Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Isabel Guedea, CEO-Directora General, EndeF Engineering
- Alejandro del Amo, CTO-Director Técnico, EndeF Engineering
- Montserrat Dominguez, Responsable de Marketing y Comunicación, EndeF Engineering
- Gonzalo Brun, COO-Director de Operaciones, EndeF Engineering
Resumen
Los paneles solares híbridos solares producen electricidad y calor. Estos paneles presentan una desventaja, el bajo rendimiento térmico (debido a las elevadas pérdidas de calor existentes. A lo largo de este ensayo, se ofrecen diversas formas aumentar considerablemente la eficiencia térmica, aportando una solución final óptima, denominada Cubierta Transparente Aislante (CTA) con gas neutro. Con la aplicación de esta cubierta se evita que haya pérdidas de calor al ambiente y se logra un aumento del rendimiento térmico de panel híbrido mediante un gas inherente. El panel solar híbrido con CTA y gas neutro presenta una serie de ventajas competitivas para el mercado únicas.
Introducción / Antecedentes
Desde el comienzo del desarrollo de la tecnología solar, se han diferenciado dos tipologías de paneles: los módulos fotovoltaicos que generan electricidad y los colectores térmicos que calientan agua. De la combinación ambas tecnologías surgen los paneles híbridos. Se entiende por panel solar híbrido al panel solar que es capaz de transformar la irradiación solar en electricidad y calor de forma simultánea, y que superpone ambas tecnologías en un mismo panel. El panel híbrido es comúnmente conocido como PVT, de sus siglas en inglés (Photovoltaic/Thermal). A su versión de concentración se le denomina CPVT (Concentrating Photovoltaic/Thermal), y cuando se utiliza para integración arquitectónica, se denomina BIPVT (Building Integrated Photovoltaic/Thermal).
Desde una perspectiva global, el incremento sustancial del precio del petróleo potenció que su desarrollo se produjese en la década de los 70. Sin embargo, su desarrollo está motivado por tres conceptos diferentes que convergen hacia esta misma solución tecnológica. Por un lado, se perseguía conseguir mayores ahorros económicos mediante la integración solar en los edificios, ya que el aporte fotovoltaico tenía un rendimiento muy bajo. Por otro lado, los sistemas autónomos en los que el sistema de ventilación pudiese ser abastecido con placas fotovoltaicas, conllevó el aprovechamiento de este calor residual. Y por último, se trató de mejorar el rendimiento eléctrico a partir del efecto refrigerador que tiene el aprovechamiento del calor. Estos tres conceptos caminaban hacia un mismo objetivo, los paneles híbridos.
Analizando con mayor profundidad el concepto del que parte la tecnología híbrida, toda la irradiación incidente, un 5% es reflejado, entorno a un 15% es convertido en electricidad y el 80% restante, es disipado al ambiente en forma de calor. De toda la irradiación absorbida, la proporción que se convierte en electricidad no siempre es del 15%, sino que depende de la tecnología de célula utilizada, siendo desde un 5%, para silicio amorfo, hasta un 52% conseguido recientemente en células multicapa utilizadas en concentración. Este calor que, en un módulo fotovoltaico es disipado al ambiente, puede ser aprovechado para otras aplicaciones mediante diferentes sistemas de intercambio de calor, fluidos, geometrías, etc.
Esta tecnología híbrida presenta importantes ventajas como: reducción de la superficie necesaria para generar la misma energía que paneles térmicos y fotovoltaicos por separado, la valorización de los dos recursos generados consigue menores periodos de amortización, importantes rendimientos, tecnología limpia, no produce ruidos, reduce más emisiones que el resto de tecnologías solares por separado, bajo mantenimiento, etc. Pero, sin embargo, también presenta desventajas que tienen que ser resueltas como: refrigeración no uniforme del módulo fotovoltaico, tecnología incipiente y por lo tanto necesita maduración, una reducción en sus costes, mejorar su integración arquitectónica y un mal dimensionamiento o mantenimiento puede tener problemas de sobrecalentamiento en los meses de verano en climas cálidos, etc.
Eficiencia térmica y eléctrica de las diferentes tipologías
En la fase de diseño de instalaciones híbridas, dependiendo de las demandas existentes (electricidad y calor), se debe seleccionar la tipología de captadores a utilizar. Para ello, existen dos parámetros que definen la relación de calor y electricidad que genera cada captador. Así, la relación entre la energía eléctrica generada y la irradiación disponible (o rendimiento eléctrico, αw) se representa en el eje de las ordenadas y la relación entre el calor generado y la irradiación (o rendimiento térmico, αQ) se representa en las abscisas.
