ARCHITECTURE AND PHOTOVOLTAICS. Strategies, technologies and novel components for the building envelope

The present work deals with the architectural integration of photovoltaics (PV) for the energy retrofit of the existing building stock and the construction of Zero Energy Buildings. The main objective is the study of strategies and technologies for the integration of photovoltaics in buildings, particularly with regard to third-generation solar devices and, subsequently, the definition of a novel, multifunctional component for the building envelope integrated with Dye-sensitized Solar Cells (DSC). In the first part of the work, the research focused on an in-depth analysis of products of the Building Integrated Photovoltaic (BIPV) market, underlining differences, limits and potentialities of each PV technology in the perspective of the architectural integration. Contextually, numerous case-study buildings have been analyzed, thus allowing for some considerations regarding new trends observed and possible developments. The second part regards the technological optimization and energy performance analysis of a novel translucent component for BIPV, developed at the Department of Architecture of the University of Palermo: namely, a multifunctional panel made of glass blocks integrated with third-generation Dye-sensitized Solar Cells. Novel thermally optimized glass block configurations, integrated with DSC modules with different colors and transparency levels, have been analyzed with the support of different softwares, in order to assess their thermal, optical, and electrical performance. Subsequently, the benefits deriving from the installation of this product in place of the glazed façades of an office building located in Palermo, have also been assessed with the support of a software for building performance simulation. The aim is to evaluate its energy saving and production potential as well as to make some considerations regarding its applicability as technical element of sustainable building roofs and façades.

Il principale obiettivo della tesi ha riguardato lo studio di strategie e tecnologie per l’integrazione del fotovoltaico negli edifici, con particolare attenzione verso le tecnologie solari di terza generazione, e la successiva definizione di un componente multifunzionale innovativo per l’involucro edilizio integrato con Dye-sensitized Solar Cells (DSC). Nella prima parte del lavoro, la ricerca si è concentrata sull’analisi del mercato del Building Integrated Photovoltaics (BIPV), sottolineando differenze, limiti e potenzialità di ciascuna tecnologia fotovoltaica. Particolare attenzione, inoltre, è stata rivolta a un numero consistente di casi studio, ossia edifici di nuova costruzione o interventi di retrofit in cui è stato possibile rintracciare interessanti soluzioni per l’integrazione del fotovoltaico. A partire dall’analisi del mercato, di esempi emblematici di integrazione del fotovoltaico nel panorama architettonico contemporaneo e delle soluzioni tecniche e progettuali in essi adottate, è stato possibile tracciare un quadro ampio sul tema e fare alcune valutazioni sulle tendenze riscontrate e sui nuovi sviluppi possibili. La seconda parte del lavoro è rivolta allo studio e all’ottimizzazione prestazionale di un componente traslucido innovativo sviluppato presso il Dipartimento di Architettura dell’Università di Palermo: un pannello multifunzionale in vetromattoni integrati con celle solari di terza generazione, i.e. Dye-sensitized Solar Cells. In particolare, sono state definite nuove configurazioni del vetromattone, ottimizzate per quanto riguarda l’isolamento termico e integrate con moduli DSC caratterizzati da colori e livelli di trasparenza differenti. Sono stati utilizzati tre diversi software per l’analisi del prodotto, allo scopo di valutarne le prestazioni di isolamento termico, trasmissione solare e luminosa nonché di fare alcune considerazioni sulla sua produzione elettrica. Si sono infine valutati, per mezzo di un software per la simulazione energetica degli edifici, i benefici derivanti dall’installazione di questo prodotto in luogo delle facciate vetrate di un edificio per uffici della città di Palermo. Così facendo, si è inteso valutare il potenziale in termini sia di risparmio energetico sia di produzione elettrica del prodotto proposto nonché fare alcune considerazioni in merito alla sua applicabilità come elemento tecnico di involucri edilizi sostenibili