Los colectores térmicos fotovoltaicos , abreviados habitualmente como colectores PVT y también conocidos como colectores solares híbridos, colectores solares térmicos fotovoltaicos, colectores PV/T o sistemas de cogeneración solar , son tecnologías de generación de energía que convierten la radiación solar en energía térmica y eléctrica utilizable . Los colectores PVT combinan células solares fotovoltaicas (a menudo dispuestas en paneles solares ), que convierten la luz solar en electricidad, con un colector solar térmico , que transfiere el calor residual no utilizado del módulo fotovoltaico a un fluido de transferencia de calor. [1] Al combinar la generación de electricidad y calor dentro del mismo componente, estas tecnologías pueden alcanzar una mayor eficiencia general que la solar fotovoltaica (PV) o la solar térmica (T) por sí solas. [2] [3]
Se han realizado importantes investigaciones para desarrollar una amplia gama de tecnologías PVT desde la década de 1970. [4] Las diferentes tecnologías de colectores PVT difieren sustancialmente en su diseño de colector y fluido de transferencia de calor y abordan diferentes aplicaciones que van desde calor a baja temperatura por debajo de la temperatura ambiente hasta calor a alta temperatura por encima de los 100 °C. [5]
Los colectores PVT generan calor solar y electricidad básicamente libres de emisiones directas de CO2 y, por lo tanto, se consideran [¿ por quién? ] como una tecnología verde prometedora para suministrar electricidad y calor renovables a edificios y procesos industriales. [ cita requerida ]
El calor es el mayor uso final de la energía . En 2015, el suministro de calefacción para su uso en edificios, fines industriales y otras aplicaciones representó alrededor del 52% (205 EJ) de la energía total consumida. De esto, más de la mitad se utilizó en la industria y alrededor del 46% en el sector de la construcción. Si bien el 72% del calor se proporcionó mediante la combustión directa de combustibles fósiles , solo el 7% provino de energías renovables modernas como la energía solar térmica , los biocombustibles o la energía geotérmica . [6] Se estima que el mercado de calor de bajo grado hasta 150 °C representa el 26,8% de la demanda mundial de energía final, que actualmente se atiende con combustibles fósiles (gas, petróleo y carbón), electricidad y calor renovable. Esto es la suma de la demanda de la industria 7,1% (25,5 EJ) [7] y la demanda de la construcción 19,7% (49,0 EJ residencial y 13,6 EJ comercial ). [8]
Se espera que la demanda de electricidad en los edificios y la industria crezca aún más debido a la electrificación en curso y al acoplamiento sectorial . [9] Para una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero , es esencial que la mayor parte de la electricidad provenga de fuentes de energía renovables , como la energía eólica , la energía solar , la biomasa y la energía hidráulica .
Por lo tanto, el mercado del calor y la electricidad renovables es amplio, lo que ilustra el potencial de mercado de los colectores PVT.
El informe "Solar Heat Worldwide" [10] evaluó el mercado mundial de colectores PVT en 2019. Según los autores, la superficie total de colectores instalados ascendió a 1,16 millones de metros cuadrados. Los colectores de agua descubiertos tuvieron la mayor participación de mercado (55%), seguidos de los colectores de aire (43%) y los colectores de agua cubiertos (2%). El país con la mayor capacidad instalada fue Francia (42%), seguido de Corea del Sur (24%), China (11%) y Alemania (10%).
Los colectores PVT combinan la generación de electricidad y calor solar en un único componente, consiguiendo así una mayor eficiencia global y un mejor aprovechamiento del espectro solar que los módulos fotovoltaicos convencionales.
Las células fotovoltaicas suelen alcanzar una eficiencia eléctrica de entre el 15% y el 20%, mientras que la mayor parte del espectro solar (65% - 70%) se convierte en calor, lo que aumenta la temperatura de los módulos fotovoltaicos. Los colectores PVT, por el contrario, están diseñados para transferir calor de las células fotovoltaicas a un fluido, enfriando así las células y mejorando así su eficiencia. [11] De esta manera, este exceso de calor se aprovecha y se puede utilizar para calentar agua o como fuente de baja temperatura para bombas de calor, por ejemplo. Por lo tanto, los colectores PVT hacen un mejor uso del espectro solar. [3]
La mayoría de las células fotovoltaicas (por ejemplo, las de silicio ) sufren una caída de la eficiencia con el aumento de la temperatura de la célula. Cada Kelvin de aumento de la temperatura de la célula reduce la eficiencia en un 0,2-0,5 %. [5] Por lo tanto, la eliminación de calor de las células fotovoltaicas puede reducir su temperatura y, por lo tanto, aumentar la eficiencia de las células. La mejora de la vida útil de las células fotovoltaicas es otro beneficio de las temperaturas de funcionamiento más bajas.
