Automatic Sizing and Parameterization of Photovoltaic Energy Systems in Buildings

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaCom o aumento da preocupação mundial pelas necessidades energéticas e suas implicações – redução de recursos disponíveis, consequências ambientais inerentes, entre outros – várias instituições globais recorreram ao estabelecimento de diversas metas e projetos a serem cumpridos, tais como a Europa 2020 e o acordo de Paris. O aumento da eficiência energética, a redução de gases poluentes e causadores de efeitos estufa e ainda a maior implementação de fontes de energia renovável são os pontos cruciais nestes objetivos. Associando estes ao setor de habitação, o maior consumidor final da energia global, surge o potencial da integração arquitetónica dos fatores estipulados com as construções da atualidade, a fim de atingir as metas estabelecidas.De modo a auxiliar estas transformações, a equipa de investigação Ren4EEnIEQ encontra-se a desenvolver uma ferramenta computacional de apoio à renovação de edifícios de maneira otimizada em termos energéticos, abrangendo a sua estrutura, geometria, design e otimização dos sistemas de calor e sistemas de construção envolvidos. Com a operação nas etapas iniciais dos projetos, é possível reduzir o consumo final de energia com um procedimento simplificado e mais eficaz. Esta dissertação tem o foco na implementação de fontes de energia fotovoltaica nesta ferramenta de otimização. Esta é feita dimensionando e parametrizando o sistema fotovoltaico de maneira automática e economicamente viável. A escolha económica mais promissora é obtida com base em diversos fatores, como localização, perfil de consumo, legislação envolvida e área e investimento econômico disponíveis. Ao introduzir os principais componentes do sistema fotovoltaico - painéis solares, inversor e a existência de bateria - a otimização foi feita em termos de número, posicionamento, inclinação e orientação dos painéis solares. Foram consideradas várias estruturas de suporte, incluindo rastreadores solares, e perdas do sistema fotovoltaico inevitáveis, tanto em termos de eficiência quanto de fatores externos. As estruturas não fixas e as perdas externas foram adicionadas por métodos aproximados, a fim de obter uma escolha mais precisa e abrangente do tipo de sistema. Após a junção de todos os dados, foi possível atribuir vários cenários viáveis ao edifício estudado, localizados em Coimbra, Portugal, graças ao recurso a bases de dados, a programas de simulação de energia e algoritmos de otimização. O potencial econômico desta tecnologia renovável foi verificado em todas as situações, as quais mostraram uma tendência a maximizar a área do telhado através da redução da inclinação do painel solar, consequência de um perfil de consumo relativamente alto. A integração de painéis solares nas paredes e a fixação de painéis solares no piso foram lucrativos, mas em cenários de nicho, devido à sua natureza. Além disso, foi também provado que a adição de rastreadores solares foi feita com sucesso, embora estes não sejam comparados com a estrutura fixa, no momento desta tese, em Coimbra. No entanto, ambas as opções têm um bom potencial em outras situações, especialmente os painéis integrados, que triunfam na economia econômica e na singularidade visual do edifício. Independentemente da situação escolhida, será sempre dependente das mudanças econômicas envolvidas. Portanto, este método é uma boa opção tanto para estimar a melhor opção de uma determinada situação, como para retirar várias soluções de diversos cenários e decidir qual optar após uma análise detalhada de cada uma delas.With the increasing global concern on energy needs and their implications – reduction of available resources, inherent environmental consequences, among others – several global institutions have resorted to the establishment of various projects and goals that must be met, such as Europe 2020 and the Paris Agreement. The increase the energy efficiency, reduce the emission of polluting and greenhouse effect gases and further implementing renewable energy sources are all crucial points on these objectives. Linking these to the residential sector, the biggest final consumer of energy worldwide, arises the potential of architectonical integration of the stipulated factors with the constructions of present time, in order to reach the established goals.To aid these transformations, the investigation team Ren4EEnIEQ is developing a computational tool to aid in the renovation of buildings in an energy optimized way, covering its structure, geometry, design and optimizing the heat systems and construction systems involved. With the operation in the initial steps of the projects, it’s possible to reduce the final energy consumption with a simplified and more effective procedure. This dissertation focus on the implementation of photovoltaic energy sources into this optimizing tool. It does so by dimensioning and parametrizing the photovoltaic system in an automatic and economically viable way. The most promising economical choice is achieved with basis on several factors, such as location, consumption profile, involved legislation and area and economical investment available. By introducing the main components of the photovoltaic system – solar panels, inverter and the existence of battery – the optimization was made in terms of number, positioning, tilt and orientation of the solar panels. Several supporting structures were considered, including solar trackers, and respective inevitable losses, both in terms of efficiency and external factors. The non-fixed structures and external losses were added by approximate methods, in order to obtain a more precise and more comprehensive choice of system type.Finally, after merging all the data, it was possible to assign several scenarios that are viable choices to the studied building, located in Coimbra, Portugal, thanks to the resource of data bases, energy dynamic simulation programs and optimizing algorithms. The economic potential of this renewable technology was verified in all the situations, which all showed a leaning to maximizing the roof area via the reduction of solar panel inclination, consequence of a relatively high consumption profile. The integration of solar panels in the walls and the attachment of solar panels on the floor were lucrative, but in niche scenarios, due to their nature. Furthermore, it was also proved that the addition of solar trackers was successfully made, although these lack in comparison to the fixed structure, in the moment of this thesis, in Coimbra. Nevertheless, both of these options have a nice potential in other situations, specially the integrated panels, which triumph in economic savings and visual uniqueness of the building. Regardless of the chosen situation, this will always be dependent on the economic changes involved. Therefore, this method is a good option both to see the best option of a particular situation or to withdraw several solutions from multiple scenarios and decide after a close analysis to each one of them.Universidade de Coimbra - Este trabalho teve o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) e do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) via COMPETE – Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (POCI), no âmbito do projeto Ren4EEnIEQ (PTDC/EMS-ENE/3238/2014, POCI-01-0145-FEDER-016760 e LISBOA-01-0145-FEDER-016760)