En este mapa de tipologías sólo se han representado las tipologías más generales. Cuando se analiza el funcionamiento de estos paneles se observan principalmente dos limitaciones: el escaso rendimiento fotovoltaico (limitado por los avances que va sufriendo dicha tecnología) y el bajo rendimiento térmico (debido a las elevadas pérdidas de calor existentes). En este segundo problema coinciden todas las revisiones bibliográficas revisadas en este trabajo. Por ello, este desarrollo trata de aportar diferentes soluciones que se podrían unificar en lo que se ha denominado Cubierta Transparente y Aislante (CTA).
Segmentos de mercado de las diferentes tipologías
El informe realizado en 2007 por la Agencia Internacional de la Energía (IAE) en su Task 35 ofrece una perspectiva según las posibilidades que ofrecen los paneles híbridos, representado en la Tabla I:
Este estudio, además ofrece una relación entre los diferentes segmentos del mercado y cada una de las tipologías híbridas existentes, resumido en la Tabla II. En esta, los principales mercados futuros están representados con un +++, y los nichos de mercado ++ y +, según su relevancia.
Según sus conclusiones los paneles híbridos son una tecnología prometedora con gran posibilidad de penetración en el mercado solar térmico, incluidas las aplicaciones de agua caliente sanitaria. Tiene especial importancia los mercados de edificios residenciales multivivienda debido a su escasa superficie disponible. A medio y largo plazo, tiene un gran potencial en calefacción solar en especial en casas de bajo consumo energético ya que pueden cubrir una gran parte de la energía consumida. A largo plazo, las aplicaciones más relevantes son la industria, agricultura y refrigeración solar. Para asegurar su penetración en el mercado, según este informe del task 35 de la IEA, hay que mejorar la eficiencia, estandarización de normativas, rendimiento óptico, rendimiento térmico y su fiabilidad a largo plazo.
Descripción de la solución
Dentro de las diferentes tipologías existentes de paneles refrigerados por agua, PVT/w, y sus aislamientos posterior y frontal, se pueden clasificar en tres grupos:
- PVT-0: corresponde a un módulo fotovoltaico al cual se le adosa un recuperador de calor que no está aislado térmicamente del ambiente por su cara posterior. Este diseño está concebido para refrigerar al máximo las células fotovoltaicas no siendo interesante el calor recuperado. El objetivo de este modelo es maximizar la generación eléctrica mediante la refrigeración de las células. Un ejemplo de este modelo serían los módulos termodinámicos híbridos. Estos últimos, en vez de ser refrigerados por agua, lo hace mediante un refrigerante (como un ciclo de bomba de calor).
- PVT-1: corresponde a los paneles híbridos que tienen adosado un recuperador de calor por la cara posterior y a su vez está aislado térmicamente del ambiente. Su objetivo es aprovechar parte de calor pero para aplicaciones de baja temperatura, en climas cálidos u obtener un panel económico.
- PVT-2: corresponde con un PVT-1 al cual se le adosa una CTA que aísla térmicamente el panel también por la cara frontal. El objetivo de este diseño es aumentar la energía generada por unidad de superficie ya que se minimizan las pérdidas de calor al ambiente. Como ejemplo, se proponen cuatro soluciones que se estudiarán a continuación. A partir de este concepto surge lo que en este trabajo se define como “Cubierta Transparente y Aislante” (en adelante, CTA). Ésta consiste en añadir en la cara frontal del panel fotovoltaico una cámara que cumpla dos objetivos: evitar las pérdidas de calor al ambiente que tiene el panel por esta cara y ser lo más transparente posible. De esta forma, el calor que no es disipado al ambiente es transferido al fluido que circula por el interior del recuperador, aumentando el rendimiento térmico del panel. Para evitar el sobrecalentamiento del panel, se aumenta el caudal de diseño adecuándolo al rango de temperaturas en el que se desea trabajar.
Esta cubierta puede tener diferentes características, y en este análisis se van a comparar 4 tipologías propuestas por los autores que se detallan a continuación:
- CTA-Aire: consiste en utilizar aire en la cámara comprendida entre el módulo FV y el cristal que está en contacto con el exterior.
- CTA-TIM: Parte del diseño anterior de CTA-Aire, incluyendo una cámara TIM (Transparent Insulating material) en la cámara de aire. Este material consiste en pequeñas retículas cilíndricas de un material transparente, que tapadas por una de sus aperturas, impide el movimiento del aire en su interior creando una cámara aislante.
- CTA-Vacío: consiste en hacer el vacío en la cámara, utilizando unos separadores que impidan la reducción del espesor de la cámara.
- CTA-GN: parte igualmente del diseño de CTA-Aire, pero el aire de la cámara es sustituido por un gas inerte como el argón, xenón, criptón, etc.