Este es un método eficaz para maximizar la eficiencia y la confiabilidad total del sistema, pero hace que el componente térmico tenga un rendimiento inferior al que se puede lograr con un colector solar térmico puro . Es decir, las temperaturas máximas de funcionamiento para la mayoría de los sistemas PVT están limitadas a menos que la temperatura máxima de la celda (normalmente por debajo de los 100 °C). No obstante, se siguen generando dos o más unidades de energía térmica por cada unidad de energía eléctrica, según la eficiencia de la celda y el diseño del sistema.
Existen numerosas posibilidades técnicas para combinar células fotovoltaicas y colectores solares térmicos . Existen varios colectores fotovoltaicos disponibles comercialmente que se pueden dividir en las siguientes categorías según su diseño básico y el fluido de transferencia de calor :
Además de la clasificación por fluido caloportador , los colectores PVT también pueden categorizarse según la presencia de un acristalamiento secundario para reducir las pérdidas de calor y la presencia de un dispositivo para concentrar la irradiación solar :
Además, los colectores PVT se pueden clasificar según su diseño, como la tecnología de la celda , el tipo de fluido , el material y la geometría del intercambiador de calor , el tipo de contacto entre el fluido y el módulo fotovoltaico , la fijación del intercambiador de calor o el nivel de integración en el edificio (colectores PVT integrados en el edificio (BIPVT)). [3] [12]
El diseño y el tipo de colectores fotovoltaicos implican siempre una cierta adaptación a las temperaturas de funcionamiento , a las aplicaciones y a la prioridad de la generación de calor o de electricidad . Por ejemplo, el funcionamiento del colector fotovoltaico a bajas temperaturas produce un efecto de enfriamiento de las células fotovoltaicas en comparación con los módulos fotovoltaicos y, por lo tanto, da como resultado un aumento de la potencia eléctrica. Sin embargo, el calor también debe aprovecharse a bajas temperaturas.
Las temperaturas máximas de funcionamiento de la mayoría de los módulos fotovoltaicos están limitadas a menos de las temperaturas máximas de funcionamiento certificadas (normalmente 85 °C). [13] Sin embargo, se generan dos o más unidades de energía térmica por cada unidad de energía eléctrica, dependiendo de la eficiencia de la celda y el diseño del sistema.
El diseño básico refrigerado por agua utiliza canales para dirigir el flujo de fluido mediante tuberías conectadas directa o indirectamente a la parte posterior de un módulo fotovoltaico. En un sistema estándar basado en fluidos, un fluido de trabajo , normalmente agua, glicol o aceite mineral , circula en el intercambiador de calor detrás de las celdas fotovoltaicas. El calor de las celdas fotovoltaicas se conduce a través del metal y es absorbido por el fluido de trabajo (suponiendo que el fluido de trabajo sea más frío que la temperatura de funcionamiento de las celdas).
El diseño básico refrigerado por aire utiliza una carcasa hueca y conductora para montar los paneles fotovoltaicos o un flujo de aire controlado hacia la cara posterior del panel fotovoltaico. Los colectores de aire PVT aspiran aire fresco del exterior o utilizan el aire como medio de transferencia de calor circulante en un circuito cerrado. El calor se irradia desde los paneles hacia el espacio cerrado, donde el aire circula hacia un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado del edificio para recuperar la energía térmica o se eleva y se ventila desde la parte superior de la estructura. La capacidad de transferencia de calor del aire es menor que la de los líquidos que se utilizan habitualmente y, por lo tanto, requiere un caudal másico proporcionalmente mayor que un colector de líquido PVT equivalente. La ventaja es que la infraestructura necesaria tiene un coste y una complejidad menores.
El aire caliente circula por el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado del edificio para suministrar energía térmica . El exceso de calor generado se puede ventilar a la atmósfera de forma sencilla. Algunas versiones del colector de aire PVT se pueden utilizar para enfriar los paneles fotovoltaicos y generar más electricidad, lo que ayuda a reducir los efectos térmicos en la degradación del rendimiento durante la vida útil.
