Novel mounting profile design for building integrated photovoltaics

In the recent years development of on-site production of electricity via sustainable, renewable energy technologies, covering buildings’ energy needs but also providing services to the grid, has become an interesting topic driven by transition towards decarbonization of building sector. PV system as a solution of distributed electricity generation has many applications including its inclusions into architectural design based on BIPV concepts. However, the BIPV market has not reached relevant development and continues to occupy a niche of both PV and building markets. One of the main barriers, namely the lack of standardized products, currently limits the future deployment of BIPV system. Therefore, this thesis focuses on development of mounting system with cabling and connections suitable for all rigid PV modules integration into roof or façade of a building. It worth to note that this work represents a first feasibility study and doesn’t have a goal of designing and pinch pointing the best solution, thus further efforts to optimize the solution are needed to assess the industrialization options and thus to carry out the economic feasibility. First, literature review is performed, providing PV materials and technologies available on the market, BIPV characteristics, requirements, and classification, together with BIPV current solutions. Additionally, PV system architecture and array connection typologies are analyzed for the scope of BIPV application. Then, to improve modularity and electrical flexibility of BIPV system, several solutions of mounting profile with a preinstalled Flexible Switching Matrix inside were proposed, so that the electrical installation consists of just plugging in PV modules to a profile and array connection can be easily changed throughout a life of BIPV plant. Finally, several case studies were performed, demonstrating that at specific conditions one of the proposed solutions has slightly advantageous performance compared to a standard mounting profile.

Negli ultimi anni la produzione in loco di energia elettrica attraverso fonti energetiche sostenibili e rinnovabili è diventata un argomento interessante. Queste fonti non solo coprono le esigenze degli edifici, ma forniscono anche servizi alla rete e sono state ampiamente guidate dalla transizione alla decarbonizzazione del settore degli edifici. Il sistema fotovoltaico come soluzione per la generazione di elettricità distribuita ha molte applicazioni, comprese le sue inclusioni nella progettazione architettonica basata sui concetti BIPV. Tuttavia, il mercato BIPV non ha raggiunto uno sviluppo rilevante e continua a occupare una nicchia sia nel mercato fotovoltaico che in quello dell'edilizia. Uno dei principali ostacoli è la mancanza di prodotti standardizzati che attualmente limita la futura diffusione del sistema BIPV. Pertanto, questa tesi si concentra sullo sviluppo di sistemi di montaggio con cablaggio e connessioni idonei per l'integrazione di tutti i moduli fotovoltaici rigidi nel tetto o nella facciata di un edificio. Vale la pena notare che questo lavoro rappresenta un primo studio di fattibilità e non ha l'obiettivo di progettare e indicando la soluzione migliore, quindi sono necessari ulteriori sforzi per ottimizzare la soluzione per valutare le opzioni di industrializzazione e quindi per realizzare la fattibilità economica . Per primo, viene eseguita la revisione della letteratura, esplorando i materiali e le tecnologie FV disponibili sul mercato, le caratteristiche, i requisiti e la classificazione BIPV, insieme alle soluzioni attuali BIPV. Successivamente, per migliorare la modularità e la flessibilità elettrica del sistema BIPV, sono state proposte diverse soluzioni di profilo di montaggio con una matrice di commutazione flessibile preinstallata all'interno, in modo che l'installazione elettrica consista semplicemente nel collegare i moduli FV a un profilo e la connessione array può essere facilmente modificata in tutto una vita di impianto BIPV. Finalmente, sono stati eseguiti diversi casi di studio, dimostrando che a determinate condizioni una delle soluzioni proposte ha prestazioni leggermente vantaggiose rispetto ad un profilo di montaggio standard.