Autor: MACÍAS RODRÍGUEZ, Javier Alfonso
Título: Modelling of Vehicle-Integrated PhotoVoltaics and Implementation in Simulation Software
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
Departamento: INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA AUTOMATICA Y FISICA APLICADA
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/94004/
Director/a(s):
- Director/a: HERRERO MARTÍN, Rebeca
- Director/a: ANTÓN HERNÁNDEZ, Ignacio
Resumen: Vehicle-Integrated PhotoVoltaics (VIPV) represent a promising approach to enhance the sustainability and range of Electric Vehicles (EVs). By integrating photovoltaic (PV) modules directly onto vehicle surfaces, VIPV enables on-board solar energy generation, which can reduce the frequency of external charging events, alleviate grid demand, lower mobility costs, and decrease lifecycle greenhouse gas emissions. However, estimating the performance of such systems presents significant challenges due to the curvature of EV surfaces, the vehicles continuous motion, and the variable influence of the urban environment on solar resource availability. The primary objective of this thesis is to develop a comprehensive methodology for modelling VIPV systems under real-world conditions. The work begins with an analysis of the fundamental principles of solar irradiance and the limitations of conventional approaches in VIPV scenarios. Existing transposition models are reviewed and adapted to account for curved vehicle geometries by discretising the surfaces into infinitesimal flat elements. This enables the application of standard irradiance models to estimate the direct, diffuse, and reflected components on each element. To account for the effects of the surrounding environment, the thesis introduces a set of irradiance factors that quantify the impact of urban elements on each component of irradiance. These factors are derived from hemispheric images, which can be obtained either from real fisheye cameras, Google Street View imagery, or virtually generated from urban scenes reconstructed using LiDAR data. This approach enables accurate quantification of the impact of shading on the direct irradiance component, the obstruction effect on the sky diffuse irradiance, and the contribution from ground and environmental reflections. The methodology is experimentally validated through a dedicated measurement campaign, showing strong agreement between modelled and observed effective irradiance on vehicle surfaces. Building upon the irradiance modelling framework, the thesis explores PV power modelling based on the single diode model. Particular attention is given to the influence of both PV technology and PV topology (specifically, the type of PV cells, the module layout, and interconnection strategies) on system performance. These factors are shown to play a critical role in determining energy yield, especially under non-uniform irradiance conditions. Subsequently, a case study involving an EV parked near an office building is presented to evaluate different module topologies under partial shading scenarios. The results demonstrate how selecting the appropriate module topology can significantly enhance energy generation, even under suboptimal conditions. Finally, the complete methodology is integrated into a dedicated software tool designed for VIPV system assessment. The tool includes different modules for irradiance calculation, power modelling, and module topology optimisation, providing a flexible platform for researchers and engineers. In conclusion, this thesis proposes a validated and adaptable modelling framework that addresses the specific challenges of VIPV systems. It contributes new tools and insights to support the design and optimisation of more efficient and robust VIPV solutions for sustainable mobility. RESUMEN La tecnología Vehicle-Integrated PhotoVoltaics (VIPV) surge como una solución innovadora para mejorar la eficiencia energética y sostenibilidad de los vehículos eléctricos. Al incorporar módulos fotovoltaicos directamente sobre la carrocería, VIPV permite generar energía solar a bordo, disminuyendo la necesidad de recargas externas, reduciendo la presión sobre la red eléctrica, abaratando los costos operativos y contribuyendo a la reducción de emisiones contaminantes a lo largo del ciclo de vida del vehículo. No obstante, la evaluación precisa del rendimiento de estos sistemas es compleja debido a factores como la curvatura de las superficies del vehículo, su movimiento constante y la influencia dinámica del entorno urbano en el recurso solar disponible. Por ello, el propósito de esta tesis es desarrollar una metodología integral que permita modelar el comportamiento de sistemas VIPV en condiciones reales. Para ello, se estudian los principios básicos del modelado de la irradiancia solar y se identifican las limitaciones de los métodos tradicionales bajo el contexto VIPV. Se adaptan los modelos existentes de transposición de radiación solar para superficies curvas mediante la división de la superficie fotovoltaica en múltiples infinitesimales planos, posibilitando así la aplicación de modelos estándar que permiten calculan las componentes directa, difusa y reflejada de la irradiancia sobre cada elemento. Con el fin de incluir el impacto del entorno urbano, se definen factores de irradiancia que reflejan la influencia de obstáculos urbanos sobre cada componente solar. Estos factores se obtienen a partir de imágenes hemisféricas capturadas con cámaras ojo de pez, imágenes de Google Street View o modelos urbanos tridimensionales generados con datos LiDAR. Esta estrategia permite cuantificar con precisión la reducción por sombreado sobre la irradiancia directa, la obstrucción sobre la irradiancia difusa del cielo y la componente reflejada por el suelo y el entorno. La metodología propuesta se valida mediante una campaña experimental que confirma la alta correlación entre los valores modelados y los medidos en la superficie del vehículo. Partiendo de esta metodología, se aborda el modelado de la generación eléctrica fotovoltaica mediante el modelo de diodo único, considerando la influencia crítica que tienen la tecnología fotovoltaica empleada y la topología del módulo, incluyendo el tipo de células, su disposición en el módulo y las estrategias de interconexión, especialmente bajo condiciones de irradiancia no uniforme. Como aplicación práctica, se presenta un estudio de caso con un vehículo estacionado junto a un edificio de oficinas, evaluando diversas configuraciones de módulo bajo condiciones de sombreado parcial. Los resultados demuestran que la elección adecuada de la topología permite maximizar la generación energética incluso en escenarios desfavorables, como los casos de sombreado parcial. Finalmente, la metodología completa se integra en una herramienta de software diseñada para facilitar la evaluación y optimización de sistemas VIPV, incluyendo módulos para el cálculo de irradiancia, modelado de potencia y optimización de configuraciones de módulo, dirigida a investigadores y profesionales del área. En síntesis, esta tesis ofrece un marco metodológico validado y adaptable que afronta los retos específicos de los sistemas VIPV, aportando recursos y conocimiento que apoyan el diseño y la mejora de soluciones más eficientes y robustas para una movilidad sostenible.