Existen varias configuraciones diferentes de colectores de aire PVT, que varían en sofisticación de ingeniería . Las configuraciones de colectores de aire PVT varían desde una caja metálica cerrada básica de poca profundidad con entrada y salida hasta superficies de transferencia de calor optimizadas que logran una transferencia de calor uniforme del panel en una amplia gama de condiciones ambientales y de proceso.
Los colectores de aire PVT pueden realizarse en diseños descubiertos o cubiertos. [3]
Los colectores PVT descubiertos, también denominados colectores PVT sin acristalamiento o sensibles al viento y/o a los rayos infrarrojos (WISC), suelen constar de un módulo fotovoltaico con una estructura de intercambiador de calor fijada a la parte posterior del módulo fotovoltaico. A pesar de su nombre, las células solares suelen estar fijadas a la parte posterior de un vidrio frontal y, por lo tanto, cubiertas por él, pero sin un espacio de aire. Aunque la mayoría de los colectores PVT son unidades prefabricadas, algunos productos se ofrecen como intercambiadores de calor para su instalación en módulos fotovoltaicos estándar. En ambos casos, es esencial un contacto térmico bueno y duradero con un alto coeficiente de transferencia de calor entre las células fotovoltaicas y el fluido. [14]
La parte trasera del colector PVT descubierto puede estar equipada con un aislamiento térmico (por ejemplo, lana mineral o espuma) para reducir las pérdidas de calor del fluido calentado. Los colectores PVT sin aislamiento son beneficiosos para el funcionamiento cerca o por debajo de la temperatura ambiente . En particular, los colectores PVT descubiertos con una mayor transferencia de calor al aire ambiente son una fuente de calor adecuada para los sistemas de bomba de calor . Cuando la temperatura en la fuente de la bomba de calor es inferior a la ambiente, el fluido puede calentarse hasta la temperatura ambiente incluso en períodos sin luz solar.
En consecuencia, los colectores PVT descubiertos se pueden clasificar en:
Los colectores PVT descubiertos también se utilizan para proporcionar refrigeración renovable mediante la disipación de calor a través del colector PVT hacia el aire ambiente o mediante el uso del efecto de refrigeración radiativo . De este modo, se aprovecha el aire frío o el agua, que se pueden utilizar para aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado .
Los colectores PVT cubiertos o vidriados cuentan con un acristalamiento adicional que encierra una capa de aire aislante entre el módulo fotovoltaico y el acristalamiento secundario. Esto reduce las pérdidas de calor y aumenta la eficiencia térmica . Además, los colectores PVT cubiertos pueden alcanzar temperaturas significativamente más altas que los módulos fotovoltaicos o los colectores PVT descubiertos. Las temperaturas de funcionamiento dependen principalmente de la temperatura del fluido de trabajo. La temperatura media del fluido puede oscilar entre los 25 °C en aplicaciones de piscinas y los 90 °C en sistemas de refrigeración solar .
Los colectores fotovoltaicos recubiertos se parecen en forma y diseño a los colectores de placa plana convencionales o a los tubos de vacío evacuados . Sin embargo, las células fotovoltaicas, en lugar de revestimientos absorbentes espectralmente selectivos, absorben la radiación solar incidente y generan una corriente eléctrica además del calor solar .
Las características aislantes de la cubierta frontal aumentan la eficiencia térmica y permiten temperaturas de funcionamiento más altas. Sin embargo, las interfaces ópticas adicionales aumentan las reflexiones ópticas y, por lo tanto, reducen la potencia eléctrica generada. Los revestimientos antirreflectantes en el acristalamiento frontal pueden reducir las pérdidas ópticas adicionales. [15]
Un sistema de concentración tiene la ventaja de reducir la cantidad de células fotovoltaicas necesarias. Por lo tanto, es posible utilizar células fotovoltaicas más costosas y eficientes, por ejemplo, células fotovoltaicas multiunión . La concentración de la luz solar también reduce la cantidad de área de absorción fotovoltaica caliente y, por lo tanto, reduce las pérdidas de calor al ambiente, lo que mejora significativamente la eficiencia para temperaturas de aplicación más altas.
