Integral energy behaviour of photovoltaic semi-transparent glazing elements for building integration

La hipótesis general que esta tesis quiere demostrar es que la integración arquitectónica de sistemas fotovoltaicos semitransparentes (STPV) puede contribuir a mejorar la eficiencia energética de los edificios. Por lo tanto, la investigación se centra en el desarrollo de una metodología capaz de cuantificar la reducción de la demanda energética del edificio proporcionada por estas novedosas soluciones constructivas. Al mismo tiempo, los parámetros de diseño de las soluciones STPV se han analizado para establecer cuales presentan el mayor impacto sobre el balance energético global del edificio y por lo tanto tienen que ser cuidadosamente definidos a la hora de optimizar el comportamiento energético del mismo. A la luz de estos objetivos, la metodología de estudio se ha centrado en tres puntos principales:  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones de operación realistas, similares a las que se darían en un sistema real;  Caracterizar el comportamiento energético global de sistemas STPV en condiciones controladas, con el objetivo de estudiar la variación del comportamiento del los elementos en función de parámetro de diseño y operación;  Evaluar el potencial de ahorro energético global de los sistemas STPV en comparación con soluciones acristaladas convencionales al variar de las condiciones de contorno constituidas por los parámetros de diseño (como el grado de transparencia), las características arquitectónicas (como el ratio entre superficie acristalada y superficie opaca en la fachada del edificio) y las condiciones climáticas (cubriendo en particular la climatología europea). En síntesis, este trabajo intenta contribuir a comprender la interacción que existe entre los sistemas STPV y el edificio, proporcionando tanto a los fabricantes de los componentes como a los profesionales de la construcción información valiosa sobre el potencial de ahorro energético asociado a estos nuevos sistemas constructivos. Asimismo el estudio define los parámetros de diseño adecuados para lograr soluciones eficientes tanto en proyectos nuevos como de rehabilitación. ABSTRACT The general hypothesis this work seeks to demonstrate is that the architectural integration of Semi-Transparent Photovoltaic (STPV) systems can contribute to improving the energy efficiency of buildings. Accordingly, the research has focused on developing a methodology able to quantify the building energy demand reduction provided by these novel constructive solutions. At the same time, the design parameters of the STPV solution have been analysed to establish which of them have the greatest impact on the global energy balance of the building, and therefore which have to be carefully defined in order to optimize the building operation. In the light of these goals, the study methodology has focused on three main points:  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in realistic operating conditions, similar to those in which a real system will operate;  To characterise the global energy behaviour of STPV systems in controlled conditions in order to study how the performance varies depending on the design and operating parameters;  To assess the global energy saving potential of STPV systems in comparison with conventional glazing solutions by varying the boundary conditions, including design parameters (such as the degree of transparency), architectural characteristics (such as the Window to Wall Ratio) and climatic conditions (covering the European climatic conditions). In summary, this work has sought to contribute to the understanding of the interaction between STPV systems and the building, providing both components manufacturers and construction technicians, valuable information on the energy savings potential of these new construction systems and defining the appropriate design parameters to achieve efficient solutions in both new and retrofitting projects.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Contributions to uncertainty reduction in the estimation of PV plants performance

Esta tesis doctoral presenta un procedimiento integral de control de calidad en centrales fotovoltaicas, que comprende desde la fase inicial de estimación de las expectativas de producción hasta la vigilancia del funcionamiento de la instalación una vez en operación, y que permite reducir la incertidumbre asociada su comportamiento y aumentar su fiabilidad a largo plazo, optimizando su funcionamiento. La coyuntura de la tecnología fotovoltaica ha evolucionado enormemente en los últimos años, haciendo que las centrales fotovoltaicas sean capaces de producir energía a unos precios totalmente competitivos en relación con otras fuentes de energía. Esto hace que aumente la exigencia sobre el funcionamiento y la fiabilidad de estas instalaciones. Para cumplir con dicha exigencia, es necesaria la adecuación de los procedimientos de control de calidad aplicados, así como el desarrollo de nuevos métodos que deriven en un conocimiento más completo del estado de las centrales, y que permitan mantener la vigilancia sobre las mismas a lo largo del tiempo. Además, los ajustados márgenes de explotación actuales requieren que durante la fase de diseño se disponga de métodos de estimación de la producción que comporten la menor incertidumbre posible. La propuesta de control de calidad presentada en este trabajo parte de protocolos anteriores orientados a la fase de puesta en marcha de una instalación fotovoltaica, y las complementa con métodos aplicables a la fase de operación, prestando especial atención a los principales problemas que aparecen en las centrales a lo largo de su vida útil (puntos calientes, impacto de la suciedad, envejecimiento…). Además, incorpora un protocolo de vigilancia y análisis del funcionamiento de las instalaciones a partir de sus datos de monitorización, que incluye desde la comprobación de la validez de los propios datos registrados hasta la detección y el diagnóstico de fallos, y que permite un conocimiento automatizado y detallado de las plantas. Dicho procedimiento está orientado a facilitar las tareas de operación y mantenimiento, de manera que se garantice una alta disponibilidad de funcionamiento de la instalación. De vuelta a la fase inicial de cálculo de las expectativas de producción, se utilizan los datos registrados en las centrales para llevar a cabo una mejora de los métodos de estimación de la radiación, que es la componente que más incertidumbre añade al proceso de modelado. El desarrollo y la aplicación de este procedimiento de control de calidad se han llevado a cabo en 39 grandes centrales fotovoltaicas, que totalizan una potencia de 250 MW, distribuidas por varios países de Europa y América Latina. ABSTRACT This thesis presents a comprehensive quality control procedure to be applied in photovoltaic plants, which covers from the initial phase of energy production estimation to the monitoring of the installation performance, once it is in operation. This protocol allows reducing the uncertainty associated to the photovoltaic plants behaviour and increases their long term reliability, therefore optimizing their performance. The situation of photovoltaic technology has drastically evolved in recent years, making photovoltaic plants capable of producing energy at fully competitive prices, in relation to other energy sources. This fact increases the requirements on the performance and reliability of these facilities. To meet this demand, it is necessary to adapt the quality control procedures and to develop new methods able to provide a more complete knowledge of the state of health of the plants, and able to maintain surveillance on them over time. In addition, the current meagre margins in which these installations operate require procedures capable of estimating energy production with the lower possible uncertainty during the design phase. The quality control procedure presented in this work starts from previous protocols oriented to the commissioning phase of a photovoltaic system, and complete them with procedures for the operation phase, paying particular attention to the major problems that arise in photovoltaic plants during their lifetime (hot spots, dust impact, ageing...). It also incorporates a protocol to control and analyse the installation performance directly from its monitoring data, which comprises from checking the validity of the recorded data itself to the detection and diagnosis of failures, and which allows an automated and detailed knowledge of the PV plant performance that can be oriented to facilitate the operation and maintenance of the installation, so as to ensure a high operation availability of the system. Back to the initial stage of calculating production expectations, the data recorded in the photovoltaic plants is used to improved methods for estimating the incident irradiation, which is the component that adds more uncertainty to the modelling process. The development and implementation of the presented quality control procedure has been carried out in 39 large photovoltaic plants, with a total power of 250 MW, located in different European and Latin-American countries.