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Sistemas fotovoltaicos integrados en edificios

La torre CIS en Manchester , Inglaterra, fue revestida con paneles fotovoltaicos a un costo de 5,5 millones de libras esterlinas. Comenzó a suministrar electricidad a la red nac...

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La torre CIS en Manchester , Inglaterra, fue revestida con paneles fotovoltaicos a un costo de 5,5 millones de libras esterlinas. Comenzó a suministrar electricidad a la red nacional en noviembre de 2005.
La sede central de Apple Inc. , en California. El tejado está cubierto de paneles solares.

Los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios ( BIPV ) son materiales fotovoltaicos que se utilizan para reemplazar los materiales de construcción convencionales en partes de la envolvente del edificio, como el techo, las claraboyas o las fachadas. [ 1 ] Cada vez se incorporan más a la construcción de edificios nuevos como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica, aunque los edificios existentes pueden ser rehabilitados con tecnología similar. La ventaja de los sistemas fotovoltaicos integrados sobre los sistemas no integrados más comunes es que el costo inicial puede compensarse al reducir la cantidad gastada en materiales de construcción y mano de obra que normalmente se usarían para construir la parte del edificio que reemplazan los módulos BIPV. Además, los BIPV permiten una adopción solar más generalizada cuando la estética del edificio es importante y los paneles solares tradicionales montados en bastidores alterarían el aspecto deseado del edificio.

El término sistemas fotovoltaicos integrados en edificios ( BAPV , por sus siglas en inglés) se utiliza a veces para referirse a sistemas fotovoltaicos que se instalan posteriormente, es decir, que se integran en el edificio una vez finalizada la construcción. La mayoría de las instalaciones integradas en edificios son, de hecho, BAPV. Algunos fabricantes y constructores diferencian los sistemas BIPV de nueva construcción de los BAPV. [ 2 ]

Historia

Las aplicaciones fotovoltaicas para edificios comenzaron a aparecer en la década de 1970. Los módulos fotovoltaicos con marco de aluminio se conectaban o montaban en edificios que generalmente se encontraban en áreas remotas sin acceso a la red eléctrica. En la década de 1980, comenzaron a demostrarse los módulos fotovoltaicos adicionales para techos. Estos sistemas fotovoltaicos generalmente se instalaban en edificios conectados a la red eléctrica en áreas con centrales eléctricas centralizadas. En la década de 1990, los productos de construcción BIPV diseñados específicamente para integrarse en la envolvente de un edificio se volvieron disponibles comercialmente. [ 3 ] Una tesis doctoral de 1998 de Patrina Eiffert, titulada " Una evaluación económica de BIPV" , planteó la hipótesis de que algún día habría un valor económico para el comercio de Certificados de Energía Renovable (RECs). [ 4 ] Una evaluación económica de 2011 y una breve descripción general de la historia de BIPV por parte del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. sugieren que puede haber desafíos técnicos importantes que superar antes de que el costo de instalación de BIPV sea competitivo con los paneles fotovoltaicos. [ 5 ] Sin embargo, existe un consenso creciente de que, a través de su comercialización generalizada, los sistemas BIPV se convertirán en la columna vertebral del objetivo europeo de edificios de energía cero (ZEB) para 2020. [ 6 ] A pesar de la promesa técnica, también se han identificado barreras sociales para su uso generalizado, como la cultura conservadora de la industria de la construcción y la integración con el diseño urbano de alta densidad. Estos autores sugieren que la posibilitación del uso a largo plazo probablemente dependa tanto de decisiones políticas públicas efectivas como del desarrollo tecnológico. [ 7 ]

Muro fotovoltaico cerca de Barcelona, ​​España
Marquesina solar fotovoltaica para aparcamiento, Universidad Autónoma de Madrid, España

Formularios

Sistema BIPV CoolPly de 525 kilovatios, ganador del premio Energy Project Award 2009, fabricado por SolarFrameWorks, Co. en el complejo Patriot Place, junto al estadio Gillette en Foxborough, Massachusetts. El sistema está instalado sobre una membrana de cubierta monocapa en un techo plano, sin necesidad de perforaciones.
Fachada solar BAPV en un edificio municipal ubicado en Madrid ( España ).
Tejas solares fotovoltaicas de película delgada integradas en edificios de United Solar Ovonic

La mayoría de los productos BIPV utilizan una de dos tecnologías: células solares cristalinas (c-SI) o células solares de película delgada. Las tecnologías c-SI comprenden obleas de silicio cristalino de una sola célula que generalmente operan con una eficiencia mayor que las células de película delgada, pero son más costosas de producir. [ 8 ] Las aplicaciones de estas dos tecnologías se pueden clasificar en cinco tipos principales de productos BIPV: [ 8 ]

