GiPV: Fotovoltaica integrada en edificios con módulos solares parcialmente transparentes – Fotovoltaica integrada en edificios

La energía fotovoltaica integrada en edificios - GiPV (Building-integrated photovoltaics - BIPV) son materiales fotovoltaicos que sustituyen a los materiales de construcción convencionales en partes de la envolvente del edificio, como el tejado, las claraboyas o la fachada. Se están integrando cada vez más en la construcción de nuevos edificios como fuente principal o secundaria de electricidad, aunque los edificios existentes también pueden modernizarse con tecnología similar. La ventaja de la energía fotovoltaica integrada sobre los sistemas no integrados habituales es que los costes iniciales pueden compensarse reduciendo el gasto en materiales de construcción y mano de obra que normalmente se requerirían para construir la parte del edificio que reemplazan los módulos BIPV. Además, BIPV permite una adopción más amplia de instalaciones solares cuando la estética del edificio es una preocupación y los paneles solares tradicionales montados en bastidor alterarían el aspecto previsto del edificio.

El término BAPV (Building-applied photovoltaics) para referirse a la energía fotovoltaica integrada en edificios se utiliza a veces para referirse a sistemas fotovoltaicos que posteriormente se integran en el edificio. La mayoría de los sistemas integrados en edificios son en realidad BAPV. Algunos fabricantes y constructores diferencian entre BIPV y BAPV para edificios nuevos.

Las aplicaciones fotovoltaicas para edificios surgieron en los años 1970. Se conectaron o montaron paneles fotovoltaicos con marcos de aluminio en edificios, generalmente ubicados en áreas remotas sin acceso a una red eléctrica. En los años 80 se empezaron a instalar módulos fotovoltaicos en los tejados. Estos sistemas fotovoltaicos normalmente se instalaban en edificios conectados a la red eléctrica y ubicados en áreas con plantas de energía centralizadas. En la década de 1990, los productos de construcción BIPV diseñados específicamente para integrarse en la envolvente del edificio estuvieron disponibles comercialmente. 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). Una evaluación económica de 2011 y una breve revisión de la historia de BIPV realizada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. sugiere que todavía hay importantes desafíos técnicos que superar antes de que los costos de instalación de BIPV puedan competir con los de los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, existe un consenso cada vez mayor de que los sistemas BIPV, a través de su comercialización generalizada, constituirán la columna vertebral del objetivo europeo de construcción de energía cero (ZEB) para 2020. A pesar de las prometedoras posibilidades técnicas, también se han identificado barreras sociales para su uso generalizado, como la cultura conservadora de la industria de la construcción y la integración en la planificación urbana de alta densidad. Los autores señalan que es probable que el uso a largo plazo dependa tanto de decisiones políticas efectivas como del desarrollo técnico.

Los módulos solares parcialmente transparentes ofrecen una oportunidad interesante para integrar la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) en la arquitectura y la planificación urbana. Este nuevo tipo de generación de energía solar probablemente será una parte importante de la producción de electricidad en todo el mundo en el futuro.

La energía fotovoltaica integrada en edificios con módulos solares parcialmente transparentes es una opción atractiva para la construcción de edificios energéticamente eficientes. Esta tecnología puede ayudar a reducir los costos de suministro de energía mientras mejora el exterior del edificio.

Además, se pueden utilizar módulos solares semitransparentes para dirigir la luz natural al interior de un edificio. Esto no sólo ahorra energía sino que también reduce el coste de la iluminación artificial.

En resumen, se puede decir que la fotovoltaica integrada en edificios es un tipo de energía renovable muy eficiente y versátil. Tiene el potencial de mejorar de forma sostenible el suministro energético de los edificios.

Módulos solares de silicio cristalino para centrales eléctricas montadas en suelo y en tejados.

Módulos fotovoltaicos solares de película delgada de silicio cristalino amorfo, que pueden ser huecos, ligeros, rojos, azules y amarillos, como fachada de vidrio y tragaluz transparente.

Células de película delgada basadas en CIGS (cobre-indio-galio-seleniuro) en módulos flexibles que se laminan sobre el elemento envolvente del edificio, o las células CIGS se montan directamente sobre el sustrato de la envolvente del edificio.

