Analysis of the Contribution of Vertical Façade Photovoltaic Applications to Rooftop PV Generation in Istanbul Using PVGIS Based Simulation

Abstract

In Istanbul, where urban development is characterized by high-density vertical growth, a significant portion of the existing building stock is not well suited for rooftop solar photovoltaic (PV) installations due to limited roof area, architectural constraints, and structural limitations. In contrast, building façades represent a largely untapped resource for urban renewable energy generation, especially as the cost of PV technologies has declined substantially in recent years. This study aims to quantitatively assess the potential contribution of vertical façade-integrated PV systems to overall on-site energy production in the context of Istanbul, where tall and aging buildings dominate the urban landscape and usable rooftop surfaces are scarce. Using PVGIS-SARAH3 irradiance data, a three-year simulation (2021–2023) was conducted for the coordinates of Yıldız Technical University’s Davutpaşa Campus. Two configurations were analyzed: (i) a 1 kW rooftop PV system oriented horizontally at 0° tilt, and (ii) a 1 kW vertical PV system mounted at 90° tilt facing the South–Southwest direction (azimuth: 45°). A system loss factor of 14% was applied to both configurations, and hourly irradiance-derived power values were used to calculate daily, monthly, and annual energy production. The results show that vertical PV systems can achieve remarkably high annual performance under Istanbul’s climatic conditions, reaching 70.8% of the total annual production of the horizontal system. Over the three-year period, the horizontal installation produced 3572.2 kWh, while the vertical façade system produced 2530.4 kWh. Notably, during winter months when solar altitude is lower, the vertical system occasionally outperformed the horizontal configuration. These findings indicate that vertical PV installations can play a significant complementary role to rooftop PV, particularly during autumn and winter, thereby contributing to a more balanced annual production profile. Given Istanbul’s limited roof availability and high-rise urban fabric, these results provide strong technical motivation for incorporating façade-integrated PV into building energy strategies. In real applications, the ratio of rooftop to façade PV capacity will vary from building to building; thus, system design and investment decisions should be optimized according to architectural, orientational, and operational conditions. Future research may include long term experimental measurements at similar coordinates to validate simulation outcomes and extended simulations involving multi-aspect façade orientations. Such investigations would enable the development of a practical dataset for comparing real-world deviations from modeled performance.

Keywords

• BIPV
• Vertical PV
• Façade Photovoltaics
• PVGIS
• Micro-grid

İstanbul’da Çatı Tipi Fotovoltaik Üretime Düşey Cephe Entegre PV Sistemlerinin Katkısının PVGIS Tabanlı Simülasyon ile İncelenmesi

