Colector solar híbrido térmico fotovoltaico - Photovoltaic thermal hybrid solar collector
1 - Vidrio antirreflectante
2 - Encapsulante (p. Ej., EVA )
3 - Células solares fotovoltaicas
4 - Encapsulante (p. Ej., EVA )
5 - Lámina posterior ( p. ej. PVF )
6 - Intercambiador de calor (p. ej. aluminio , cobre o polímeros )
7 - Aislamiento térmico (p. ej. lana mineral , poliuretano )
Los colectores térmicos fotovoltaicos , normalmente abreviados 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 , 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 caloportador. Al combinar la generación de electricidad y calor dentro del mismo componente, estas tecnologías pueden alcanzar una eficiencia general más alta que la solar fotovoltaica (PV) o la solar térmica (T) por sí sola.
Se han realizado importantes investigaciones para desarrollar una amplia gama de tecnologías PVT desde la década de 1970. 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 100 ° C.
Mercados PVT
Los colectores PVT generan calor solar y electricidad básicamente libres de emisiones directas de CO2 y, por lo tanto, se consideran una tecnología ecológica prometedora para suministrar electricidad y calor renovables a edificios y procesos industriales.
El calor es el mayor uso final de energía . En 2015, la provisión de calefacción para 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 fue proporcionado por la combustión directa de combustibles fósiles , solo el 7% provino de renovables modernas como la energía solar térmica , biocombustible o geotermia . Se estima que el mercado de calor de baja calidad hasta 150 ° C representa el 26,8% de la demanda energética final mundial, que actualmente se abastece con combustibles fósiles (gas, petróleo y carbón), electricidad y calor renovable. Esta es la suma de la demanda de la industria 7.1% (25.5 EJ) y la demanda de edificios 19.7% (49.0 EJ residencial y 13.6 EJ comercial ).
Se espera que la demanda de electricidad en los edificios y la industria siga creciendo debido a la electrificación en curso y al acoplamiento del sector . 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 de calor y electricidad renovables es amplio, lo que ilustra el potencial de mercado de los colectores PVT.
El informe "Solar Heat Worldwide" evaluó el mercado global de colectores PVT en 2019. Según los autores, el área 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 por los colectores de aire (43%) y los colectores de agua cubiertos (2%). El país con mayor capacidad instalada fue Francia (42%), seguido de Corea del Sur (24%), China (11%) y Alemania (10%).
Tecnología de colector PVT
Los colectores PVT combinan la generación de electricidad solar y calor en un solo componente y, por lo tanto, logran una mayor eficiencia general y una mejor utilización del espectro solar que los módulos fotovoltaicos convencionales.
Las células fotovoltaicas alcanzan típicamente una eficiencia eléctrica entre el 15% y el 20%, mientras que la mayor parte del espectro solar (65% - 70%) se convierte en calor, aumentando 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. De esta manera, este exceso de calor se vuelve útil y se puede utilizar para calentar agua o como fuente de baja temperatura para bombas de calor, por ejemplo. Por tanto, los colectores PVT aprovechan mejor el espectro solar.
La mayoría de las células fotovoltaicas (por ejemplo, basadas en silicio ) sufren una caída en la eficiencia con el aumento de la temperatura de la célula. Cada Kelvin de aumento de la temperatura de la celda reduce la eficiencia entre un 0,2 y un 0,5%. 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 vida útil mejorada 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 térmico solar puro . Es decir, las temperaturas máximas de funcionamiento para la mayoría de los sistemas PVT están limitadas a menos de la temperatura máxima de la celda (normalmente por debajo de 100 ° C). Sin embargo, todavía se generan dos o más unidades de energía térmica por cada unidad de energía eléctrica, según la eficiencia de la celda y el diseño del sistema.
Tipos de colectores PVT
Hay una multitud de posibilidades técnicas para combinar células fotovoltaicas y colectores solares térmicos . Varios colectores PVT están disponibles como productos comerciales, que se pueden dividir en las siguientes categorías de acuerdo con su diseño básico y fluido de transferencia de calor :
- Colector de líquido PVT
- Colector de aire PVT
Además de la clasificación por fluido caloportador , los colectores PVT también se pueden categorizar según la presencia de un acristalamiento secundario para reducir las pérdidas de calor y la presencia de un dispositivo para concentrar la irradiación solar :
- Colector PVT descubierto (WISC PVT)
- Colector PVT cubierto
- Colector concentrador de PVT (CPVT)
Además, los colectores PVT se pueden clasificar de acuerdo con su diseño, como tecnología celular , tipo de fluido , material y geometría del intercambiador de calor , tipo de contacto entre el fluido y el módulo fotovoltaico , la fijación del intercambiador de calor o el nivel de integración del edificio (edificio PVT integrado Colectores (BIPVT)).
