Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- David Martín Jiménez, Departamento de I+D+i, Onyx Solar Energy
- Elena Rico Rodriguez, Departamento de I+D+i, Onyx Solar Energy
- Teodosio del Caño González, Director Técnico, Onyx Solar Energy
- Juan Luis Lechón, Departamento Técnico, Onyx Solar Energy
Resumen
En esta comunicación se presentan los resultados y conclusiones más relevantes del proyecto REELCOOP, correspondiente al Séptimo Programa Marco europeo y coordinado por la Universidad de Oporto, donde la empresa Onyx Solar junto con otros socios ha desarrollado una metodología para predecir y analizar el comportamiento de las tecnologías de integración fotovoltaica en edificios (BIPV) en países de la región MENA (Oriente Medio y Norte de África). Esta metodología cubre varios escalones, desde simulaciones numéricas llevadas a cabo con el modelo TRNSYS hasta el diseño optimizado, implementación y monitorización de prototipos de fachada ventilada a escala reducida en la Universidad de Reading (Reino Unido) y a escala real en un edificio demostrativo situado en la Universidad de Yasar, Izmir (Turquía).
Introducción
El porcentaje de energías renovables en relación al total de generación eléctrica se espera que incremente hasta un 40% en 2020 con objeto de cumplir los objetivos de la UE en cuanto a consumo de energía procedente de renovables (20% del consumo total), valor que se planea incrementar aún más (hasta 66% en 2030 y 100% en 2050) de acuerdo con el European Energy Council (EREC, 2010). Las tecnologías que se prevé que tendrán una mayor tasa de crecimiento de 2020 a 2050 son la solar Fotovoltaica y solar de concentración.
El SET-Plan de la UE (European Commission, 2007) estableció como prioridades tecnológicas para el año 2020 demostrar el grado de preparación de cara a mercado de las tecnologías mencionadas, tanto a gran escala como a pequeña escala y como recursos descentralizados. Esto quiere decir que se planea cubrir las demandas de consumo eléctrico no solamente con una solución en particular sino con varios sistemas de generación operando en conjunto tanto a pequeña como a gran escala.
En general, para hacer frente a todos los objetivos marcados en cuanto a generación renovable, tanto a nivel europeo como a nivel mundial, es necesario un gran esfuerzo de difusión de las tecnologías propuestas. Esto incluye la participación de países en regiones con elevados recursos potenciales para el desarrollo de las energías renovables, como la región MENA. Por tanto, debe hacerse especial hincapié en promover actividades de I+D+i encaminadas al desarrollo de estas tecnologías en estas regiones.
El Proyecto
El objetivo general del proyecto REELCOOP (7PM Grant Agreement No. 608466., 2013) es mejorar significativamente la cooperación en investigación y creación de conocimiento en cuanto a generación energética renovable, involucrando socios de países mediterráneos (MPC) y desarrollando nuevos sistemas y métodos para estos fines. Los sistemas propuestos están siendo desarrollados por organizaciones europeas en colaboración con socios MPC y testeados bajo condiciones reales en la región MENA, estableciendo de este modo una red de cooperación entre estos países socios.
Dentro de este enfoque general, uno de los objetivos del proyecto es el diseño y la construcción de un sistema fotovoltaico integrado en una fachada ventilada. Para conseguir esto, se ha evaluado experimentalmente el comportamiento eléctrico y térmico de las tecnologías fotovoltaicas de silicio cristalino (c-Si) y dye-sensitized solar cells (DSC). El comportamiento de la fachada ventilada fue evaluado utilizando simulación numérica y experimental mediante la integración de módulos fotovoltaicos en una zona de ensayo localizada en la Universidad de Reading. Después de la verificación de la fiabilidad del modelo numérico utilizando resultados experimentales, éste se utilizó en el diseño y disposición de un prototipo a escala real de fachada ventilada que fue instalado en el campus de la universidad de Yasar. Para identificar la mejor configuración del sistema de fachada se investigaron 24 escenarios diferentes. Finalmente, considerando la eficiencia eléctrica y los parámetros térmicos del sistema en cada escenario, se propuso la solución más apropiada para la instalación del prototipo real en Izmir, Turquía.
Material y métodos
De acuerdo con los objetivos mencionados, en esta sección se resume el proceso de desarrollo, pruebas y validación del prototipo a pequeña escala instalado en la Universidad de Reading. En primer lugar, se fabricaron las unidades correspondientes de vidrio fotovoltaico templado y doble laminado 4mm/4mm de dimensiones 1600mm x 750mm con tecnología de c-Si en las instalaciones de Onyx Solar para ser posteriormente instaladas en el prototipo de fachada ventilada y monitorizadas por la Universidad de Reading.
