GiPV: Fotovoltaica integrada en edificios con módulos solares semitransparentes

La energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) se refiere a los materiales fotovoltaicos que sustituyen a los materiales de construcción convencionales en partes de la envolvente del edificio, como el tejado, los tragaluces o la fachada. Se integra cada vez más en edificios de nueva construcción como fuente de energía primaria o secundaria, y los edificios existentes también pueden modernizarse con tecnología similar. La ventaja de la energía fotovoltaica integrada sobre los sistemas convencionales no integrados reside en que los costes iniciales se pueden compensar reduciendo el gasto en materiales y mano de obra que normalmente se requeriría para construir la parte del edificio que sustituyen los módulos BIPV. Además, la BIPV permite una mayor aceptación de las instalaciones solares cuando la estética del edificio es un factor a considerar, ya que los paneles solares convencionales montados en bastidor perjudicarían la apariencia deseada.

El término BAPV (fotovoltaica aplicada a edificios) se utiliza a veces para referirse a los sistemas fotovoltaicos que se instalan en edificios. La mayoría de los sistemas integrados en edificios son, de hecho, BAPV. Algunos fabricantes y promotores diferencian entre BIPV y BAPV en las nuevas construcciones.

Las aplicaciones de la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) surgieron en la década de 1970. Los módulos fotovoltaicos con estructura de aluminio se fijaban o montaban en edificios, generalmente ubicados en zonas remotas sin acceso a la red eléctrica. En la década de 1980, comenzaron a instalarse sistemas fotovoltaicos en tejados. Estos sistemas se instalaban generalmente en edificios conectados a la red eléctrica y ubicados en zonas con centrales eléctricas centralizadas. En la década de 1990, se comercializaron productos BIPV diseñados específicamente para su integración en la envolvente del edificio. Una tesis doctoral de 1998 de Patrina Eiffert, titulada "Una evaluación económica de BIPV", planteó la hipótesis de que algún día habría valor económico en la comercialización de créditos de energía renovable (CER). Una evaluación económica y una breve historia de BIPV, realizada por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE. UU. en 2011, sugieren que aún existen importantes desafíos técnicos antes de que los costos de instalación de BIPV puedan competir con los de los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, existe un creciente consenso en que los sistemas BIPV, mediante su comercialización generalizada, constituirán la base del objetivo europeo de Edificios de Energía Cero (ZEB) para 2020. A pesar de las prometedoras posibilidades técnicas, también se han identificado barreras sociales para su adopción generalizada, como la cultura conservadora del sector de la construcción y la integración en la planificación urbana de alta densidad. Los autores señalan que es probable que la adopción a largo plazo dependa tanto de decisiones políticas eficaces como del desarrollo tecnológico.

Los módulos solares semitransparentes ofrecen una forma interesante de integrar la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) en la arquitectura y el urbanismo. Es muy probable que este novedoso tipo de generación de energía solar se convierta en un componente importante de la producción eléctrica mundial en el futuro.

La integración de sistemas fotovoltaicos en edificios con módulos solares semitransparentes es una opción atractiva para construir edificios energéticamente eficientes. Esta tecnología puede ayudar a reducir los costes energéticos y, al mismo tiempo, mejorar el exterior del edificio.

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

En resumen, la energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) es una forma de energía renovable altamente 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 en suelo y tejado.

Módulos fotovoltaicos solares de película delgada de silicio cristalino amorfo, que pueden ser huecos, livianos, de color rojo, azul y amarillo, utilizados como fachada de vidrio y tragaluz transparente.

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

Módulos solares de doble acristalamiento con células cuadradas en su interior.

techos planos

La solución más extendida hasta la fecha es una célula solar de película delgada amorfa integrada en un módulo de polímero flexible, que se fija mediante una película adhesiva entre la lámina posterior del módulo solar y la membrana del tejado. Mediante la tecnología de seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), una empresa estadounidense ha logrado una eficiencia celular del 17 % para módulos integrados en edificios con membranas de TPO monocapa.

Techos inclinados

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

Módulos con forma de varias tejas.

Las tejas solares son módulos que parecen y funcionan como tejas normales, pero contienen una celda de película delgada flexible.

Prolongan la vida útil de los techos al proteger el aislamiento y las membranas de la radiación UV y los daños causados ​​por el agua. También previenen la condensación al mantener el punto de rocío por encima de la membrana del techo.

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

fachada

Las fachadas se pueden instalar en edificios existentes, dándoles una apariencia completamente nueva. Estos módulos se instalan en 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 diversos elementos arquitectónicos, generalmente de vidrio o materiales similares, como ventanas y claraboyas. No solo generan energía eléctrica, sino que también permiten un mayor ahorro energético gracias a sus excelentes propiedades de aislamiento térmico y a su capacidad para controlar la radiación solar.

Ventanas de vidrio fotovoltaico: La integración de tecnologías de generación de energía en edificios residenciales y comerciales ha abierto nuevas áreas de investigación que priorizan la estética general del producto final. Si bien el objetivo sigue siendo lograr una alta eficiencia, los nuevos desarrollos en ventanas fotovoltaicas también buscan ofrecer a los consumidores un nivel óptimo de transparencia del vidrio o la posibilidad de elegir entre una amplia gama de colores. Se pueden diseñar paneles solares de diferentes colores para absorber de forma óptima rangos de longitud de onda específicos del espectro más amplio. El vidrio fotovoltaico coloreado se ha desarrollado con éxito utilizando células solares semitransparentes, de perovskita y sensibilizadas con colorante.