  1. Sistemas estándar para instalación en techos. Estos generalmente consisten en tiras de células fotovoltaicas.
  2. Sistemas semitransparentes. Estos productos se utilizan normalmente en invernaderos o en aplicaciones de clima frío donde la energía solar debe captarse y permitirse al mismo tiempo el paso de la energía solar al interior del edificio.
  3. Sistemas de revestimiento. Existe una amplia gama de estos sistemas; su característica común es su aplicación vertical en la fachada de un edificio.
  4. Tejas y láminas solares. Estos son los sistemas BIPV más comunes, ya que pueden sustituir fácilmente a los revestimientos de techo de tejas convencionales.
  5. Laminados flexibles. Generalmente se adquieren en forma de láminas delgadas y se pueden adherir a una variedad de superficies, principalmente cubiertas.

Con la excepción de los laminados flexibles, cada una de las categorías anteriores puede utilizar tecnologías c-SI o de película delgada, si bien estas últimas solo son aplicables a los laminados flexibles; esto hace que los productos BIPV de película delgada sean ideales para aplicaciones de diseño avanzadas que tengan un aspecto cinético.

Entre las cinco categorías, los productos BIPV se pueden aplicar en una variedad de escenarios: techos inclinados, techos planos, techos curvos, fachadas semitransparentes, tragaluces, sistemas de sombreado, paredes exteriores y muros cortina, siendo los techos planos e inclinados los más idóneos para la captación de energía solar. [ 8 ] Las gamas de productos BIPV para techos y sistemas de sombreado se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones residenciales, mientras que los sistemas para paredes y revestimientos se utilizan con mayor frecuencia en entornos comerciales. [ 9 ] En general, los sistemas BIPV para techos tienen actualmente una mayor cuota de mercado y suelen ser más eficientes que los sistemas BIPV para fachadas y revestimientos debido a su orientación hacia el sol. [ 9 ]

Los módulos fotovoltaicos integrados en edificios están disponibles en varias formas:

