Thermal and electrical characterization of thin film photovoltaic technologies for building integration
[SPA] Esta tesis aborda un problema actual y de _ámbito global como es la mitigación del cambio climático. Conscientes de que la prestación de servicios energéticos va a seguir en aumento en años futuros, se trabaja en una alternativa para disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero, en un contexto de desarrollo sostenible dentro del sector de la industria y la construcción. Una buena penetración de las energías renovables pasa por fortalecer la integración de las mismas, solucionando los costes sistémicos adicionales y mejorando sus modalidades de aplicación. En el sector de la construcción, la integración de sistemas fotovoltaicos, más conocidos como BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics), cuenta con numerosas ventajas ya que, al generar electricidad en el punto de consumo se puede reducir la demanda pico, las perdidas en la distribución de la energía, el coste en infraestructuras, etc. Además, se cuida el diseño arquitectónico y estético de la edición sin privarlo de identidad y respetando el entorno paisajístico urbano. Sin embargo, hay barreras que no permiten consolidar estos sistemas, algunas de ellas pasan por mejorar la estandarización en los elementos fotovoltaicos {constructivos como tamaños, formas, grosor de material o colores; y a la vez hacerla una opción competitiva frente en términos de coste, funcionalidad y diseño en comparación con los materiales utilizados convencionalmente en obra. Actualmente, la tecnología fotovoltaica basada en silicio cristalino todavía domina en gran medida el mercado fotovoltaico. Sin embargo, algunas aplicaciones finalistas, como la integración en edificios, presenta importantes barreras para el silicio. Las características de sus módulos como su rigidez, alto peso y medidas estándar rectangulares no modificables sobre demanda, hacen difícil una verdadera integración arquitectónica. Desde hace varios años se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en dispositivos de lámina delgada, algunas ya han alcanzado el mercado (con eficiencias de conversión de potencia a nivel de módulo de ~12%, ~ 18% y ~19% para tecnologías de silicio amorfo, teluro de cadmio y CIGS), pero otras están todavía en fase de investigación o proyectos de demostración (células poliméricas o híbridas, perovskitas, etc.). Las tecnologías emergentes de lámina delgada destacan por su coste económico reducido (materiales que se utilizan en muy poca cantidad, con grosores de célula solar hasta 200 veces menores que en el silicio) y por tener menor impacto ambiental en el proceso de fabricación (menores temperaturas y ausencia de requisitos de vacío) lo que hace que sea mucho más fácil integrarlas en fachadas y tejados como material de construcción. El principal objetivo de la tesis es estudiar el uso de las tecnologías de lámina delgada en sistemas BIPV caracterizando sus parámetros eléctricos y térmicos considerados puntos clave para identificar el potencial técnico que tienen estas tecnologías. Bajo este enfoque, se ha diseñado y construido un sistema experimental para estudiar la respuesta térmica y fotovoltaica de diferentes tecnologías en condiciones reales de trabajo con un montaje que representa un sistema BIPV en su forma más simple. Cuatro tecnologías han sido consideradas: una tecnología de referencia como es el silicio cristalino, dos tecnologías de lámina delgada consolidadas a nivel de mercado como son las de silicio amorfo y teluro de cadmio y una de tercera generación con gran potencial como es la basada en polímeros conjugados (mejor conocida como orgánica). La parámetros térmicos, eléctricos y ambientales recogidos por el diseño experimental durante un largo periodo de tiempo permiten tener un conocimiento más profundo del comportamiento de cada una de estas tecnologías para identificar y determinar su viabilidad técnica. Para ello, también se requiere de validación de modelos que determinen la irradiación en el plano de incidencia, ya que el recurso solar a diferentes orientaciones e inclinaciones es raramente medido por estaciones meteorológicas locales, siendo de gran utilidad tanto para la comunidad científica como para arquitectos e ingenieros, debido a que, en un contexto de integración arquitectónica, las orientaciones e inclinaciones vienen determinadas por la forma del edición, sin poder utilizar el ángulo óptimo como criterio de diseño. Esta tesis busca contribuir significativamente al desarrollo de los sistemas fotovoltaicos integrados estrechando la relación entre investigación y arquitectura. Cada capítulo discute diferentes perspectivas de este ámbito; de manera que se dé un mejor entendimiento de las tecnologías fotovoltaicas cuando se llevan a edificios, dando una mayor difusión a esta prometedora aplicación. La estructura de la tesis se organiza de la siguiente manera: el capítulo uno presenta el panorama de la energía, el papel de las tecnologías fotovoltaicas en la transición hacia edificios de bajas emisiones de carbono y los puntos clave establecidos para la evaluación del problema, como son la necesidad de contar con modelos de radiación solar fiables y de establecer una visión global que cubra tanto las necesidades arquitectónicas-constructivas, como la respuesta fotovoltaica de los sistemas. El capítulo dos presenta el objetivo principal de la tesis junto con los objetivos parciales llevados a cabo. La metodología y la descripción del sistema experimental, junto con las bases de datos utilizadas para examinar los modelos, se describen en el capítulo tres. Los modelos de radiación solar basada en mediciones horizontales para obtener la irradiancia según la inclinación y orientación deseada se estudian en el capítulo cuatro. Los capítulos cinco y seis se centran en la caracterización térmica y eléctrica de cada tecnología fotovoltaica considerada. Dos casos de estudio con módulos fotovoltaicos integrados en diferentes tipologías de ediciones se presentan en el capítulo siete. Y finalmente, las conclusiones y el trabajo futuro se discuten en el capítulo ocho.
Energía solar, Energías renovables, Instalaciones eléctricas, Radiación solar, Solar energy, Renewable energy sources, Electric wiring
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