Öz

İstanbul’da kentsel gelişim yüksek yoğunluklu ve dikey büyüme karakteri göstermekte olup, mevcut yapı stokunun önemli bir bölümü sınırlı çatı alanı, mimari kısıtlar ve yapısal sınırlamalar nedeniyle çatı tipi güneş fotovoltaik (PV) sistemlerinin kurulumu için elverişli değildir. Buna karşılık, bina cepheleri kentsel yenilenebilir enerji üretimi açısından büyük ölçüde kullanılmayan bir potansiyel sunmakta olup, özellikle son yıllarda PV teknolojilerinin maliyetlerinde yaşanan belirgin düşüş bu potansiyelin değerlendirilmesini daha da anlamlı kılmaktadır. Bu çalışma, yüksek ve görece yaşlı yapıların baskın olduğu, kullanılabilir çatı yüzeylerinin sınırlı kaldığı İstanbul kentsel bağlamında, düşey cepheye entegre PV sistemlerinin yerinde (on-site) enerji üretimine olası katkısını nicel olarak değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Bu kapsamda, Yıldız Teknik Üniversitesi Davutpaşa Kampüsü koordinatları için PVGIS-SARAH3 ışınım verileri kullanılarak 2021–2023 yıllarını kapsayan üç yıllık bir benzetim (simülasyon) gerçekleştirilmiştir. Çalışmada iki farklı konfigürasyon incelenmiştir: (i) 0° eğim açısına sahip, yatay konumlandırılmış 1 kW gücünde bir çatı PV sistemi ve (ii) 90° eğim açısıyla Güney–Güneybatı yönüne (azimut: 45°) bakan, düşey olarak monte edilmiş 1 kW gücünde bir cephe PV sistemi. Her iki konfigürasyon için %14 oranında sistem kayıp faktörü uygulanmış; saatlik ışınım verilerinden türetilen güç değerleri kullanılarak günlük, aylık ve yıllık enerji üretimleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar, İstanbul’un iklim koşulları altında düşey PV sistemlerinin dikkat çekici derecede yüksek yıllık performans gösterebildiğini ve yatay sistemin toplam yıllık üretiminin %70,8’ine ulaştığını ortaya koymaktadır. Üç yıllık dönem boyunca yatay çatı sistemi toplam 3572,2 kWh enerji üretirken, düşey cephe PV sistemi 2530,4 kWh üretim sağlamıştır. Özellikle güneş yükseklik açısının düşük olduğu kış aylarında, düşey sistemin bazı dönemlerde yatay konfigürasyonu geride bıraktığı gözlenmiştir. Bu bulgular, düşey PV uygulamalarının özellikle sonbahar ve kış aylarında çatı tipi PV sistemlerini tamamlayıcı önemli bir rol üstlenebileceğini ve yıllık üretim profilinin daha dengeli hale getirilmesine katkı sağlayabileceğini göstermektedir. İstanbul’un sınırlı çatı alanları ve yüksek katlı kentsel dokusu göz önüne alındığında, elde edilen sonuçlar bina enerji stratejilerine cepheye entegre PV sistemlerinin dâhil edilmesi yönünde güçlü bir teknik gerekçe sunmaktadır. Gerçek uygulamalarda çatı ve cephe PV kapasitesi arasındaki oran yapıdan yapıya değişkenlik göstereceğinden, sistem tasarımı ve yatırım kararlarının mimari özellikler, yönlenme ve işletme koşulları dikkate alınarak optimize edilmesi gerekmektedir. Gelecek çalışmalarda, benzetim sonuçlarının doğrulanması amacıyla benzer koordinatlarda uzun dönemli deneysel ölçümlerin gerçekleştirilmesi ve çok yönlü cephe konfigürasyonlarını içeren genişletilmiş benzetimlerin yapılması önerilmektedir. Bu tür çalışmalar, modellenmiş performans ile gerçek saha verileri arasındaki sapmaların karşılaştırılmasına olanak tanıyan pratik bir veri setinin oluşturulmasını mümkün kılacaktır.

Anahtar Kelimeler

• BIPV
• Vertical PV
• Façade Photovoltaics
• PVGIS
• Micro-grid

Kaynakça

1. Batista, F., Guimarães, A. S., & Palmero-Marrero, A. I. (2025). Building Integrated Photovoltaics: a multi-level design review for optimized implementation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 220, 115837. https://doi.org/10.1016/j.rser.2025.115837
2. Hamidi, S., & Asfour, O. S. (2025). Design strategies for building-integrated photovoltaics in high-rise buildings: A systematic review. Architecture, 5(4), 118. https://doi.org/10.3390/architecture5040118
3. Abojela, Z. R. K., Desa, M. K. M., & Sabry, A. H. (2023). Current prospects of building-integrated solar PV systems and the application of bifacial PVs. Frontiers in Energy Research, 11, 1164494. https://doi.org/10.3389/fenrg.2023.1164494
4. Göksu, A. U., & Zorer Gedik, G. (2023). The effect of CIS building-integrated photovoltaics as a shading device on building life cycle energy performance. International Journal of Sustainable Energy, 42(1), 575–593. https://doi.org/10.1080/14786451.2023.2217943
5. Ottenburger, S. S., Cox, R., Chowdhury, B. H., et al. (2024). Sustainable urban transformations based on integrated microgrid designs. Nature Sustainability, 7, 1058–1068. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01395-7
6. Kempton, W., & Tomić, J. (2005). Vehicle-to-grid power fundamentals: Calculating capacity and net revenue. Journal of Power Sources, 144(1), 268–279. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.12.025
7. European Commission, Joint Research Centre. (2024). Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS). https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/ (Accessed 01.01.2026)
8. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. (2024). Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası (GEPA). https://gepa.enerji.gov.tr/ (Accessed 01.01.2026)

9. International Energy Agency. (2023). Renewables 2023. IEA. https://www.iea.org/reports/renewables-2023 (Accessed 01.01.2026)
10. Smith, A. R., Ghamari, M., Velusamy, S., & Sundaram, S. (2024). Thin-Film Technologies for Sustainable Building-Integrated Photovoltaics. Energies, 17(24), 6363. https://doi.org/10.3390/en17246363