  • techos planos
    • La tecnología más extendida hasta la fecha es una célula solar de película delgada amorfa integrada en un módulo de polímero flexible , el cual se ha fijado a la membrana del techo mediante una lámina adhesiva entre la lámina posterior del módulo solar y la membrana. La tecnología de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) ahora ofrece una eficiencia celular del 17%, producida por una empresa estadounidense [ 10 ] , y eficiencias comparables en módulos integrados en edificios con membranas monocapa de TPO, gracias a la fusión de estas células realizada por una empresa británica [ 11 ] .
  • Techos a dos aguas
    • Las tejas solares son tejas ( de cerámica ) con módulos solares integrados. La teja solar de cerámica fue desarrollada y patentada por una empresa holandesa [ 12 ] en 2013.
    • Módulos con forma de tejas múltiples.
    • Las tejas solares son módulos diseñados para tener el aspecto y el funcionamiento de las tejas convencionales, a la vez que incorporan una célula de película delgada y flexible.
    • Prolonga la vida útil normal del techo al proteger el aislamiento y las membranas de los rayos ultravioleta y la degradación por agua. Esto se logra eliminando la condensación, ya que el punto de rocío se mantiene por encima de la membrana del techo. [ 13 ]
  • Los techos metálicos inclinados (tanto estructurales como arquitectónicos) ahora se están integrando con la funcionalidad fotovoltaica ya sea mediante la unión de un módulo flexible independiente [ 15 ] o mediante el sellado térmico y al vacío de las celdas CIGS directamente sobre el sustrato [ 16 ].
  • Fachada
    • Se pueden instalar fachadas en edificios existentes, dándoles un aspecto totalmente nuevo. Estos módulos se montan en la fachada del edificio, sobre la estructura existente, lo que puede aumentar el atractivo del edificio y su valor de reventa. [ 17 ]
  • Acristalamiento
    • Las ventanas fotovoltaicas son módulos (semi)transparentes que pueden utilizarse para reemplazar diversos elementos arquitectónicos fabricados habitualmente con vidrio o materiales similares, como ventanas y claraboyas. Además de generar energía eléctrica, permiten un mayor ahorro energético gracias a sus excelentes propiedades de aislamiento térmico y control de la radiación solar.
  • Vidrieras fotovoltaicas : La integración de tecnologías de captación de energía en hogares y edificios comerciales ha abierto nuevas áreas de investigación que priorizan la estética del producto final. Si bien el objetivo sigue siendo mantener altos niveles de eficiencia, los nuevos desarrollos en ventanas fotovoltaicas también buscan ofrecer a los consumidores niveles óptimos de transparencia del vidrio y/o la posibilidad de elegir entre una gama de colores. Los paneles solares de vidrieras de diferentes colores pueden diseñarse de forma óptima para absorber rangos específicos de longitudes de onda del espectro más amplio. Se han desarrollado con éxito vidrios fotovoltaicos de color utilizando células solares semitransparentes, de perovskita y sensibilizadas con colorantes.
    • Se han creado células solares plasmónicas que absorben y reflejan luz de color con la tecnología de etalón Fabry-Pérot. Estas células están compuestas por "dos películas metálicas reflectantes paralelas y una película de cavidad dieléctrica entre ellas". [ 18 ] Los dos electrodos están hechos de Ag y la cavidad entre ellos es de Sb 2 O 3. Modificar el espesor y la refractancia de la cavidad dieléctrica cambia la longitud de onda que se absorberá de manera óptima. Hacer coincidir el color del vidrio de la capa de absorción con la porción específica del espectro que el espesor y el índice de refracción de la célula están mejor ajustados para transmitir mejora la estética de la célula al intensificar su color y ayuda a minimizar las pérdidas de fotocorriente. Se logró una transmitancia del 34,7 % y del 24,6 % en dispositivos de luz roja y azul, respectivamente. Los dispositivos azules pueden convertir el 13,3 % de la luz absorbida en energía, lo que los convierte en los más eficientes entre todos los dispositivos de color desarrollados y probados.
    • La tecnología de células solares de perovskita se puede ajustar a rojo, verde y azul cambiando el grosor del nanocable metálico a 8, 20 y 45 nm respectivamente. [ 19 ] Se lograron eficiencias de potencia máximas del 10,12 %, 8,17 % y 7,72 % al hacer coincidir la reflectancia del vidrio con la longitud de onda que la célula específica está diseñada para transmitir de manera óptima.
    • Las células solares sensibilizadas con colorantes emplean electrolitos líquidos para capturar la luz y convertirla en energía utilizable; esto se logra de manera similar a como los pigmentos naturales facilitan la fotosíntesis en las plantas. Si bien la clorofila es el pigmento específico responsable de producir el color verde en las hojas, otros colorantes que se encuentran en la naturaleza, como los carotenoides y las antocianinas, producen variaciones de color naranja y púrpura. [ 20 ] Investigadores de la Universidad de Concepción han demostrado la viabilidad de las células solares coloreadas sensibilizadas con colorantes que aparecen y absorben selectivamente longitudes de onda específicas de luz. [ 21 ] Esta solución de bajo costo utiliza pigmentos naturales extraídos del fruto del maqui, el mirto negro y la espinaca como sensibilizadores. Estos sensibilizadores naturales se colocan entre dos capas de vidrio transparente. Si bien los niveles de eficiencia de estas células de bajo costo aún no están claros, investigaciones anteriores en células de colorantes orgánicos han logrado una "alta eficiencia de conversión de energía del 9,8 %". [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

Paneles fotovoltaicos transparentes y translúcidos

Los paneles solares transparentes utilizan un recubrimiento de óxido de estaño en la superficie interna de los paneles de vidrio para conducir la corriente fuera de la celda. La celda contiene óxido de titanio recubierto con un tinte fotoeléctrico . [ 25 ]

La mayoría de las células solares convencionales utilizan luz visible e infrarroja para generar electricidad. En cambio, la nueva e innovadora célula solar también utiliza radiación ultravioleta. Al utilizarse para reemplazar el vidrio de las ventanas convencionales o colocarse sobre él, la superficie de instalación podría ser grande, lo que abre la puerta a posibles usos que aprovechan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.

Otro nombre para las células fotovoltaicas transparentes es "células fotovoltaicas translúcidas" (transmiten la mitad de la luz que incide sobre ellas). Al igual que las células fotovoltaicas inorgánicas, las orgánicas también pueden ser translúcidas.

