Potencial da janela fotovoltaica para edifícios de escritório com múltiplos pavimentos : avaliação da iluminação natural em termos de iluminância e ofuscamento

Abstract

Resumo: O objetivo desta pesquisa é avaliar o potencial de diferentes tipos de janela fotovoltaica - duas convencionais: com células de silício policristalino e filme fino transparente, e uma não convencional: com células fotovoltaicas orgânicas (OPV) - para edifícios de escritório com múltiplos pavimentos, com salas abertas e plantas profundas em termos de iluminação natural e ofuscamento. Para isto, dividiu-se esta pesquisa em três artigos que se complementam. O primeiro artigo avalia as janelas fotovoltaicas convencionais (policristalina e de filme fino) e as compara com uma janela com vidro simples transparente. Utilizou-se como método para o artigo 1, a simulação computacional no sistema Mestre para analisar se a janela fotovoltaica pode fornecer uma distribuição de luz mais uniforme para uma sala de escritório, garantindo tanto uma maior iluminância no plano de trabalho em uma mesa situada no fundo da sala, quanto um menor efeito do ofuscamento para um trabalhador com vista direta para a janela. Os resultados mostram que, em comparação com a janela de ganho direto (com vidro simples transparente), as janelas fotovoltaicas trabalham com um nível de iluminância 55% menor com uma pequena queda de disponibilidade de luz do dia (apenas 4,7 a 5,7%), mas permite uma queda no DGI de 5 a 7 vezes maior (23,3 a 30,3%). O cálculo do ano inteiro da iluminância do plano de trabalho, os resultados contínuos da Autonomia da Luz do dia (cDA) e do Índice de Luz do Dia (DGI) mostram a superioridade da PV de filme fino com iluminação suplementar. O segundo e o terceiro artigos analisaram um mesmo modelo de escritório genérico e avaliaram um tipo de janela fotovoltaica não convencional, com OPV, e a compararam com uma janela com vidro comum e outra com película solar aplicada no vidro. O segundo artigo comparou estes materiais sob condições de céu real (claro e encoberto) por meio de um experimento com um modelo em escala reduzida, nesta etapa levantou-se dados para posterior inserção no sistema de simulação computacional Radiance. Os resultados obtidos com a medição do modelo reduzido foram utilizados como parâmetros para validar os resultados da simulação computacional (do terceiro artigo) e comprovou-se semelhança entre eles. Desta forma, pode-se avaliar por meio das três pesquisas, o potencial das janelas fotovoltaicas convencionais, policristalina e de filme fino, que são tecnologias mais consolidadas no mercado, e da janela não convencional, com o OPV. Apesar desta última ser uma tecnologia emergente e ainda se encontrar em um estado inicial de pesquisa na busca de células mais eficientes, ainda mostra-se interessante devido às características especiais como: baixo custo de fabricação, caráter escalonável, processo de fabricação simples, baixo consumo de material, sensibilidade a baixos níveis de iluminação e fácil aplicação em grandes áreas.

Abstract: The goal of this research is to evaluate the potential of different types of photovoltaic windows - two conventional: with polycrystalline silicon cells and transparent thin film, and one unconventional: with organic photovoltaic cells (OPV) - for multi-storey office buildings with open and deep plans in terms of daylighting and glare. Therefore, this research was divided into three articles that complement each other. The first article evaluates conventional photovoltaic (polycrystalline and thin film) windows and compares them with a window with single transparent glass. The method used for the first article is computer simulation based on Mestre system to analyze whether the photovoltaic window can provide a more uniform light distribution for an office room, ensuring with both a higher work plane illuminance on a desk placed deeper into the room, and a smaller glare effect to a worker with direct view to the window. The results show that compared to a direct gain window, a PV window works on a 55% lower illuminance level with a small drop of daylight availability (only 4.7 to 5.7%) but allows a 5 to 7 times bigger (23.3 to 30.3%) drop in DGI. Whole-year calculation of work plane illuminance, continuous Daylight Autonomy (cDA) and Daylight Glare Index (DGI) results show the superiority thin-film PV with supplementary lighting. The second and third articles analyzed the same generic office model and evaluated one type of unconventional photovoltaic window with OPV and compared it with a window with a single transparent glass and another with solar protection film applied to the glass. The second article compared these materials under real sky conditions (clear and overcast) by means of an experiment with a scale model, at this stage data were raised for later insertion in the Radiance system for daylighting simulation. The results obtained with the reduced model were used as parameters to validate the computer simulation results of the third article, and they were found to be almost similar. In this way, the potential of conventional polycrystalline and thin film photovoltaic windows, which are more consolidated technologies in the market, was demonstrated. The potential of the less conventional window with OPV was demonstrated as well. Last type, which despite being an emerging technology and still in an initial state of research has further interest due to the special features such as low manufacturing cost, easy scalability, simple manufacturing process, low material consumption, sensitivity to low lighting levels and easy application in large areas.