Las unidades mostraron una potencia pico de 155Wp bajo condiciones STC (Standard Test Conditions). Este valor fue considerado como referencia para las pruebas posteriores en Reading. La Universidad de Reading diseñó un sistema de medición eléctrica basado en micro-inversores con objeto de realizar un seguimiento del rendimiento de generación eléctrica utilizando diferentes configuraciones de la cámara de aire del prototipo de fachada. Se instalaron seis módulos de c-Si y se estudió experimentalmente el comportamiento térmico y eléctrico del sistema. En paralelo se desarrolló un modelo numérico para evaluar los mismos parámetros. Finalmente, el modelo desarrollado para la simulación se verificó mediante los resultados experimentales.
Diseño y fabricación de módulos de vidrio fotovoltaico
Los sistemas de integración fotovoltaica BIPV requieren diversas modificaciones en cuanto a la configuración final de los módulos atendiendo a aspectos arquitectónicos. Estas modificaciones suponen poder trabajar con los módulos como si se tratara de elementos de vidrio arquitectónico convencional, lo cual hace más sencilla su integración con sistemas estructurales y de fijación convencionales. Además, utilizando configuraciones vidrio-vidrio se consiguen propiedades de transmisión lumínica y una mayor estabilidad mecánica del conjunto. De esta manera se descartaron para esta parte del proyecto los sistemas basados en marcos de aluminio convencionales, mejorándose además de forma considerable la estética del conjunto. El grado de transparencia final depende de la distancia entre células y de la distancia entre éstas y el borde del vidrio. El proceso de fabricación completo de los módulos BIPV para los prototipos siguió fundamentalmente en los siguientes pasos:
Soldadura automática de células y montaje de series: Las células fueron interconectadas en series mediante las líneas de soldadura automática. Se trata de un proceso automático de interconexión en condiciones de vacío, optimizando la soldadura del material conductor en las células -ribbon- y fijando una temperatura óptima de soldadura. El proceso se lleva a cabo mediante detección de imagen infrarroja y microscópica y medidas del grado de contacto ohmico. De esta manera, los defectos observados en los resultados del proceso de soldadura resultan en un rechazo automático de la serie. No se permite ningún tipo de rotura de célula y la máxima desviación permitida del ribbon a las bus-bar de las células es de +/- 1mm.
Interconexión manual de series: Debido a las dimensiones de las unidades BIPV, es obligatorio conectar las series manualmente. En este sentido, en el procedimiento de interconexión se incluye un chequeo eléctrico y todas las unidades pasan por una nueva inspección visual prestando atención a varios aspectos como la calidad del ribbon, la desviación de las series y la calidad del encapsulante (EVA). Cualquier defecto o desviación respecto a los planos de diseño resultan en un rechazo automático.
Laminación: Una vez interconectadas las series, las unidades de vidrio a laminar se introducen en el laminador. Se inserta un perfil metálico en L como marco del perímetro del vidrio, permitiendo una perfecta alineación y minimizando el estrés mecánico del vidrio. La receta de laminación fue personalizada para este proyecto a 20 minutos con un ciclo máximo de temperatura de 145°C y 10-2 Torr de presión de vacío. Una vez finalizado el proceso de laminación y enfriadas las unidades se llevó a cabo una nueva inspección visual donde se chequearon aspectos como la perfecta alineación de las células y la ausencia de burbujas de encapsulante. Cualquiera de los defectos mencionados supuso un rechazo del módulo correspondiente.
Instalación final de cajas de conexión y testeo: En este paso las cajas de conexión se instalaron en los terminales de ribbon y sellaron con silicona PV 804 DC. Para finalizar, se verificó el conjunto de procedimientos mediante una nueva inspección visual y testeo eléctrico final.
Diseño y simulación del prototipo a pequeña escala de fachada ventilada
En base a la información técnica preliminar obtenida de los módulos de vidrio fotovoltaico, el rendimiento de la fachada ventilada se simuló en primer lugar bajo diferentes escenarios de montaje. El análisis numérico llevado a cabo con un modelo basado en TRNSYS (University of Wisconsin., 2010) se utilizó para diseñar la configuración de montaje de los módulos más adecuada para el estudio experimental de los mismos en la Universidad de Reading. También se consideró el tamaño de la cavidad de aire entre los módulos fotovoltaicos y la superficie trasera de la fachada existente. De este modo, se estudiaron las medidas de 150mm y 250mm para esta cavidad.
