A calibrated model for the prediction of the electrical behaviour of BIPV modules with optimized coloured front glass pane

High customizable BIPV technologies guarantee larger aesthetical possibilities and flexibility in architectural design. Customization constitutes the strength and uniqueness of BIPV products in the PV scene. However, high customization could also represent a limit for BIPV technologies' industrial production and cost reduction. The introduction of coloured BIPV modules has been game-changing for BIPV applications, whose aesthetic has been enhanced by concealing or modifying the visual perception of the original material of the PV cells through coloured layers that make the modules’ appearance mimics the standard construction products, to the detriment of the module’s power conversion efficiency and increase in costs. The activities conducted in this study were designed to evaluate in depth the performance of customised BIPV products, with a particular emphasis on the impact of aesthetics on energy performance in coloured BIPV technologies. The first result of the research has been the development of an interdisciplinary and multilevel methodological framework for the performance assessment of customised BIPV products, which integrates aesthetic and technical aspects. On these bases, an evaluation matrix has been defined, which is intended as a decision support tool for the selection of BIPV technologies for a specific application. Furthermore, the developed methodology brought to the identification of hidden coloured BIPV technologies as the ones providing the highest customization potential but also a knowledge gap, regarding the relation between aesthetics and energy-related performance in coloured BIPVs. Therefore, the second part of the research focused on the development of a model for assessing the performance of coloured BIPV technologies that incorporate translucent front glass panes to conceal c-Si solar cells from the user's view. The model development consisted of three main parts: 1) an experimental campaign, to collect the data required as the model’s input, which contributes also to build-up a database including (i) primary ceramic-coated glass panes’ spectral properties and (ii) detailed electric performance of coloured BIPV, both data currently scarce in the literature; 2) the development of an optimization algorithm able to assess at the same time (i) the highest possible PV efficiency for a module that reproduces a specific colour and (ii) the combination of the primary dyes (i.e., the colour manufacturing recipe) that allows obtaining such maximum power output; 3) the model calibration for six arbitrarily chosen colours. The model was applied to six colours, and for four cases out of six, it provided optimized coloured glass panes with higher power conversion efficiency (+ 3%), compared to the target. Therefore, one of the main results of the developed model is the possibility to detect the features of an optimized coloured glass pane, whose colour composition provides a similar colour sensation compared to the target, and the maximum possible module’s efficiency for the selected colour and technology. The developed model is intended to support BIPV module manufacturers in the development of customized products able to balance aesthetic and energy aspects, allowing them to evaluate the impact of the coloured layer on the electric output without producing and testing prototypes. This tool can contribute to decreasing the cost of coloured BIPV products, by facilitating mass production while preserving the customization potential, thereby allowing to optimize the product performance. Furthermore, it would provide designers and final users with reliable information for more conscious design choices, that balance energy and aesthetic aspects.

Le tecnologie BIPV altamente personalizzabili garantiscono maggiori possibilità estetiche e maggiore flessibilità nella progettazione architettonica. La personalizzazione costituisce la forza e l'unicità dei prodotti BIPV nel panorama delle tecnologie fotovoltaiche, tuttavia, l'elevata personalizzazione potrebbe anche rappresentare un limite per la produzione industriale e la riduzione dei costi delle tecnologie BIPV. L'introduzione di moduli BIPV colorati ha costituito una svolta per le applicazioni BIPV, la cui estetica è stata migliorata nascondendo o modificando la percezione visiva del materiale originale delle celle fotovoltaiche attraverso strati colorati che rendono l'aspetto dei moduli simile ai tradizionali prodotti da costruzione, a discapito dell'efficienza del modulo e dell'aumento dei costi. Le attività condotte in questo studio sono state progettate per valutare nel dettaglio le prestazioni dei prodotti BIPV personalizzati, con particolare attenzione all'impatto dell'estetica sulle prestazioni energetiche nelle tecnologie BIPV colorate. Il primo risultato della ricerca è stato lo sviluppo di un quadro metodologico interdisciplinare e multilivello per la valutazione delle prestazioni dei prodotti BIPV personalizzati, che integra aspetti estetici e tecnici. Su queste basi è stata definita una matrice di valutazione, intesa come strumento di supporto alle decisioni per la selezione delle tecnologie BIPV per una specifica applicazione. Inoltre, la metodologia sviluppata ha portato all'identificazione delle tecnologie BIPV colorate con celle nascoste come quelle che forniscono il più alto potenziale di personalizzazione ma anche una lacuna di conoscenza, per quanto riguarda la relazione tra estetica e prestazioni energetiche nei BIPV colorati. Pertanto, la seconda parte della ricerca si è concentrata sullo sviluppo di un modello per valutare le prestazioni delle tecnologie BIPV colorate che incorporano vetri frontali traslucidi per nascondere le celle solari c-Si alla vista dell'utente. Lo sviluppo del modello si è composto di tre parti principali: 1) una campagna sperimentale, per raccogliere i dati richiesti come input del modello, che contribuisce anche a costruire un database comprendente (i) le proprietà spettrali delle lastre di vetro rivestite con deposito di pigmenti ceramici di colori primari (ii) le prestazioni elettriche del modulo BIPV colorato, entrambi dati attualmente scarsi in letteratura; 2) lo sviluppo di un algoritmo di ottimizzazione in grado di valutare contemporaneamente (i) la massima efficienza fotovoltaica raggiungibile da un modulo che riproduce un colore specifico e (ii) la combinazione dei coloranti primari (ovvero la ricetta di produzione del colore) che consente di ottenere tale massima potenza erogata; 3) la calibrazione del modello per sei colori scelti arbitrariamente. Il modello è stato applicato a sei colori arbitrariamente scelti, e per quattro casi su sei, ha fornito vetri colorati ottimizzati che determinano una maggiore efficienza (+ 3%) rispetto al modulo target. Pertanto, uno dei principali risultati del modello sviluppato è la possibilità di determinare le caratteristiche di una lastra di vetro colorata ottimizzata, la cui composizione fornisce una sensazione cromatica difficilmente distinguibile da un colore target, e la massima efficienza possibile del modulo per il colore e la tecnologia selezionati . Il modello sviluppato ha lo scopo di supportare i produttori di moduli BIPV nello sviluppo di prodotti personalizzati in grado di bilanciare aspetti estetici ed energetici, consentendo loro di valutare l'impatto dello strato colorato sulla produzione elettrica senza produrre e testare prototipi. Questo strumento può contribuire a ridurre il costo dei prodotti BIPV colorati, facilitando la produzione di massa preservando il potenziale di personalizzazione, consentendo così di ottimizzare le prestazioni del prodotto. Inoltre, fornirebbe a progettisti e utilizzatori informazioni attendibili per scelte progettuali più consapevoli, che bilancino aspetti energetici ed estetici.