Tipos de paneles fotovoltaicos transparentes y translúcidos

No selectivo en longitud de onda

Algunos sistemas fotovoltaicos no selectivos en longitud de onda logran la semitransparencia mediante la segmentación espacial de células solares opacas. Este método utiliza cualquier tipo de célula fotovoltaica opaca y distribuye varias células pequeñas sobre un sustrato transparente. Esta distribución reduce drásticamente la eficiencia de conversión de energía, a la vez que aumenta la transmisión. [ 26 ]

Otra rama de la fotovoltaica no selectiva en longitud de onda utiliza semiconductores de película delgada que absorben luz visible, con espesores pequeños o brechas de banda lo suficientemente grandes como para permitir el paso de la luz. Esto da como resultado dispositivos fotovoltaicos semitransparentes con una relación de compromiso directa similar entre eficiencia y transmisión que las células solares opacas segmentadas espacialmente. [ 26 ]

Selectivo de longitud de onda

Las células fotovoltaicas selectivas en longitud de onda logran la transparencia mediante el uso de materiales que solo absorben luz UV y/o NIR, y se demostraron por primera vez en 2011. [ 27 ] A pesar de su mayor transmisión, se han obtenido menores eficiencias de conversión de potencia debido a diversos desafíos. Estos incluyen longitudes de difusión de excitones pequeñas, la miniaturización de electrodos transparentes sin comprometer la eficiencia y la vida útil general debido a la volatilidad de los materiales orgánicos utilizados en las células fotovoltaicas termoplásticas en general. [ 26 ]

Innovaciones en energía fotovoltaica transparente y translúcida

Los primeros intentos de desarrollar células fotovoltaicas orgánicas semitransparentes no selectivas en longitud de onda, utilizando capas activas muy delgadas que absorbían en el espectro visible, solo lograron eficiencias inferiores al 1%. [ 28 ] Sin embargo, en 2011, las células fotovoltaicas orgánicas transparentes que utilizaban un donante de ftalocianina de cloroaluminio orgánica (ClAlPc) y un aceptor de fullereno exhibieron absorción en el espectro ultravioleta e infrarrojo cercano (NIR) con eficiencias de alrededor del 1,3% y una transmisión de luz visible de más del 65%. [ 27 ] En 2017, investigadores del MIT desarrollaron un proceso para depositar con éxito electrodos de grafeno transparentes sobre células solares orgánicas, lo que resultó en una transmisión de luz visible del 61% y eficiencias mejoradas que oscilaban entre el 2,8% y el 4,1%. [ 29 ]

Las células solares de perovskita , populares por su potencial como células fotovoltaicas de próxima generación con eficiencias superiores al 25%, también han demostrado ser prometedoras como células fotovoltaicas translúcidas. En 2015, una célula solar de perovskita semitransparente que utilizaba una perovskita de triyoduro de plomo y metilamonio y un electrodo superior de malla de nanocables de plata demostró una transmisión del 79% a una  longitud de onda de 800 nm y eficiencias de alrededor del 12,7%. [ 30 ]

Subvenciones gubernamentales

En algunos países, se ofrecen incentivos o subsidios adicionales para la energía fotovoltaica integrada en edificios, además de las tarifas de alimentación existentes para sistemas solares independientes. Desde julio de 2006, Francia ofreció el mayor incentivo para la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV), equivalente a una prima adicional de 0,25 EUR/kWh que se paga además de los 30 céntimos de euro para los sistemas fotovoltaicos. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Estos incentivos se ofrecen en forma de una tarifa que se paga por la electricidad inyectada a la red.

Europa

  • Francia 0,25 €/kWh [ 32 ]
  • La bonificación de 0,05 €/kWh para fachadas en Alemania expiró en 2009.
  • Italia 0,04 €–0,09 €/kWh
  • Reino Unido 4,18 p/kWh [ 34 ]
  • España, en comparación con una instalación no edificada que recibe 0,28 €/kWh (RD 1578/2008):
    • ≤20  kW: 0,34 €/kWh
    • >20  kW: 0,31 €/kWh

Estados Unidos

  • Estados Unidos – Varía según el estado. Consulte la base de datos de incentivos estatales para energías renovables y eficiencia energética para obtener más detalles. [ 35 ]

Porcelana

Tras el anuncio en marzo de 2009 de un programa de subvenciones para proyectos BIPV que ofrecía 20 RMB por vatio para sistemas BIPV y 15 RMB/vatio para sistemas en azoteas, el gobierno chino presentó recientemente un programa de subvenciones para energía fotovoltaica denominado "Proyecto Demostrativo Sol Dorado". El programa de subvenciones tiene como objetivo apoyar el desarrollo de proyectos de generación de electricidad fotovoltaica y la comercialización de la tecnología fotovoltaica. El Ministerio de Finanzas, el Ministerio de Ciencia y Tecnología y la Oficina Nacional de Energía anunciaron conjuntamente los detalles del programa en julio de 2009. [ 36 ] Los proyectos de generación de electricidad fotovoltaica conectados a la red que cumplan los requisitos, incluidos los sistemas en azoteas, BIPV y los sistemas instalados en tierra, tienen derecho a recibir una subvención equivalente al 50 % de la inversión total de cada proyecto, incluida la infraestructura de transmisión asociada. Los proyectos independientes fuera de la red que cumplan los requisitos en zonas remotas podrán optar a subvenciones de hasta el 70 % de la inversión total. [ 37 ] A mediados de noviembre, el Ministerio de Finanzas de China seleccionó 294 proyectos que suman un total de 642 megavatios, con un costo aproximado de 20 mil millones de RMB (3 mil millones de dólares), para su plan de subsidios destinado a impulsar drásticamente la producción de energía solar del país. [ 38 ]