A continuación se puede ver una sección constructiva de las cuatro tipologías de panel descrito, donde el panel fotovoltaico hace referencia al laminado (compuesto por: Tedlar, EVA, oblea fotovoltaica, EVA y cristal) y sobre él, se representa cada CTA.
Resultados obtenidos
El PVT-CTA-Vacío es la tipología que mejor comportamiento tiene de las estudiadas. Sin embargo, la mejora con respecto al Argón no es tan significativa como a priori parecería pensar. Esto se debe a que las pérdidas por convección se han conseguido reducir lo suficiente como para que las pérdidas por radiación sean las predominantes. Si lo comparamos con captadores de tubo de vacío, estos consiguen alcanzar valores de a1 de en torno a 1,7 W/m2K, y en el PVT-CTA-Vacío se llega hasta el 2.53 W/m2K. La diferencia entre ambas tecnologías se debe a que el nivel de vacío que se puede hacer es mucho mayor que en los planos.
De las tipologías analizadas en este apartado, el PVT-CTA-Vacío es el más complicado de fabricar y de garantizar las condiciones iniciales durante su vida útil. Adicionalmente, constructivamente tendría que disponer unos separadores que, en este estudio, no se ha analizado cómo influiría en la irradiación incidente sobre las células fotovoltaicas. Se pueden resumir todas las alternativas analizadas en la siguiente tabla:
Discusión
A partir de los datos se puede concluir que:
- El PVT-1 es el captador con mejor rendimiento óptico, pero rápidamente decrece su rendimiento conforme aumenta su temperatura de trabajo
- El PVT-TIM tiene peor rendimiento óptico, pero mejora su parámetro a1 con respecto al PVT-CTA-Aire, lo cual significa que a partir de una G* de 0,02 su rendimiento es superior. Con valores de rendimiento térmico superiores a estos casos analizados están el modelo que utiliza un gas neutro y el modelo que utiliza vacío. Aunque este último tiene mejores rendimientos, no son tan significativos comparados con la dificultad que exige su fabricación y garantía de estanqueidad durante su vida útil.
Caso práctico
En el caso de estudio tipo hotel se ha seleccionado el Hotel Azul, ubicado en Barcelona. El hotel dispone de 39 habitaciones con un total de 78 usuarios diarios. La ocupación de las habitaciones durante el año 2014 ha sido un 100%, y al haber habitaciones que no se han ocupado todas sus camas, la ocupación real sobre todos los usuarios 95%, es decir 74 usuarios diarios. La ocupación de las habitaciones durante el año 2015 ha sido del 100%, la ocupación real sobre usuarios ha sido del 95%, es decir 74 usuarios diarios. Adicionalmente, hay un consumo de agua caliente en el servicio de cafetería donde sólo se ofrecen desayunos. Para abastecer los consumos de climatización, el hotel dispone de una sala de calderas con dos calderas de gas para los consumos de ACS y Calefacción, y una enfriadora para abastecer las demandas de frío.
A partir de estos consumos proporcionados por el cliente se dimensiona una instalación compuesta por paneles híbridos PVT-CTA-GN Con el objetivo de cubrir la mayor demanda posible con la superficie disponible. Para ello, el calor de los paneles se destina a ACS y la electricidad generada se consumirá en régimen de autoconsumo.
El siguiente esquema hidráulico representa el modo de conexión propuesto. Esta configuración permite que los paneles trabajen a menor temperatura (mayor rendimiento) sirviendo como un precalentamiento al agua que reciben las calderas.
El dimensionado de la superficie de paneles se ha realizado en base a la superficie máxima disponible (35 paneles), por lo que en ningún momento del año se supera el 100% de la demanda lo cual significa que no existirán momentos de sobrecalentamiento y que las temperaturas de trabajo de los paneles serán relativamente bajas por lo que trabajarán con buen rendimiento durante todo el año. Este comportamiento es lógico ya que la aportación solar se realiza antes del apoyo auxiliar con el objetivo de obtener ahorros y que la caldera en vez de recibir agua a temperatura de red, la vea precalentada por el circuito solar. Como se observa, el 100% de la generación fotovoltaica se auto consume ya que la demanda es notablemente superior a la generación.
Conclusiones
El panel solar híbrido con CTA y gas neutro es una gran opción con futuro en el mercado. Ofrece buenos rendimientos; es óptimo para integrar en edificios debido a la reducción de la superficie de captación generando la misma energía que paneles térmicos y fotovoltaicos; reduce sus emisiones y los periodos de amortización; su tecnología es limpia; no produce ruidos y además, requiere un bajo mantenimiento.