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Fotovoltaica integrada en edificios

La torre CIS en Manchester , Inglaterra, se revistió de paneles fotovoltaicos con un coste de 5,5 millones de libras y comenzó a suministrar electricidad a la red eléctrica nacional en noviembre de 2005.
La sede de Apple Inc. en California. El techo 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 envoltura del edificio, como el techo, los tragaluces o las fachadas. [1] Cada vez se incorporan más a la construcción de nuevos edificios como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica, aunque los edificios existentes pueden modernizarse con tecnología similar. La ventaja de los sistemas fotovoltaicos integrados sobre los sistemas no integrados más comunes es que el costo inicial se puede compensar reduciendo la cantidad gastada en materiales de construcción y mano de obra que normalmente se utilizaría para construir la parte del edificio que los módulos BIPV reemplazan. Además, BIPV permite una adopción solar más generalizada cuando la estética del edificio importa y los paneles solares tradicionales montados en bastidor alterarían el aspecto deseado del edificio.

El término energía fotovoltaica aplicada a edificios ( BAPV ) se utiliza a veces para referirse a la energía fotovoltaica que se instala en el edificio una vez finalizada la construcción. La mayoría de las instalaciones integradas en edificios son en realidad BAPV. Algunos fabricantes y constructores diferencian la BAPV de la nueva construcción. [2]

Historia

Las aplicaciones fotovoltaicas para edificios comenzaron a aparecer en la década de 1970. Los módulos fotovoltaicos con marco de aluminio se conectaron o montaron en edificios que generalmente estaban en áreas remotas sin acceso a una red eléctrica. En la década de 1980, comenzaron a demostrarse los complementos de módulos fotovoltaicos a los 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 especialmente diseñados para integrarse en una envoltura de edificio comenzaron a estar 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 créditos de energía renovable (REC). [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. sugiere que puede haber desafíos técnicos significativos que superar antes de que el costo de instalación de BIPV sea competitivo con los paneles fotovoltaicos. [5] Sin embargo, existe un creciente consenso en cuanto a 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 permitir el uso a largo plazo probablemente dependa de decisiones de política pública efectivas tanto como del desarrollo tecnológico. [7]

Formularios

Sistema BIPV CoolPly de 525 kilovatios ganador del premio al proyecto de energía de 2009 fabricado por SolarFrameWorks, Co. en el complejo Patriot Place, adyacente al estadio Gillette en Foxborough, MA. El sistema está instalado sobre una membrana de techo de una sola capa en un techo plano sin perforaciones en el techo.
Fachada solar BAPV en un edificio municipal situado en Madrid ( España ).
Tejas solares fotovoltaicas de película fina Ovonic de United Solar integradas en edificios

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

  1. Sistemas estándar para techos. Generalmente, estos adoptan la forma de tiras de células fotovoltaicas.
  2. Sistemas semitransparentes. Estos productos se utilizan normalmente en invernaderos o en aplicaciones en climas fríos donde es necesario captar y permitir el ingreso de la energía solar al edificio.
  3. Sistemas de revestimiento. Existe una amplia gama de estos sistemas, siendo su aplicación vertical sobre la fachada de un edificio lo más habitual.
  4. Tejas y tejas solares. Estos son los sistemas BIPV más comunes, ya que se pueden reemplazar fácilmente por tejados con tejas convencionales.
  5. Laminados flexibles. Estos productos, que suelen adquirirse en forma de láminas delgadas, se pueden adherir a una variedad de formas, principalmente formas de techos.

Con excepción de los laminados flexibles, cada una de las categorías anteriores puede utilizar tecnologías c-SI o de película delgada, siendo las tecnologías de película delgada solo aplicables a los laminados flexibles; esto hace que los productos BIPV de película delgada sean ideales para aplicaciones de diseño avanzadas que tienen 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 externas y muros cortina, siendo los techos planos y los techos inclinados los más ideales para la captura de energía solar. [8] Las gamas de productos BIPV para techos y sistemas de sombreado se utilizan más comúnmente en aplicaciones residenciales, mientras que los sistemas de paredes y revestimientos se utilizan más comúnmente en entornos comerciales. [9] En general, los sistemas BIPV para techos actualmente tienen una mayor participación en el mercado y generalmente son más eficientes que los sistemas BIPV para fachadas y revestimientos debido a su orientación al sol. [9]

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

Película delgada de energía solar que se extiende por un techo de metal con juntas alzadas [14]
  • Los techos inclinados de metal (tanto estructurales como arquitectónicos) ahora se están integrando con la funcionalidad fotovoltaica ya sea uniendo un módulo flexible independiente [15] o sellando con calor y vacío las celdas CIGS directamente sobre el sustrato [16].

Fotovoltaica transparente y translúcida

Los paneles solares transparentes utilizan un revestimiento de óxido de estaño en la superficie interna de los paneles de vidrio para conducir la corriente hacia el exterior 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. Si se utiliza para reemplazar el vidrio convencional de las ventanas o se coloca sobre el vidrio, la superficie de instalación podría ser grande, lo que daría lugar a usos potenciales que aprovechen las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura. [ cita requerida ]

Otro nombre para la energía fotovoltaica transparente es "energía fotovoltaica translúcida" (transmite la mitad de la luz que incide sobre ella). Al igual que la energía fotovoltaica inorgánica, la energía fotovoltaica orgánica también es capaz de ser translúcida.