Otros sistemas fotovoltaicos integrados

Los sistemas fotovoltaicos integrados en vehículos (ViPV) son similares para los vehículos. [ 39 ] Las células solares podrían integrarse en paneles expuestos a la luz solar, como el capó, el techo y posiblemente el maletero, dependiendo del diseño del automóvil. [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Desafíos

Actuación

Debido a que los sistemas BIPV generan energía in situ y se integran en la envolvente del edificio, la potencia de salida y las propiedades térmicas del sistema son los dos indicadores de rendimiento principales. Los sistemas BIPV convencionales tienen una menor capacidad de disipación de calor que los sistemas fotovoltaicos montados en bastidor, lo que provoca que los módulos BIPV experimenten temperaturas de funcionamiento más elevadas. Las temperaturas elevadas pueden degradar el material semiconductor del módulo, disminuyendo la eficiencia de salida y precipitando fallos prematuros. [ 44 ] Además, la eficiencia de los sistemas BIPV es sensible a las condiciones climáticas, y el uso de sistemas BIPV inadecuados también puede reducir su eficiencia de producción de energía. [ 44 ] En términos de rendimiento térmico, las ventanas BIPV pueden reducir la carga de refrigeración en comparación con las ventanas convencionales de vidrio transparente, pero pueden aumentar la carga de calefacción del edificio. [ 45 ]

Costo

La elevada inversión inicial en sistemas BIPV es una de las mayores barreras para su implementación. [ 44 ] Además del costo inicial de adquisición de componentes BIPV, la naturaleza altamente integrada de estos sistemas aumenta la complejidad del diseño del edificio, lo que a su vez incrementa los costos de diseño y construcción. [ 44 ] Asimismo, la escasez de profesionales con poca experiencia conlleva mayores costos laborales en el desarrollo de proyectos BIPV. [ 44 ]

Política y regulación

Aunque muchos países cuentan con políticas de apoyo para la energía fotovoltaica, la mayoría no ofrece beneficios adicionales para los sistemas BIPV. [ 44 ] Además, los sistemas BIPV suelen tener que cumplir con las normas de la industria de la construcción y la energía fotovoltaica, lo que impone mayores exigencias a su implementación. Asimismo, las políticas gubernamentales de precios más bajos para la energía convencional reducen los beneficios de los sistemas BIPV, lo cual es particularmente evidente en países donde el precio de la electricidad convencional es muy bajo o está subvencionado por los gobiernos, como en los países del CCG. [ 44 ] [ 46 ]

Comprensión pública

Los estudios muestran que el conocimiento público sobre la integración fotovoltaica en edificios (BIPV) es limitado y que, en general, se considera que su coste es demasiado elevado. Profundizar en la comprensión pública de la BIPV a través de diversos canales públicos (por ejemplo, políticas, participación comunitaria y edificios de demostración) probablemente sea beneficioso para su desarrollo a largo plazo. [ 44 ]

Véase también

Referencias

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  38. ↑ Wang, Ucilia (16 de noviembre de 2009). "Aquí llegan los proyectos 'Sol Dorado' de China por valor de 3.000 millones de dólares" . Greentech Media . Consultado el 5 de octubre de 2011 .
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Lecturas adicionales

  • Agrawal, Basant; Tiwari, GN (2011). Sistemas fotovoltaicos térmicos integrados en edificios . Cambridge, Reino Unido: Royal Society of Chemistry. ISBN 978-1-84973-090-7.
  • Warrick, Joby (marzo de 2015). "Las empresas de servicios públicos, al percibir la amenaza, presionan a la floreciente industria de los techos solares" . The Washington Post .
  • Sistemas fotovoltaicos integrados en edificios: una visión general de los productos existentes y sus campos de aplicación.
  • Red Canadiense de Investigación sobre Edificios Solares
  • Sistemas fotovoltaicos integrados en edificios
  • Plataforma en línea integrada de energía fotovoltaica del edificio de investigación EURAC
  • PV UP-SCALE , un proyecto financiado por la Unión Europea (contrato EIE/05/171/SI2.420208) relacionado con la implementación a gran escala de la energía fotovoltaica (FV) en ciudades europeas.
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