• Las células solares plasmónicas que absorben y reflejan la luz de color se desarrollaron utilizando la tecnología Fabry-Pérot-Etalon. Estas células constan de dos películas metálicas reflectantes paralelas y una película de cavidad dieléctrica entre ellas. Los dos electrodos están hechos de plata (Ag), y la cavidad entre ellos está hecha de Sb₂O₃. Al cambiar el grosor y el índice de refracción de la cavidad dieléctrica, se altera la longitud de onda que se absorbe mejor. La adaptación del color del vidrio de la capa de absorción a la parte específica del espectro para la cual el grosor y el índice de refracción de la célula son más adecuados mejora tanto la estética de la célula al intensificar su color como al minimizar las pérdidas de fotocorriente. Los dispositivos de luz roja y azul alcanzaron transmitancias del 34,7 % y el 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 color desarrollados y probados.
• La tecnología de células solares de perovskita puede ajustarse para las longitudes de onda del rojo, verde y azul modificando 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 la célula es más adecuada.
• Las células solares sensibilizadas con colorante utilizan electrolitos líquidos para capturar la luz y convertirla en energía utilizable, de forma 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 tonos anaranjados y morados. Investigadores de la Universidad de Concepción han demostrado la viabilidad de las células solares coloreadas sensibilizadas con colorante, que lucen vibrantes y absorben selectivamente longitudes de onda de luz específicas. Esta solución de bajo costo utiliza pigmentos naturales derivados del maqui, el mirto negro y la espinaca como sensibilizadores. Estos sensibilizadores naturales se intercalan entre dos capas de vidrio transparente. Si bien la eficiencia de estas células, particularmente económicas, aún no está clara, investigaciones previas con células solares orgánicas sensibilizadas con colorante han logrado una alta eficiencia de conversión de energía del 9,8 %.

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

La mayoría de las células solares convencionales utilizan luz visible e infrarroja para generar electricidad. En cambio, esta innovadora célula solar también utiliza radiación ultravioleta. Si se utiliza como sustituto del vidrio convencional para ventanas o se coloca sobre vidrios existentes, el área de instalación podría ser amplia, lo que ofrece posibles aplicaciones que combinan generación de energía, iluminación y control de temperatura.

Otro término para la energía fotovoltaica transparente es «energía fotovoltaica translúcida» (solo deja pasar la mitad de la luz incidente). Al igual que la energía fotovoltaica inorgánica, la energía fotovoltaica orgánica también puede ser translúcida.

No selectivo de 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 cualquier tipo de célula solar opaca y distribuye varias células pequeñas sobre un sustrato transparente. Esta segmentación reduce drásticamente la eficiencia de conversión de energía y aumenta la transmisión.

Otra rama de la energía fotovoltaica no selectiva en longitud de onda utiliza semiconductores de película delgada con absorción visible, de pequeño espesor o con una separación de banda suficientemente amplia como para permitir el paso de la luz. Esto da como resultado una energía fotovoltaica semitransparente con una relación directa entre eficiencia y transmisión similar a la de las células solares opacas segmentadas espacialmente.

Otra rama de la energía fotovoltaica no selectiva en longitud de onda utiliza semiconductores de película delgada con absorción visible, de bajo espesor o con una separación de banda suficientemente amplia que permite el paso de la luz. Esto da como resultado una energía fotovoltaica semitransparente con una relación directa entre eficiencia y transmisión similar a la de las células solares opacas segmentadas espacialmente.

Fotovoltaica selectiva en longitud de onda

La tecnología fotovoltaica selectiva por longitud de onda (WSPV) logra la transparencia mediante el uso de materiales que absorben únicamente luz UV y/o NIR, y se introdujo por primera vez en 2011. A pesar de su mayor transmitancia, la eficiencia de conversión de energía es menor debido a diversos problemas. Entre ellos se incluyen las cortas longitudes de difusión de los excitones, el escalado de electrodos transparentes sin comprometer la eficiencia y la vida útil total debido a la inestabilidad inherente de los materiales orgánicos utilizados en las WSPV.

Innovaciones en energía fotovoltaica transparente y translúcida

Los primeros intentos de desarrollar sistemas fotovoltaicos orgánicos semitransparentes, no selectivos en longitud de onda, con capas activas muy delgadas que absorben en el espectro visible, lograron eficiencias inferiores al 1 %. Sin embargo, en 2011, sistemas fotovoltaicos orgánicos transparentes, utilizando un donante orgánico de ftalocianina de cloroaluminio (ClAlPc) y un aceptor de fulereno, demostraron absorción en el espectro ultravioleta e infrarrojo cercano (NIR) con eficiencias cercanas al 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 sobre células solares orgánicas, lo que resultó en una transmitancia de luz visible del 61 % y eficiencias mejoradas del 2,8 % al 4,1 %.

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