Paneles solares de doble cristal con celdas cuadradas en su interior.

Techos planos

La solución más utilizada hasta la fecha es una célula solar amorfa de película fina integrada en un módulo de polímero flexible, que se fija con una película adhesiva entre la película trasera del módulo solar y la impermeabilización del tejado. Utilizando la tecnología de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), una empresa estadounidense puede lograr una eficiencia celular del 17 % para construir módulos integrados en membranas de TPO de una sola capa.

Techos inclinados

Las tejas solares son tejas (cerámicas) con módulos solares integrados. La teja solar cerámica fue desarrollada y patentada por una empresa holandesa en 2013.

Módulos con forma de varias tejas.

Las tejas solares son paneles que se ven y funcionan como tejas normales, pero contienen una celda de película delgada flexible.

Prolongan la vida útil normal de los tejados protegiendo el aislamiento y las membranas de la radiación ultravioleta y los daños causados ​​por el agua. También se evita la condensación ya que el punto de rocío se mantiene por encima de la membrana del tejado.

Los techos inclinados metálicos (tanto estructurales como arquitectónicos) ahora se están equipando con capacidades fotovoltaicas, ya sea uniendo un módulo flexible independiente o sellando térmicamente y al vacío las células CIGS directamente al sustrato.

fachada

Las fachadas se pueden unir a edificios existentes y dar a los edificios antiguos un aspecto completamente nuevo. Estos módulos se fijan a la fachada del edificio sobre la estructura existente, lo que puede aumentar el atractivo del edificio y su valor de reventa.

acristalamiento

Las ventanas fotovoltaicas son módulos (semi)transparentes que pueden sustituir una serie de elementos arquitectónicos normalmente fabricados en vidrio o materiales similares, como por ejemplo: B. Ventanas y tragaluces. No sólo generan energía eléctrica, sino que pueden proporcionar un mayor ahorro energético gracias a sus excelentes propiedades de aislamiento térmico y control de la radiación solar.

Ventanas de vidrio fotovoltaico: la integración de tecnologías de generación de energía en edificios residenciales y comerciales ha abierto áreas adicionales de investigación que prestan mayor atención a la estética general del producto final. Si bien el objetivo sigue siendo lograr una alta eficiencia, los nuevos desarrollos en ventanas fotovoltaicas también apuntan a proporcionar a los consumidores un nivel óptimo de transparencia del vidrio y/o la posibilidad de elegir entre una gama de colores. Se pueden diseñar paneles solares de diferentes colores para absorber de manera óptima ciertos rangos de longitud de onda del espectro más amplio. Se ha desarrollado con éxito vidrio fotovoltaico coloreado utilizando células solares semitransparentes, de perovskita y sensibilizadas con colorantes.

• Las células solares plasmónicas, que absorben y reflejan la luz de colores, se desarrollaron utilizando la tecnología Fabry-Pérot-Etalon. Estas celdas constan de "dos películas metálicas reflectantes paralelas y una película de cavidad dieléctrica entre ellas". Los dos electrodos están hechos de Ag y la cavidad entre ellos está hecha de Sb2O3. Cambiar el grosor y el índice de refracción de la cavidad dieléctrica cambia la longitud de onda que se absorbe mejor. Hacer coincidir el color del vidrio de la capa de absorción con la parte específica del espectro con la que mejor coinciden el grosor y el índice de refracción de la celda mejora la estética de la celda al intensificar su color y minimizar las pérdidas de fotocorriente. Para los dispositivos de luz roja y azul, se logró una transmitancia del 34,7% y 24,6%, respectivamente. Los dispositivos azules pueden convertir el 13,3% de la luz absorbida en electricidad, lo que los convierte en los más eficientes de todos los dispositivos de colores desarrollados y probados.
• La tecnología de células solares de perovskita se puede sintonizar en rojo, verde y azul cambiando el grosor de los nanocables metálicos a 8, 20 y 45 nm, respectivamente. Se lograron eficiencias energéticas máximas del 10,12%, 8,17% y 7,72% ajustando la reflectancia del vidrio a la longitud de onda para la que cada celda es más adecuada.
• Las células solares de tinte utilizan electrolitos líquidos para capturar la luz y convertirla en energía utilizable; Esto ocurre de manera similar a cómo los pigmentos naturales permiten la fotosíntesis en las plantas. Si bien la clorofila es el pigmento específico responsable del color verde de las hojas, otros pigmentos naturales como los carotenoides y las antocianinas producen variaciones de colores naranja y morado. Investigadores de la Universidad de Concepción han demostrado la viabilidad de células solares coloreadas sensibilizadas con tintes que aparecen y absorben selectivamente ciertas longitudes de onda de luz. Esta solución rentable utiliza pigmentos naturales de la fruta maqui, el mirto negro y las espinacas como sensibilizadores. Luego, estos sensibilizantes naturales se colocan entre dos capas de vidrio transparente. Si bien la eficiencia de estas células particularmente económicas aún no está clara, investigaciones anteriores en el campo de las células de tintes orgánicos lograron una "alta eficiencia de conversión de energía del 9,8%".