Los sistemas de concentración también suelen requerir sistemas de control fiables para realizar un seguimiento preciso del Sol y proteger las células fotovoltaicas de las condiciones de sobretemperatura perjudiciales. Sin embargo, también existen tipos de colectores PVT estacionarios que utilizan reflectores sin formación de imágenes , como el concentrador parabólico compuesto (CPC) , y no tienen que realizar un seguimiento del Sol.
En condiciones ideales, alrededor del 75% de la energía del sol que incide directamente sobre dichos sistemas se puede recolectar en forma de electricidad y calor a temperaturas de hasta 160 °C. [16] Las unidades CPVT que se acoplan con almacenamiento de energía térmica y generadores de ciclo orgánico de Rankine pueden proporcionar una recuperación a demanda de hasta el 70% de su generación de electricidad instantánea y, por lo tanto, pueden ser una alternativa bastante eficiente a los tipos de almacenamiento eléctrico que se combinan con los sistemas fotovoltaicos tradicionales. [17] [18]
Una limitación de los sistemas de alta concentración (es decir, HCPV y HCPVT) es que mantienen sus ventajas a largo plazo sobre los colectores c-Si / mc-Si convencionales solo en regiones que permanecen constantemente libres de contaminantes atmosféricos de aerosoles (por ejemplo, nubes ligeras, smog, etc.). La producción de energía se degrada rápidamente porque 1) la radiación se refleja y se dispersa fuera del pequeño ángulo de aceptación (a menudo inferior a 1–2°) de la óptica de recolección, y 2) la absorción de componentes específicos del espectro solar hace que una o más uniones en serie dentro de las celdas de múltiples uniones tengan un rendimiento inferior. Los impactos a corto plazo de tales irregularidades en la generación de energía se pueden reducir hasta cierto punto con la inclusión de almacenamiento eléctrico y térmico en el sistema.
La gama de aplicaciones de los colectores PVT, y en general de los colectores solares térmicos , se puede dividir según sus niveles de temperatura : [19]
En consecuencia, las tecnologías de colectores PVT se pueden agrupar en función de sus niveles de temperatura: la idoneidad para cada rango de temperatura depende del diseño y la tecnología del colector PVT. Por lo tanto, cada tecnología de colector PVT presenta diferentes rangos de temperatura óptimos. La temperatura de funcionamiento define en última instancia qué tipo de colector PVT es adecuado para qué aplicación.
Las aplicaciones de baja temperatura incluyen sistemas de bomba de calor y calefacción de piscinas o spas hasta 50 °C. Los colectores PVT en sistemas de bomba de calor actúan como fuente de baja temperatura para el evaporador de la bomba de calor o en el lado de carga para suministrar calor a temperatura media a un tanque de almacenamiento . Además, es posible la regeneración de pozos e intercambiadores de calor de fuente terrestre . [3] Los colectores PVT descubiertos con intercambio de calor aire-agua mejorado pueden incluso ser la única fuente de un sistema de bomba de calor. En combinación con una arquitectura de sistema que permita almacenar frío producido con WISC o colectores de aire, también es posible el aire acondicionado .
Las aplicaciones de baja y media temperatura para calefacción de espacios y calentamiento de agua se encuentran en edificios, con temperaturas de 20 °C a 80 °C. Las temperaturas del sistema específico dependen de los requisitos del sistema de suministro de calor para agua caliente sanitaria (por ejemplo, estación de agua dulce, requisitos de temperatura para la prevención de legionela ) y para calefacción de espacios (por ejemplo, calefacción por suelo radiante , radiadores ). Además, el conjunto de colectores PVT se puede dimensionar para cubrir solo fracciones más pequeñas de la demanda de calor (por ejemplo, precalentamiento de agua caliente), reduciendo así las temperaturas de funcionamiento del colector PVT.
El calor del proceso solar incluye una amplia gama de aplicaciones industriales con requisitos de temperaturas bajas a altas (por ejemplo, desalinización solar de agua , enfriamiento solar o generación de energía con colectores PVT de concentración).
Dependiendo del tipo de fluido de transferencia de calor , las tecnologías de colectores PVT son adecuadas para varias aplicaciones: [20]
Las tecnologías PVT pueden realizar una valiosa contribución a la combinación energética mundial y pueden considerarse una opción para aplicaciones que suministren electricidad , calor o frío renovables .
