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Fotovoltaica integrada en edificios

La Torre CIS en Manchester , Inglaterra, se revistió con paneles fotovoltaicos a un costo de £5,5 millones. Comenzó a suministrar electricidad a la Red Nacional en noviembre de 2005.
La sede de Apple Inc. , en California. El techo está cubierto de paneles solares.

La energía fotovoltaica integrada 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, los tragaluces o las fachadas. [1] Se están incorporando cada vez más en 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 la energía fotovoltaica integrada sobre los sistemas no integrados más comunes es que el costo inicial puede compensarse reduciendo la cantidad gastada en materiales de construcción y mano de obra que normalmente se utilizaría para construir la parte del edificio que reemplazan los módulos BIPV. Además, BIPV permite una adopción solar más generalizada cuando la estética del edificio es importante y los paneles solares tradicionales montados en bastidor alterarían el aspecto previsto del edificio.

El término energía fotovoltaica aplicada a edificios ( BAPV ) se utiliza a veces para referirse a la energía fotovoltaica que se adapta y se integra 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 el BIPV de nueva construcción del BAPV. [2]

Historia

Las aplicaciones fotovoltaicas para edificios comenzaron a aparecer en los años 1970. Los módulos fotovoltaicos con marco de aluminio se conectaban o montaban en edificios que generalmente se encontraban en áreas remotas sin acceso a una red eléctrica. En la década de 1980 se empezaron a demostrar los complementos de módulos fotovoltaicos en los tejados. Estos sistemas fotovoltaicos generalmente se instalaban en edificios conectados a la red pública en áreas con centrales eléctricas centralizadas. En la década de 1990, los productos de construcción BIPV especialmente diseñados para integrarse en la envolvente de un edificio estuvieron disponibles comercialmente. [3] Una tesis doctoral de 1998 de Patrina Eiffert, titulada An Economic Assessment of 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 de la historia de BIPV realizada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. sugiere que puede haber importantes desafíos técnicos que superar antes de que el costo de instalación de BIPV sea competitivo con el de los paneles fotovoltaicos. [5] Sin embargo, existe un consenso cada vez mayor de que, a través de su comercialización generalizada, los sistemas BIPV se convertirán en la columna vertebral del objetivo europeo de construcción de energía cero (ZEB) para 2020. [6] A pesar de la promesa técnica, las barreras sociales para su uso generalizado también han identificados, 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 tanto de decisiones efectivas de políticas públicas como del desarrollo tecnológico. [7]

Formularios

Premio al proyecto de energía de 2009: sistema BIPV CoolPly de 525 kilovatios fabricado por SolarFrameWorks, Co. en el complejo Patriot Place, adyacente al estadio Gillette en Foxborough, MA. El sistema se instala sobre una membrana para techos de una sola capa en un techo plano sin penetraciones en el techo.
Fachada solar BAPV en edificio municipal situado en Madrid ( España ).
Tejas solares fotovoltaicas integradas en edificios de película fina 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 unicelular que generalmente funcionan con mayor eficiencia que las células de película delgada, pero son más caras de producir. [8] Las aplicaciones de estas dos tecnologías se pueden clasificar según cinco tipos principales de productos BIPV: [8]

  1. Sistemas estándar en el techo. Generalmente se trata de tiras aplicables de células fotovoltaicas.
  2. Sistemas semitransparentes. Estos productos se utilizan normalmente en invernaderos o aplicaciones de clima frío donde la energía solar debe capturarse y permitirse ingresar al edificio simultáneamente.
  3. Sistemas de revestimiento. Existe una amplia gama de estos sistemas; su punto en común es su aplicación vertical en la fachada de un edificio.
  4. Tejas y Tejas Solares. Estos son los sistemas BIPV más comunes, ya que se pueden cambiar fácilmente por acabados de techos de 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 techo.

Con la excepción de los laminados flexibles, cada una de las categorías anteriores puede utilizar tecnologías c-SI o Thin-Film, y las tecnologías Thin-Film solo son aplicables a laminados flexibles; esto hace que los productos Thin-Film BIPV sean ideales para aplicaciones de diseño avanzado 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 ideal para la captura de energía solar. [8] Las gamas de productos BIPV para sistemas de techado y sombreado se utilizan con mayor frecuencia en aplicaciones residenciales, mientras que los sistemas de paredes y revestimientos se utilizan con mayor frecuencia en entornos comerciales. [9] En general, los sistemas BIPV para tejados tienen actualmente una mayor cuota de mercado y, en general, son 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:

Solar de película delgada que baja por el techo de metal con junta alzada [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 térmicamente y al vacío las celdas CIGS directamente sobre el sustrato [16].