Los resultados de la simulación demostraron que aumentando la distancia de la cavidad de 150 a 250mm se obtiene una media de entre 1.6 y 3.5% de caída de la velocidad del aire en el interior. Esta caída se refleja tanto en la temperatura de la superficie de los vidrios fotovoltaicos (aumentándola) como en la temperatura del aire que escapa de la cavidad por la parte superior de la fachada (disminuyéndola). La temperatura del aire en el interior del hueco aumentó hasta 2.2°C cuando la distancia se aumentó de 150 a 250mm. Además, este aumento en la cavidad tiene influencia en la temperatura del aire que sale por la parte superior de la fachada. Incrementando la profundidad de la cavidad de 150 a 250mm la temperatura del aire que sale por la parte superior se reduce en 2.9 °C. En este caso, la velocidad del aire se reduce, lo que resulta en una menor transferencia de calor por convección entre los módulos y el aire, lo cual es la causa principal del incremento de temperatura de los paneles y el descenso de temperatura en el aire que sale de la cavidad.
La tabla I describe los principales escenarios que se investigaron de manera previa a la instalación del sistema de fachada en Reading y la energía eléctrica generada, para la cual, los resultados de la simulación revelaron que, entre los escenarios estudiados, la configuración de los módulos no tuvo una influencia significante.
Resultados
Resultados experimentales y validación del modelo numérico
En base a los estudios descritos en el apartado anterior y con objeto de investigar el comportamiento térmico y eléctrico de la fachada ventilada fotovoltaica en condiciones reales, se llevó a cabo un estudio experimental en la Universidad de Reading. El experimento incluyó seis módulos de c-Si en dos filas y tres columnas, que fueron instalados en una fachada sur de madera perteneciente a la caseta de pruebas.
El hueco de 150mm entre los módulos y la pared de madera se encuentra ventilado naturalmente, pasando el aire a través de las tres aperturas principales de la fachada (dos en la parte superior e inferior y un hueco horizontal de 10mm entre la primera y segunda fila de vidrios).
El modelo desarrollado para la simulación de la fachada fue validado mediante los resultados experimentales. Comparando la simulación y estos resultados se reveló una buena correlación entre ambas fuentes de datos. En lo que se refiere a la temperatura de la superficie de los módulos, hubo una desviación de 0.8°C de media entre las dos fuentes. Por otro lado, la desviación entre la energía eléctrica real generada y la predicción fue de menos del 6.5%.
El objetivo último de la simulación fue proporcionar la información requerida para el diseño y configuración del prototipo de fachada real en Izmir, Turquía. Para conseguir esto, se necesitó la verificación de la simulación numérica para ser posteriormente usada en la modelización de este prototipo a escala real. Los factores de mayor peso son la energía generada, la temperatura de la superficie de los módulos y la velocidad del aire que pasa a través de la cavidad de aire. Todos estos factores se utilizaron para el proceso de validación. En la siguiente figura (izquierda) se muestra la comparación entre los resultados de la simulación y el experimento. Esta figura muestra una coincidencia bastante cercana entre los resultados de la simulación y los datos reales extraídos con una desviación del 6,5% en la cantidad de energía generada y el valor estimado.
La comparación entre la temperatura en la superficie trasera de los módulos en la simulación y el experimento reveló una buena correlación de resultados. Considerando los seis módulos, existe una media de desviación de 0.8 °C entre las dos fuentes de resultados. La figura 2 (derecha) detalla claramente la diferencia de resultados en cuanto a temperatura de los módulos para el módulo 6. En ella se muestra que la diferencia máxima se da en condiciones de elevada irradiación, donde la predicción es 4°C mayor que los resultados experimentales. Finalmente, la velocidad del aire dentro de la cámara es el factor más complejo a ser tenido en cuenta para la validación de la simulación debido a la naturaleza fluctuante de la velocidad del aire en la cavidad de la fachada. Con objeto de crear una imagen clara y mostrar la tendencia de esta cambiante velocidad, se asocia la función polinómica más adecuada a los resultados experimentales y a los resultados de simulación asociados a uno de los módulos (módulo 5), utilizando el método Least Squares (LS). Teniendo en cuenta esta naturaleza fluctuante del aire en el interior de la cavidad, se llegó a demostrar una correlación razonable entre la simulación y los resultados experimentales para este parámetro.
Diseño y configuración final del prototipo a escala real
En base a la buena correlación entre la simulación y los resultados experimentales, se utilizó esta misma aproximación para el diseño del prototipo real en Izmir. Teniendo en cuenta las configuraciones de las fachadas de varios edificios candidatos se investigaron 24 escenarios diferentes de configuración para la instalación de la fachada ventilada a escala real en el campus de la Universidad de Yasar, Izmir (Turquía). Considerando factores como la ubicación, análisis climáticos, y características fundamentales para la optimización de la energía generada por el sistema BIPV, se hicieron estimaciones preliminares asociadas a la generación energética anual para varias configuraciones y se eligió la configuración final. Las simulaciones no mostraron especial correlación entre las dimensiones de la cavidad de aire y la generación eléctrica. Sin embargo, el flujo de aire sí se vio afectado por este parámetro y las aperturas en fachada.
Finalmente, en base al estudio realizado, se llevó a cabo la instalación compuesta por 48 módulos de silicio mono-cristalino fabricados por Onyx Solar. Cada módulo contiene 36 células de 6” con una eficiencia nominal del 17,6% y una potencia nominal por módulo de 155Wp. Las células se encapsularon con EVA y dos hojas de vidrio laminado de 4mm de grosor. Los módulos tienen las mismas medidas que las utilizadas en el prototipo de Reading sumando un área unitaria de 1,2 m².
La fachada ventilada está compuesta por 48 módulos con un área total de 57.6m² y área efectiva ocupada por células de 40.1m². En total se compone de 4 filas y el hueco de la fachada es de 150mm. La potencia nominal es de 7,44KW. El procedimiento de montaje definido por Onyx Solar permitió una rápida instalación que tan solo se extendió durante 5 días para la fachada y conexiones eléctricas. Se utilizó una caja de conexión por módulo y cuyo cableado se conecta a un inversor trifásico de 7KWp. La instalación se monitoriza online a través de un cable Internet/Ethernet conectado a un puerto de internet. La instalación se finalizó en febrero de 2016 y se monitorizará durante un año completo.
Discusión y conclusiones
El objetivo último de los trabajos descritos fue el diseño, construcción y monitorización de un sistema de fachada ventilada fotovoltaica con tecnología de c-Si, con una configuración optimizada en base a estudios experimentales realizados a pequeña escala y simulaciones numéricas. A continuación se resumen las actividades de investigación y conclusiones más importantes relativas a estos trabajos:
- Las unidades de vidrio fotovoltaico para testeo a pequeña escala en Reading fueron fabricadas, instaladas y monitorizadas con éxito en un prototipo de fachada ventilada ubicado en Reading (Reino Unido).
- En este prototipo se instalaron 6 módulos de tecnología c-Si cuyos parámetros térmicos y eléctricos fueron analizados. En paralelo, se desarrolló un modelo numérico para evaluar estos mismos parámetros.
- El modelo desarrollado para la simulación numérica, basado en TRNSYS, fue verificado con los resultados experimentales. Respecto a la temperatura de la superficie de los módulos, hubo una desviación de 0.8°C de media entre las dos fuentes de datos. Por otro lado, la desviación entre la energía eléctrica real generada y la predicción fue menor del 6.5%.
- En base a la buena correlación entre la simulación y los resultados experimentales, se utilizó esta misma aproximación para el diseño del prototipo real en Izmir. Teniendo en cuenta las configuraciones de las fachadas de varios edificios candidatos se investigaron 24 escenarios diferentes de configuración para la instalación de la fachada ventilada a escala real en el campus de la Universidad de Yasar, Izmir (Turquía). Considerando factores como la ubicación, análisis climáticos, y características clave fundamentales para la optimización de la energía generada por el sistema BIPV, se hicieron estimaciones preliminares asociadas a la generación energética anual para varias configuraciones y en base a estas se eligió la configuración final. Las simulaciones no mostraron especial correlación entre las dimensiones de la cavidad de aire y la generación eléctrica. Sin embargo, el flujo de aire si se vio afectado por este parámetro y las aperturas de la fachada.
- Finalmente se llevó a cabo la instalación en Izmir compuesta por 48 módulos de silicio mono-cristalino fabricados por Onyx Solar. La fachada ventilada está compuesta por 48 módulos con un área total de 57.6m² y área efectiva ocupada por células de 40.1m². En total se compone de 4 filas y el hueco de la fachada es de 150mm. La instalación se finalizó en febrero de 2016 y se monitorizará durante un año completo.
Agradecimientos
El presente trabajo ha sido cofinanciado por la Unión Europea mediante el Séptimo Programa Marco (Grant Agreement No. 608466).
Especiales agradecimientos a la Universidad de Reading, la Universidad de Oporto y la Universidad de Yasar, como socios clave involucrados en los trabajos descritos en esta publicación.
Referencias
- EREC., 2010, RE-thinking 2050 – A 100% Renewable Energy Vision for the European Union. European Renewable Energy Council, Bruselas.
- European Commission., 2007, A European Strategic Energy Technology Plan (SET Plan) – Towards a Low Carbon Future, Comission of the European Communities, Bruselas.
- 7PM Grant Agreement No. 608466., 2013, REELCOOP Project. Annex I – “Description of Work”.
- University of Wisconsin., 2010, TRNSYS 17: A Transient System Simulation Program-Weather Data.
- Reelcoop (11 de abril de 2016).