El diseño y tipo de colectores PVT implica siempre una cierta adaptación a las temperaturas de funcionamiento , las aplicaciones y la prioridad a la generación de calor o electricidad . Por ejemplo, operar el colector PVT a bajas temperaturas conduce a 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 utilizarse a bajas temperaturas.
Las temperaturas máximas de funcionamiento para la mayoría de los módulos fotovoltaicos están limitadas a menos de las temperaturas máximas de funcionamiento certificadas (normalmente 85 ° C). No obstante, se generan dos o más unidades de energía térmica por cada unidad de energía eléctrica, según la eficiencia de la celda y el diseño del sistema.
Colector de líquido PVT
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 , generalmente agua, glicol o aceite mineral, circula en el intercambiador de calor detrás de las células 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 es más frío que la temperatura de funcionamiento de las celdas).
Colector de aire PVT
El diseño básico refrigerado por aire utiliza una carcasa conductora hueca 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 exterior fresco o utilizan aire como medio de transferencia de calor en circulación en un circuito cerrado. El calor se irradia desde los paneles al espacio cerrado, donde el aire circula hacia el sistema HVAC de un 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 típicamente utilizados y, por lo tanto, requiere un caudal másico proporcionalmente más alto que un colector de líquido PVT equivalente. La ventaja es que la infraestructura requerida tiene menor costo y complejidad.
El aire calentado se hace circular hacia el sistema HVAC de un edificio para suministrar energía térmica . El exceso de calor generado puede simplemente ventilarse a la atmósfera. Algunas versiones del colector de aire PVT se pueden operar para enfriar los paneles fotovoltaicos para generar más electricidad y ayudar 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 del colector de aire PVT van desde una caja metálica básica cerrada y poco profunda con una entrada y salida hasta superficies optimizadas de transferencia de calor que logran una transferencia de calor uniforme del panel en una amplia gama de condiciones ambientales y de proceso.
Los colectores de aire PVT se pueden realizar como diseños descubiertos o cubiertos.
Colector PVT descubierto (WISC)
Los colectores PVT descubiertos, también denominados colectores PVT no vidriados o sensibles al viento y / o infrarrojos (WISC), generalmente consisten en un módulo fotovoltaico con una estructura de intercambiador de calor unida a la parte posterior del módulo fotovoltaico. Si bien la mayoría de los colectores PVT son unidades prefabricadas, algunos productos se ofrecen como intercambiadores de calor para ser adaptados a módulos fotovoltaicos listos para usar. 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.
La parte trasera del colector PVT descubierto puede equiparse con aislamiento térmico (por ejemplo, lana mineral o espuma) para reducir las pérdidas de calor del fluido calentado. Los colectores de PVT sin aislamiento son beneficiosos para el funcionamiento cerca y por debajo de la temperatura ambiente . Los colectores PVT especialmente descubiertos con mayor transferencia de calor al aire ambiente son una fuente de calor adecuada para sistemas de bomba de calor . Cuando la temperatura en la fuente de la bomba de calor es más baja que la ambiente, el fluido se puede calentar a temperatura ambiente incluso en períodos sin luz solar.
En consecuencia, los colectores PVT descubiertos se pueden clasificar en:
- Colector PVT descubierto con mayor transferencia de calor al aire ambiente
- Colector PVT descubierto sin aislamiento trasero
- Colector PVT descubierto con aislamiento trasero
Los colectores PVT descubiertos también se utilizan para proporcionar enfriamiento renovable al disipar el calor a través del colector PVT al aire ambiente o al utilizar el efecto de enfriamiento radiativo . Al hacerlo, se aprovecha el aire frío o el agua, que se pueden utilizar para aplicaciones de HVAC .
Colector PVT cubierto
Los colectores PVT cubiertos o acristalados 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 25 ° C en aplicaciones de piscinas y 90 ° C en sistemas de refrigeración solar .
Los colectores PVT cubiertos se asemejan a la forma y el diseño de los colectores de placa plana convencionales o tubos de vacío de vacío . Sin embargo, las células fotovoltaicas en lugar de revestimientos absorbentes espectralmente selectivos absorben la irradiancia 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 los reflejos ópticos y, por lo tanto, reducen la energía eléctrica generada. Los revestimientos antirreflectantes en el acristalamiento frontal pueden reducir las pérdidas ópticas adicionales.
Concentrador PVT (CPVT)
Un sistema concentrador tiene la ventaja de reducir la cantidad de células fotovoltaicas necesarias. Por lo tanto, es posible utilizar células fotovoltaicas más caras y eficientes, por ejemplo, células fotovoltaicas de unión múltiple . La concentración de 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 concentradores también requieren a menudo sistemas de control confiables para rastrear con precisión el sol y proteger las células fotovoltaicas de las condiciones dañinas de exceso de temperatura. Sin embargo, también hay tipos de colectores PVT fijos que utilizan reflectores sin imágenes , como el concentrador parabólico compuesto (CPC) , y no tienen que seguir el sol.
En condiciones ideales, alrededor del 75% de la energía solar que incide directamente sobre dichos sistemas puede acumularse en forma de electricidad y calor a temperaturas de hasta 160 ° C. Las unidades CPVT que se combinan con almacenamiento de energía térmica y generadores orgánicos de ciclo Rankine pueden proporcionar una recuperación bajo demanda de hasta el 70% de su generación instantánea de electricidad y, por lo tanto, pueden ser una alternativa bastante eficiente a los tipos de almacenamiento eléctrico que se combinan con los tradicionales. Sistemas fotovoltaicos.
Una limitación de los sistemas de alta concentración (es decir, HCPV y HCPVT) es que mantienen sus ventajas a largo plazo sobre los colectores convencionales de c-Si / mc-Si solo en regiones que permanecen constantemente libres de contaminantes atmosféricos en aerosol (p. Ej., Nubes ligeras, smog, etc.). La producción de energía se degrada rápidamente porque 1) la radiación se refleja y se dispersa fuera del ángulo de aceptación pequeño (a menudo menos de 1 ° -2 °) de la óptica de recolección, y 2) la absorción de componentes específicos del espectro solar causa una o más series uniones dentro de las celdas de uniones múltiples para 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.
Aplicaciones PVT
La gama de aplicaciones de los colectores PVT, y en general de los colectores solares térmicos , se puede dividir en función de sus niveles de temperatura :
- aplicaciones de baja temperatura hasta 50 ° C
- aplicaciones de temperatura media hasta 80 ° C
- aplicaciones de alta temperatura por encima de 80 ° C
En consecuencia, las tecnologías de colectores PVT pueden agruparse con respecto a sus niveles de temperatura: la idoneidad por 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. En última instancia, la temperatura de funcionamiento define 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 la carga para suministrar calor de temperatura media a un tanque de almacenamiento . Además, es posible la regeneración de perforaciones e intercambiadores de calor de fuentes terrestres . 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 permite almacenar el frío producido con WISC o colectores de aire, también es posible el aire acondicionado .
Las aplicaciones de temperatura baja y media 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 (p. Ej., Estación de agua dulce, requisitos de temperatura para la prevención de legionela ) y para calefacción de espacios (p. Ej. Calefacción por suelo radiante , radiadores ). Además, la matriz 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 de proceso solar incluye una amplia gama de aplicaciones industriales con requisitos de temperatura baja a alta (por ejemplo , desalinización solar de agua , refrigeración solar o generación de energía con colectores PVT concentradores).
Dependiendo del tipo de fluido caloportador , las tecnologías de colectores PVT son adecuadas para varias aplicaciones:
- Colector de aire PVT: sistemas de calefacción de espacios, procesos agrícolas (por ejemplo, secado de cultivos );
- Colector de líquido PVT: Calefacción de espacios (domésticos, industriales), sistemas de calentamiento de agua , desalinización de agua , refrigeración de espacios , sistemas de procesamiento de alimentos.
Las tecnologías PVT pueden aportar una contribución valiosa a la combinación de energía del mundo y pueden considerarse como una opción para aplicaciones que entregan electricidad , calor o frío renovables .