El desarrollo histórico de la tecnología Térmica Fotovoltaica (PVT): del concepto a la comercialización

Introducción

La estructura energética global ha experimentado enormes cambios durante el último medio siglo. Los sistemas integrados fotovoltaicos y solares térmicos (PVT) se han ido perfilando como una solución innovadora capaz de satisfacer simultáneamente las dos demandas energéticas básicas: la eléctrica y la térmica. El sistema PVT integra células fotovoltaicas y colectores solares en una única placa plana, no sólo maximizando la utilización de la radiación solar sino también mejorando significativamente la eficiencia general de conversión de energía.

Aunque los paneles solares PVT se consideran generalmente un concepto técnico relativamente nuevo, su historia se remonta aproximadamente a la década de 1950. Desde el prototipo experimental a principios de la década de 1970 hasta su aplicación comercial, que ha ido madurando gradualmente en la actualidad, el proceso de desarrollo de los paneles solares PVT refleja una trayectoria más amplia para el desarrollo de las energías renovables, que incluye la evolución coordinada de avances tecnológicos, el apoyo político y la consolidación del mercado. Este artículo pretende analizar el contexto histórico de la tecnología PVT y explorar su evolución gradual desde un concepto teórico hasta una solución energética integral comercialmente viable.

Origen: década de 1970, la etapa naciente del concepto

La tecnología PVT se inició en la década de 1970. Durante este período, debido a las advertencias sobre la seguridad energética generadas por las dos crisis petroleras de 1973 y 1979, el énfasis mundial en las energías renovables aumentó considerablemente. Los investigadores buscan activamente alternativas a los combustibles fósiles. La energía solar se considera una de las áreas más prometedoras debido a su universalidad y sostenibilidad.

El uso tradicional de la energía solar se divide en dos categorías principales: fotovoltaica y termosolar. Sin embargo, los ingenieros han observado que, durante el funcionamiento de la generación de energía fotovoltaica, el aumento de temperatura provoca una disminución de la eficiencia de generación. Este fenómeno ha dado lugar a una idea clave: ¿Es posible recuperar el calor residual al enfriar los paneles fotovoltaicos y lograr un uso eficiente de la energía térmica? 

El concepto de PVT a principios de la década de 1970 se basaba principalmente en sistemas de aire, con el objetivo de integrarse con los sistemas de calefacción y ventilación de edificios. La estructura básica consiste en un panel fotovoltaico, tras el cual se encuentra un canal de flujo de aire para captar y circular el aire caliente. Si bien la mejora en la eficiencia no es significativa, esto sienta las bases conceptuales para el PVT como sistema de doble función.

Expansión y progreso tecnológico: los años 1980-1990 

Las décadas de 1980 y 1990 fueron períodos de continuo progreso en la tecnología fotovoltaica y un creciente interés académico. Con la popularización de los paneles fotovoltaicos de silicio cristalino y la mejora de la rentabilidad, los investigadores comenzaron a estudiar la refrigeración líquida como un método de refrigeración más eficaz que la circulación de aire.

Se mejoró el sistema fotovoltaico (PVT) basado en aire optimizando el diseño de las tuberías e integrándolo con el sistema de calefacción de espacios.

Esto ha impulsado el desarrollo de sistemas fotovoltaicos líquidos (PVT), que utilizan agua o anticongelante como medio de transferencia de calor para absorber el calor con mayor eficacia. Este método puede enfriar eficazmente los paneles fotovoltaicos y lograr una mayor producción de calor, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de agua caliente sanitaria doméstica o industriales.

Durante este período, se llevaron a cabo numerosos estudios de laboratorio e instalaciones experimentales en universidades de Europa, Norteamérica y Asia. Se desarrollaron modelos técnicos para analizar el flujo de energía, predecir el rendimiento y optimizar el diseño. Si bien los beneficios comerciales siguen siendo limitados, la base académica de la tecnología fotovoltaica moderna se ha consolidado.

El comienzo del siglo XXI marcó un punto de inflexión crucial para el desarrollo global de las energías renovables. Durante este período, Europa y Japón lideraron la investigación a gran escala y las demostraciones de aplicaciones de la tecnología de energía solar. En este contexto, surgió el sistema fotovoltaico y solar térmico integrado en edificios (BIPVT). El BIPVT no solo integra colectores fotovoltaicos como parte de la envolvente exterior del edificio, como muros exteriores, claraboyas o componentes del tejado, sino que también integra la generación de energía, la calefacción, la estética arquitectónica y el aislamiento, mejorando significativamente la eficiencia energética y el atractivo visual del edificio.

Europa explora activamente la integración de la generación de energía fotovoltaica en los sistemas energéticos urbanos mediante proyectos de demostración en el marco del Plan de Energías Renovables de la UE. Japón ha incorporado su investigación fotovoltaica a su estrategia nacional para mejorar su tasa de autosuficiencia energética y reducir su dependencia de combustibles importados. Mientras tanto, se ha comenzado a intentar combinar la energía fotovoltaica con diversas tecnologías, como bombas de calor, almacenamiento de calor estacional y redes de calefacción urbana, para formar un sistema energético híbrido. Si bien en aquel momento todavía era una aplicación de nicho, su potencial de integración interdisciplinaria atrajo inicialmente la atención de los responsables políticos y la industria.

A principios de la década de 2010, con la significativa disminución de los costos de la energía fotovoltaica, la creciente urgencia de los problemas climáticos y el fortalecimiento de los incentivos políticos, el despliegue global de energías renovables se ha acelerado. La tecnología PVT también está saliendo gradualmente del laboratorio y avanzando hacia la fase inicial de comercialización. Numerosas empresas de Europa, Israel y Asia han lanzado sucesivamente diversos productos PVT, que abarcan colectores de placa plana, tipos vidriados/no vidriados y sistemas de concentración. Los factores importantes que impulsan la comercialización en esta etapa incluyen:

• Avances en la tecnología de materiales, como intercambiadores de calor de alta eficiencia, recubrimientos de absorción selectiva y procesos de envasado de larga duración;

• Se ha mejorado la eficiencia energética global del sistema y los beneficios integrales generalmente superan el 70%, lo que resulta especialmente ventajoso en escenarios con espacio limitado.

•  La demanda de soluciones de energía distribuida en los sectores residencial, comercial e industrial continúa creciendo.

• Los casos reales también han confirmado los múltiples beneficios del sistema PVT, incluida la reducción de los costos de energía, el aumento de la tasa de autoconsumo de energía solar y la mejora del retorno de la inversión en el contexto de la utilización combinada de electricidad y calor.

Desde 2020, impulsada por el objetivo de neutralidad de carbono y políticas climáticas cada vez más estrictas, la transición energética global ha entrado en una nueva etapa. Muchos países han establecido objetivos de cero emisiones netas para mediados de siglo, lo que ofrece amplias perspectivas para la tecnología integrada fotovoltaica y termosolar. Las tecnologías solares integradas, como la termosolar, disfrutan ahora de oportunidades de desarrollo sin precedentes.

La pandemia de COVID-19 ha puesto aún más de relieve la importancia de la resiliencia energética y la producción local de energía limpia. Por lo tanto, la tecnología de transmisión de energía (TVP) se ha aplicado cada vez más en los siguientes campos: 

• Las residencias y familias buscan sistemas eficientes para satisfacer sus demandas de electricidad y agua caliente.

• Los edificios comerciales, que se benefician de la integración de BIPVT, han reducido sus costos energéticos operativos. 

• En los procesos industriales, especialmente en la industria alimentaria, textil y química, el calor de media y baja temperatura es de vital importancia. 

Mientras tanto, la innovación tecnológica amplía constantemente las posibilidades: 

• La combinación de PVT y bombas de calor ha conseguido una calefacción y una refrigeración eficientes durante toda la temporada. 

• Integrado con el almacenamiento de energía térmica, se ha conseguido una mejor gestión de la carga. 

• El sistema de control inteligente ha mejorado la adaptación a la demanda y la interacción con la red.

Hoy en día, la PVT ya no se considera una tecnología experimental, sino que se ha convertido en un fuerte competidor en el mercado de las energías renovables, respaldado por docenas de proveedores comerciales y cada vez más popular en todo el mundo.

Las ventajas de promover la popularización

Hay varias razones por las que la PVT se reconoce como una solución de energía solar de gran valor:

• Alta eficiencia integral: La eficiencia integral de los sistemas integrados fotovoltaicos y termosolares (PVT) puede superar el 70%, mientras que la de los sistemas fotovoltaicos independientes ronda el 20%. La eficiencia de utilización de la energía termosolar se sitúa generalmente entre el 40% y el 60%.

• Rendimiento fotovoltaico superior y durabilidad: el sistema PVT puede reducir el estrés térmico de los módulos fotovoltaicos a través de una disipación de calor efectiva, extender su vida útil y mejorar la estabilidad de la generación de energía. 

• Utilización eficiente del espacio: el sistema PVT puede generar simultáneamente energía eléctrica y térmica en la misma área, lo que es particularmente importante en escenarios de aplicación urbanos o con limitaciones de espacio. 

• Amplios campos de aplicación: se puede utilizar ampliamente en diversos escenarios, como residenciales, comerciales, industriales y agrícolas. 

• En línea con los objetivos de desarrollo sostenible: la tecnología PVT ayuda a reducir las emisiones de carbono, promueve la integración de energía renovable en la red y apoya la implementación de estrategias de energía distribuida.

Retos y retos 

Si bien la generación de energía fotovoltaica (PVT) ha avanzado, también enfrenta muchos desafíos:

• En comparación con la generación de energía solar térmica o fotovoltaica independiente, el costo inicial es mayor. 

• Los requisitos para el diseño y mantenimiento del sistema son complejos. 

• En comparación con la generación de energía solar fotovoltaica tradicional, la comprensión del mercado actual de la tecnología de integración térmica fotovoltaica (PVT) todavía es relativamente limitada. 

• El actual sistema de apoyo político a menudo no tiene plenamente en cuenta las características de estas tecnologías híbridas, lo que genera numerosas restricciones cuando se solicitan medidas de incentivo. 

• Superar estos obstáculos es de importancia crucial para promover la aplicación a gran escala de sistemas fotovoltaicos y solares térmicos y liberar plenamente su potencial energético.

Conclusión 

Al analizar el desarrollo de la tecnología PVT, desde su propuesta conceptual en la década de 1970 hasta su comercialización gradual en la actualidad, esta tecnología ha experimentado casi cinco décadas de evolución. Esto no solo marca la transición de los métodos de aprovechamiento de la energía solar, de la generación de energía individual o la producción de calor individual a un modelo integrado de suministro combinado de calor y electricidad, sino que también refleja la tendencia general de la industria de las energías renovables a pasar de la exploración experimental a la aplicación comercial. 

En el contexto de los esfuerzos conjuntos a nivel mundial hacia la neutralidad de carbono, la tecnología PVT, con su conversión de energía compuesta altamente eficiente, la cogeneración estable de calor y electricidad, y la excelente adaptabilidad del sistema, presenta unas perspectivas de aplicación únicas. No solo es aplicable a diversos escenarios de consumo energético, sino que también satisface mejor los múltiples requisitos del futuro sistema energético en cuanto a limpieza, bajas emisiones de carbono, flexibilidad y alta eficiencia. 

La historia del desarrollo de la tecnología de transmisión de energía (TFP) no es solo un proceso de maduración de una tecnología, sino también un claro ejemplo del efecto conjunto de mecanismos innovadores, apoyo político y demanda del mercado para impulsar la transformación energética. De cara al futuro, se espera que la TFP desempeñe un papel más importante en la construcción de un nuevo sistema energético dominado por las energías renovables.