Tipos de energía fotovoltaica transparente y translúcida

No selectivo en longitud de onda

Algunos sistemas fotovoltaicos no selectivos en cuanto a longitud de onda logran una semitransparencia mediante la segmentación espacial de células solares opacas. Este método utiliza cualquier tipo de célula fotovoltaica opaca y espacia varias células pequeñas sobre un sustrato transparente. Al espaciarlas de esta manera se reduce drásticamente la eficiencia de conversión de energía y se aumenta la transmisión. [26]

Otra rama de la energía fotovoltaica no selectiva en cuanto a longitud de onda utiliza semiconductores de película delgada que absorben visiblemente y tienen espesores pequeños o brechas de banda lo suficientemente grandes como para permitir el paso de la luz. Esto da como resultado energía fotovoltaica semitransparente con una compensación directa similar entre eficiencia y transmisión que las células solares opacas segmentadas espacialmente. [26]

Selectivo de longitud de onda

Los sistemas fotovoltaicos selectivos de longitud de onda logran transparencia al utilizar materiales que solo absorben luz ultravioleta y/o infrarroja cercana, y se demostraron por primera vez en 2011. [27] A pesar de sus mayores transmisiones, se han obtenido menores eficiencias de conversión de energía debido a una variedad de desafíos. Estos incluyen pequeñas longitudes de difusión de excitones, escalamiento de electrodos transparentes sin poner en peligro la eficiencia y la vida útil general debido a la volatilidad de los materiales orgánicos utilizados en los sistemas fotovoltaicos selectivos de longitud de onda en general. [26]

Innovaciones en energía fotovoltaica transparente y translúcida

Los primeros intentos de desarrollar energía fotovoltaica orgánica semitransparente no selectiva en longitud de onda utilizando capas activas muy delgadas que absorbían en el espectro visible solo pudieron lograr eficiencias inferiores al 1 %. [28] Sin embargo, en 2011, la energía fotovoltaica orgánica transparente que utilizaba un donante de ftalocianina de cloroaluminio orgánico (ClAlPc) y un aceptor de fulerenos exhibió absorción en el espectro ultravioleta e infrarrojo cercano (NIR) con eficiencias de alrededor del 1,3 % y transmisión de luz visible de más del 65 %. [27] En 2017, los investigadores del MIT desarrollaron un proceso para depositar con éxito electrodos de grafeno transparentes sobre células solares orgánicas, lo que resultó en una transmisión del 61 % de la luz visible y eficiencias mejoradas que oscilaron entre el 2,8 % y el 4,1 %. [29]

Las células solares de perovskita , populares debido a su promesa como energía fotovoltaica de próxima generación con eficiencias superiores al 25%, también han demostrado ser prometedoras como energía fotovoltaica translúcida. 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 adicionales o subsidios para la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios, además de las tarifas de alimentación existentes para sistemas solares autónomos. Desde julio de 2006, Francia ofrece el incentivo más alto para los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios, equivalente a una prima adicional de 0,25 EUR/kWh que se paga además de los 30 céntimos de euro que se pagan por los sistemas fotovoltaicos. [31] [32] [33] Estos incentivos se ofrecen en forma de una tarifa que se paga por la electricidad que se inyecta a la red.

unión Europea

Estados Unidos

Porcelana

Tras el anuncio de un programa de subsidios para proyectos de BIPV en marzo de 2009 que ofrece 20 RMB por vatio para sistemas BIPV y 15 RMB/vatio para sistemas en azotea, el gobierno chino dio a conocer recientemente un programa de subsidios para energía fotovoltaica "el Proyecto de Demostración Golden Sun". El programa de subsidios apunta a apoyar el desarrollo de emprendimientos de generación de electricidad fotovoltaica y la comercialización de 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 en red calificados, incluidos los sistemas en azotea, BIPV y montados en el suelo, tienen derecho a recibir un subsidio equivalente al 50% de la inversión total de cada proyecto, incluida la infraestructura de transmisión asociada. Los proyectos independientes fuera de la red calificados en áreas remotas tendrán derecho a subsidios 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 y tienen un costo aproximado de 20 mil millones de RMB (3 mil millones de dólares) para su plan de subsidios para impulsar drásticamente la producción de energía solar del país. [38]

Otras fotovoltaicas integradas

La energía fotovoltaica integrada en los vehículos (ViPV) es similar a la de los vehículos. [39] Las células solares podrían estar integradas en paneles expuestos a la luz solar, como el capó, el techo y posiblemente el maletero, dependiendo del diseño del vehículo. [40] [41] [42] [43]

Desafíos

Actuación

Debido a que los sistemas BIPV generan energía en el sitio y están integrados en la envoltura del edificio, la potencia de salida del sistema y las propiedades térmicas son los dos indicadores principales de rendimiento. Los sistemas BIPV convencionales tienen una capacidad de disipación de calor menor que los sistemas fotovoltaicos montados en bastidor, lo que hace que los módulos BIPV experimenten temperaturas de funcionamiento más altas. Las temperaturas más altas pueden degradar el material semiconductor del módulo, disminuyendo la eficiencia de salida y precipitando una falla temprana. [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 salida de energía. [44] En términos de rendimiento térmico, las ventanas BIPV pueden reducir la carga de enfriamiento en comparación con las ventanas de vidrio transparente convencionales, 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 coste inicial de la compra de componentes BIPV, la naturaleza altamente integrada de los sistemas BIPV aumenta la complejidad del diseño del edificio, lo que a su vez conduce a mayores costes de diseño y construcción. [44] Además, la falta de profesionales y la falta de experiencia conducen a mayores costes de empleo en el desarrollo de proyectos BIPV. [44]

Política y regulación

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

Comprensión pública

Los estudios muestran que la conciencia pública sobre los BIPV es limitada y que el costo generalmente se considera demasiado alto. Es probable que la profundización de la comprensión pública de los BIPV a través de diversos canales públicos (por ejemplo, políticas, participación comunitaria y edificios de demostración) sea beneficiosa para su desarrollo a largo plazo. [44]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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