Fotovoltaica transparente y translúcida

Los paneles solares transparentes utilizan una capa de óxido de estaño en la superficie interior 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. Por el contrario, la nueva e innovadora célula solar también utiliza radiación ultravioleta. Utilizado para reemplazar el vidrio de ventana convencional, o colocado sobre el vidrio, la superficie de instalación podría ser grande, lo que lleva a usos potenciales que aprovechan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura. [ cita necesaria ]

Otro nombre para las fotovoltaicas transparentes es “fotovoltaicas translúcidas” (transmiten la mitad de la luz que incide sobre ellas). Al igual que la energía fotovoltaica inorgánica, la energía fotovoltaica orgánica también puede ser translúcida.

Tipos de fotovoltaica transparente y translúcida

No selectivo en longitud de onda

Algunas energías fotovoltaicas no selectivas en longitud de onda logran 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. Separarlos de esta manera reduce drásticamente la eficiencia de conversión de energía al tiempo que aumenta la transmisión. [26]

Otra rama de la energía fotovoltaica no selectiva en longitud de onda utiliza semiconductores de película delgada visiblemente absorbentes con espesores pequeños o bandas prohibidas lo suficientemente grandes que permiten el paso de la luz. Esto da como resultado energía fotovoltaica semitransparente con un equilibrio directo similar entre eficiencia y transmisión que las células solares opacas espacialmente segmentadas. [26]

Selectivo en longitud de onda

Los sistemas fotovoltaicos de longitud de onda selectiva logran 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 sus transmisiones más altas, se han obtenido menores eficiencias de conversión de energía debido a una variedad de desafíos. Estos incluyen longitudes de difusión de excitones pequeñas, escalamiento de electrodos transparentes sin poner en peligro la eficiencia y vida útil general debido a la volatilidad de los materiales orgánicos utilizados en los TPV en general. [26]

Innovaciones en energía fotovoltaica transparente y translúcida

Los primeros intentos de desarrollar energía fotovoltaica orgánica semitransparente y no selectiva en longitud de onda utilizando capas activas muy delgadas que se absorbían en el espectro visible solo lograron 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 fullereno exhibió 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 en células solares orgánicas, lo que dio como resultado una transmisión del 61 % de la luz visible y eficiencias mejoradas que oscilan 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 se han mostrado 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]

Subsidios del gobierno

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

unión Europea

Estados Unidos

Porcelana

Tras el anuncio de un programa de subvenciones para proyectos BIPV en marzo de 2009 que ofrecía 20 RMB por vatio para sistemas BIPV y 15 RMB/vatio para sistemas de tejados, el gobierno chino dio a conocer recientemente un programa de subvenciones a la energía fotovoltaica , "el Proyecto de Demostración del Sol Dorado". El programa de subsidios tiene como objetivo apoyar el desarrollo de proyectos 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 calificados de generación de electricidad fotovoltaica conectados a la red, incluidos sistemas en tejados, BIPV y montados en tierra, tienen derecho recibir un subsidio equivalente al 50% de la inversión total de cada proyecto, incluida la infraestructura de transmisión asociada. Los proyectos independientes calificados fuera de la red en áreas remotas podrán optar a subsidios de hasta el 70% de la inversión total. [37] A mediados de noviembre, el Ministerio de Finanzas de China seleccionó 294 proyectos por un total de 642 megavatios que representan aproximadamente 20 mil millones de RMB (3 mil millones de dólares) en costos para su plan de subsidios para impulsar dramáticamente la producción de energía solar del país. [38]

Otras fotovoltaicas integradas

La energía fotovoltaica integrada en vehículos (ViPV) es similar 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 en el sitio y están integrados en la envolvente del edificio, la potencia de salida y las propiedades térmicas del sistema son los dos principales indicadores de rendimiento. Los sistemas BIPV convencionales tienen una menor capacidad de disipación de calor que los fotovoltaicos montados en bastidor, lo que da como resultado 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 fallas prematuras. [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 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 la implementación. [44] Además del costo inicial de comprar 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 costos de diseño y construcción. [44] Además, la falta de profesionales y la falta de experiencia generan mayores costos de empleo incurridos en el desarrollo de proyectos BIPV. [44]

Política y regulación

Aunque muchos países tienen políticas de apoyo para la energía fotovoltaica, la mayoría no tiene beneficios adicionales para los sistemas BIPV. [44] Y, por lo general, los sistemas BIPV deben cumplir con los estándares de la industria fotovoltaica y de la construcción, lo que impone mayores exigencias en la implementación de sistemas BIPV. Además, las políticas gubernamentales de precios más bajos de la energía convencional conducirán a menores beneficios del sistema BIPV, lo cual 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 BIPV es limitada y el costo generalmente se considera demasiado alto. Es probable que profundizar la comprensión pública sobre BIPV a través de diversos canales públicos (por ejemplo, políticas, participación comunitaria y edificios de demostración) sea beneficioso para su desarrollo a largo plazo. [44]

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos