Temperature Effects and Degradation of Building Integrated Photovoltaics

Abstract

This master’s thesis investigates the temperature effects and degradation of building integrated photovoltaics (BIPV). The purpose of the thesis is to understand how the integration of photovoltaic modules into building’s structure influences their performance and longevity, compared to traditional photovoltaic systems. Crystalline silicon photovoltaic technology is the primary focus, due to its prevalent use in both conventional and building integrated solar applications. The thesis employs a combination of literature review and numerical calculation using the Sandia model temperature to explore the thermal behaviour of BIPV under various configurations and environmental conditions. Key factors such as module mounting configuration, airflow, coloured modules, and backsheet materials are examined to assess their impact on operating temperature and degradation. The findings indicate that BIPV systems typically operate at higher temperatures than traditional PV due to restricted ventilation and aesthetic-driven design modifications, such as black coloured modules, leading to higher operating temperatures and accelerated degradation. The temperature difference was calculated to be up to 29°C, between typical PV and BIPV under normal operating conditions. Phenomena such as delamination, discolouration, hotspots, cell cracking and corrosion were identified as common thermal degradation mechanisms. Additionally, challenges such as solar curtailment and clipping were shown to contribute to increased thermal stress and heat accumulation in PV systems. The thesis concludes that while BIPV presents aesthetic and space-saving advantages, careful design considerations and material choices are essential to mitigate temperature-related losses and to enhance the system's performance and durability over its lifecycle.

Tässä diplomityössä tutkitaan rakennuksiin integroitavaan aurinkosähköön (BIPV) liittyviä lämpötilavaikutuksia ja ikääntymismekanismeja. Työn tarkoituksena on selvittää, kuinka aurinkokennojen integrointi rakennuksiin vaikuttaa niiden suorituskykyyn ja käyttöikään verrattuna perinteisiin aurinkosähköjärjestelmiin. Työn painopisteenä on kiteinen piipohjainen aurinkosähköteknologia, koska sitä käytetään laajalti sekä tavallisissa aurinkopaneeleissa että rakennuksiin integroiduissa aurinkosähkösovelluksissa. Diplomityössä hyödynnetään kirjallisuuskatsausta sekä numeerista laskentaa Sandia-mallia hyödyntäen BIPV-järjestelmien lämpökäyttäytymisen tutkimiseksi erilaisissa asennus- ja ympäristöolosuhteissa. Keskeisiä tarkasteltavia tekijöitä ovat moduulien asennuskonfiguraatiot, ilmanvaihto, värilliset aurinkopaneelit, sekä taustalevyjen materiaalit, joiden vaikutusta aurinkokennon lämpötilaan ja ikääntymiseen arvioidaan. Tulokset osoittavat, että BIPV-järjestelmät toimivat tyypillisesti korkeammissa lämpötiloissa kuin perinteiset aurinkopaneelit, mikä johtuu rajoitetusta ilmanvaihdosta sekä esteettisistä suunnitteluratkaisuista, kuten mustista aurinkopaneeleista. Nämä tekijät aiheuttavat korkeamman käyttölämpötilan ja nopeamman ikääntymisen rakennuksiin integroiduissa aurinkopaneeleissa. Lämpötilaeron laskettiin olevan jopa 29°C tyypillisen aurinkopaneelin ja rakennukseen integroidun paneelin välillä normaalissa käyttöolosuhteissa. Yleisimpiä korkean lämpötilan aikaansaamia vaurioita ovat delaminaatio, värimuutokset, kuumapisteet, kennojen halkeaminen ja korroosio. Lisäksi ilmiöt, kuten aurinkosähkön käytön rajoitus (curtailment) ja invertterin tehorajoitukset (clipping), osoittautuivat lisäävän järjestelmän lämpörasitusta ja lämmön kertymistä. Johtopäätöksenä todetaan, että BIPV-järjestelmät tarjoavat esteettisiä ja tilansäästöön liittyviä etuja, mutta järjestelmien huolellinen suunnittelu ja materiaalivalinnat ovat keskeisessä osassa lämpötilasta johtuvien tehohäviöiden minimoimiseksi sekä järjestelmän suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi.