Modelling an innovative shading system integrating PV

The use of PV system as an alternative for electricity generation purposes has increased during the past years, as well as its inclusion into the architectural design based on BIPV concepts. Therefore, forecasting power produced by those kind of PV plants is fundamental for the reliability, safety and stability of the grid, and for the optimization of the design and of the control strategy of such systems. For these reasons, in this project it has been developed a model which represents the dynamic performance of an innovative external shading device, that allows PV integration. First, a suitable model to determinate the incident irradiance over a tilted surface for any day of the year was set, starting from the general solar radiation theory, considering the second order effects provoked by the angular losses and the spectral shift. Consequently, from such irradiance, it has been designed a suitable PV model characterized by a five-parameter model, which is able to forecast the power generated with a good accuracy level. Such PV model was extended in order to consider shading effects, i.e. non-uniform irradiance over different cells, since the aim was to develop a model able to represent the behavior of a PV array integrated on an external shading device. Furthermore, a suitable optical model was developed to predict the performance of the shading device, with a curved geometry and the possibility to use any combination of surface material. Subsequently, as the idea of the project is to forecast output power for any geometry, it has been designed a case study following a special geometry, which is based on an innovative external shading device designed by the architect Pietro Franchi and the engineer Stefano Rui. An experimental apparatus was set up in order to study the impact of shades on the cells under different configurations of the shading device and validate the PV model. Therefore, a prototype of a generic lamella system, which might emulate some geometric configuration and features of the innovative external shading device, was mounted on the roof of the Energy Department of the Politecnico di Milano. The prototype corresponds of two lamellas, in two separate levels, over each lamella is placed a flexible monocrystalline PV panel. Thus, by evaluating the PV production under different conditions, such as the position and inclination of the lamellas, the PV model was validated against measurements. Finally, a control strategy has been proposed to regulate the external shading device to maintain a sufficient daylight level in the room containing overheating risk and exploiting PV generation. Such analysis allowed to quantify the performances of the innovative BIPV system in terms of hours of daylight exploitation, PV production and effective shading capability to ensure solar control

L’uso di sistemi fotovoltaici (PV) per la produzione di energia e la loro integrazione in sistemi architettonici (BIPV) sono stati oggetto di forte crescita negli anni recenti. Per questo motivo essere in grado di prevedere la potenza prodotta da questo tipo di impianti fotovoltaici è fondamentale al fine di assicurare l’affidabilità, la sicurezza e la stabilità della rete, nonché al fine di ottimizzarne la progettazione e la strategia di controllo. Per queste ragioni in questo lavoro è stato sviluppato un modella che rappresenti la prestazione dinamica di un innovativo sistema schermante solare esterno che permette l’integrazione del fotovoltaico. Per prima cosa è stato definite un modello adatto a determinare la radiazione solare incidente su una superfice genericamente inclinata in un qualunque momento dell’anno: partendo dalla teoria generale dell’ingegneria solare e passando attraverso il calcolo di effetti di secondo ordine, quali perdite angolari ed effetti spettrali, è stato possibile quantificare l’energia assorbita da una qualunque cella PV. Successivamente da questa energia è stato studiato un modello PV caratterizzato dalla rappresentazione delle celle fotovoltaiche attraverso un circuito elettrico a cinque parametri, capace di prevedere con buona precisione la potenza generata. Questo modello è stato esteso al fine di consierare l’effetto di ombreggiamenti eterogenei sui moduli PV, ovvero irraggiamento non uniforme sulle diverse celle che li compongono, in quanto l’obbiettivo è di sviluppare un modello in grado di rappresentare il comportamento di una stringa PV integrata in una schermatura solare esterna. Inoltre, un modello ottico è stato sviluppato per predire le prestazioni della schermatura con una geometria complessa a con la possibilità di combinare diversi materiali e rivestimenti. Successivamente, siccome l’idea del progetto è di prevedere la potenza prodotta dal sistema per qualunque geometria, il modello è stato adattato per seguire le caratteristiche del sistema progettato dall’Architetto Pietro Franchi e dall’Ingegnere Stefano Rui, innovativo per la sua possibilità di estensione e regolazione. Per studiare l’impatto delle ombre sulle celle PV in differenti configurazioni e per validare il modello PV inclusivo di tale impatto, è stato costruito e messo in opera un nuovo apparato sperimentale. Dunque, un prototipo di un generico dispositivo a lamelle, che emula alcune delle configurazioni e caratteristiche del dispositivo innovativo studiato, è stato montato sul tetto del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Il prototipo è composto da sei lamelle, disposte su due differenti livelli di altezza, su ognuna delle quali è stato piazzato un pannello PV monocristallino flessibile. Grazie ad esso il modello PV è stato validato attraverso una campagna di misure sotto diverse condizioni climatiche. Per finire, è stata proposta una strategia di controllo che permetta di regolare il dispositivo schermante esterno al fine di mantenere al contempo un adeguato livello di illuminazione naturale degli ambienti interni, un elevato livello di protezione da eventuali apporti termici solari indesiderati e la produzione di energia da fonte solare. Quest’analisi ha permesso di quantificare le prestazioni del sistema BIPV innovativo in termini di uso della luce diurna, produzione di energia fotovoltaica e di capacità effettiva di assicurare un controllo solare tramite ombreggiamento.