Las células solares transparentes utilizan una capa de óxido de estaño en el interior de los paneles de vidrio para conducir la electricidad fuera de la célula. La celda contiene óxido de titanio recubierto con un tinte fotoeléctrico.

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. Cuando se utiliza como reemplazo del vidrio de ventana tradicional o se coloca sobre el vidrio, el área de instalación puede ser grande, lo que genera aplicaciones potenciales que utilizan las funciones combinadas de generación de energía, iluminación y control de temperatura.

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

No selectivo en longitud de onda

Algunos sistemas fotovoltaicos no selectivos en longitud de onda logran semitransparencia mediante la segmentación espacial de células solares opacas. Este método utiliza células solares opacas y distribuye varias células pequeñas sobre un sustrato transparente. Esta división reduce drásticamente la eficiencia de la conversión de energía y aumenta la transmisión.

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.

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 suficientemente grandes que permiten el paso de la luz. Esto conduce a energía fotovoltaica semitransparente con un compromiso directo similar entre eficiencia y transmisión como el de las células solares opacas espacialmente segmentadas.

Energía fotovoltaica selectiva en longitud de onda

La energía fotovoltaica de longitud de onda selectiva logra transparencia mediante el uso de materiales que solo absorben luz UV y/o NIR y se introdujo por primera vez en 2011. A pesar de la mayor permeabilidad, las eficiencias de conversión de energía son menores debido a una serie de problemas. Estos incluyen longitudes de difusión de excitones pequeñas, escalamiento de electrodos transparentes sin comprometer la eficiencia y vida útil general debido a la inestabilidad de los materiales orgánicos utilizados en los TPV en general.

Innovaciones en energía fotovoltaica transparente y translúcida

Los primeros intentos de desarrollar energía fotovoltaica orgánica semitransparente, no selectiva en longitud de onda, con capas activas muy delgadas que absorben en el espectro visible, solo lograron eficiencias inferiores al 1%. Sin embargo, en 2011, la energía fotovoltaica orgánica transparente con un donante de ftalocianina de cloroaluminio orgánico (ClAlPc) y un aceptor de fullereno mostró absorción en el espectro ultravioleta e infrarrojo cercano (NIR) con eficiencias de alrededor del 1,3% y una transmitancia de luz visible superior al 65%. En 2017, investigadores del MIT desarrollaron un método para depositar con éxito electrodos de grafeno transparentes en células solares orgánicas, lo que dio como resultado una transmitancia de luz visible del 61 % y eficiencias mejoradas del 2,8 al 4,1 %.

Las células solares de perovskita, que son muy populares como energía fotovoltaica de próxima generación con eficiencias superiores al 25%, también se han mostrado prometedoras para la energía fotovoltaica transparente. En 2015, una célula solar de perovskita semitransparente que utilizaba una perovskita de triyoduro de plomo y metilamonio y un electrodo superior de rejilla de nanocables de plata demostró una transmitancia del 79% a una longitud de onda de 800 nm y una eficiencia de aproximadamente el 12,7%.