere Designlösungen generiert und unter Berücksichtigung verschiedener Zielkonflikte bewertet, z. B. Maximierung des solaren Gewinns für die Gebäudehülle, Maximierung des Energieertrags von TSSCs und Minimierung des Platzbedarfs für TSSC-Module bei der Integration in Gebäude. Das Hauptziel besteht also nicht nur darin, leistungsfähige Energiesysteme wie TSSC in Bezug auf Energie, Größe und Kosten zu entwerfen, sondern auch leistungsfähige Gebäude mit gutem Solarpotenzial. Dieser integrierte Ansatz zur Entwurfsoptimierung ermöglicht einen fundierten Entscheidungsprozess, indem er mehrere Ziele von Interessengruppen aus verschiedenen Bereichen berücksichtigt, z. B. Energiespezialisten, Gebäudearchitekten und Bauingenieure. In der letzten Phase konzentriert sich die Forschung in dieser Arbeit auf die Bewertung des globalen Potenzials von TSSCs, wenn diese Systeme in Gebäude auf Quartiersebene integriert werden. In dieser Phase wird der in der dritten Phase verwendete parametrische Modellierungs- und Entwurfsoptimierungsansatz um zusätzliche, für den Stadtteilentwurf relevante Parameter und um Parameter für den Entwurf von TSSC erweitert. Dies ermöglicht es, einen großen Entwurfsraum zu schaffen, in dem die Entwurfsoptimierung für innovative energieeffiziente Stadtteile unter Verwendung der TSSC-Technologie besser beurteilt werden kann. In dieser Phase wird der genetische Algorithmus für die multikriterielle Optimierung von Stadtteilen und TSSCs in zwei aufeinanderfolgenden Schritten angewandt: Optimierung des Stadtteildesigns für den maximalen solaren Gewinn und den minimalen Energiebedarf und Optimierung des TSSC-Designs für den maximalen Energieertrag und die minimale Flächenabdeckung durch TSSC-Module. Auf diese Weise ermöglicht die Methode die schnelle Generierung praktikabler Quartierslösungen, die mit Hilfe gebäudeintegrierter TSSC-Technologien nachhaltigkeitsrelevante Fragestellungen angehen können. Insgesamt ermöglicht die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung die Entwurfsexploration und Entwurfsoptimierung während des frühen Entwurfsprozesses von Gebäuden und TSSC als Energieversorgungssysteme. Die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Methoden ermöglichen einen integrativen, kollaborativen und gleichzeitigen Entwurfsprozess, an dem Beteiligte aus verschiedenen Bereichen beteiligt sind, z. B. Energiespezialisten, Bauingenieure, Gebäudeplaner und Architekten, die ihre bereichsspezifischen Anliegen haben. Darüber hinaus trägt diese Forschung dazu bei, eine fundierte Entscheidungsfindung zu ermöglichen, indem mehrere Entwurfslösungen für eine Reihe von widersprüchlichen Zielen verschiedener Interessengruppen bewertet werden.