BTE Solar: Un análisis comparativo de sistemas PVT con sistemas fotovoltaicos y solares térmicos tradicionales

En el contexto de la actual transición energética global, la energía solar, como la forma de energía más limpia y renovable, se está integrando rápidamente en la producción y la vida de la sociedad humana. Las principales formas de utilización de la energía solar incluyen la generación de energía fotovoltaica (PV) y la utilización solar térmica (ST). La primera convierte directamente la radiación solar en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico, mientras que la segunda absorbe la radiación solar a través de colectores y la convierte en energía térmica. Se utiliza a menudo para agua caliente sanitaria, calefacción o calefacción industrial. En los últimos años, una nueva tecnología que combina las ventajas de ambas —la integración fotovoltaica y solar térmica (PVT)— ha ido ganando terreno y ha demostrado un valor único en la investigación y la aplicación comercial. Este artículo comparará el sistema PVT con los sistemas fotovoltaicos y solares térmicos tradicionales desde múltiples perspectivas, y explorará sus ventajas y desventajas.

I. Comparación de la composición del sistema y el principio de funcionamiento

Sistema fotovoltaico (PV)

El núcleo de un sistema fotovoltaico es el módulo de células solares, cuyos materiales más comunes son el silicio cristalino o las células de película fina. Cuando la luz solar incide sobre la superficie de la batería, los fotones excitan los electrones del material semiconductor para formar una corriente eléctrica, que posteriormente se convierte en corriente alterna mediante un inversor para suministrar energía a hogares o a la red eléctrica. La estructura del sistema fotovoltaico es relativamente sencilla y su función principal es generar electricidad.

2. Sistema Solar Térmico (ST)

El sistema solar térmico se compone principalmente de colectores de placa plana o colectores de tubos de vacío. Tras la exposición a la luz solar, la placa absorbente convierte la energía en calor, que se transfiere al depósito de almacenamiento de agua caliente mediante el fluido de trabajo (agua o anticongelante) para el suministro de agua caliente o la calefacción. La capacidad de generación de energía del sistema solar térmico es prácticamente nula, pero su eficiencia térmica suele alcanzar entre el 40 % y el 70 %.

3. Sistema Integrado Fotovoltaico y Solar Térmico (PVT)

El sistema PVT combina módulos fotovoltaicos con colectores, que captan la energía térmica del calor residual en la parte posterior de los paneles fotovoltaicos mientras generan electricidad. Esto no solo evita la pérdida de eficiencia de las células fotovoltaicas causada por las altas temperaturas, sino que también mejora la eficiencia energética global por unidad de superficie. Su concepto principal es "una placa que genera electricidad y calor simultáneamente".

Ii. Comparación de eficiencia energética y rendimiento

1. Eficiencia fotoeléctrica

En un sistema fotovoltaico simple, la eficiencia de conversión fotoeléctrica de los componentes comunes se sitúa entre el 18 % y el 22 %. Un aumento de temperatura conlleva una disminución de la eficiencia. Por cada 1 °C de aumento de temperatura, la potencia de salida media de los paneles fotovoltaicos disminuye entre un 0,3 % y un 0,5 %. Por lo tanto, en regiones cálidas, el problema de disipación de calor en la parte posterior de los paneles fotovoltaicos es más evidente.

El sistema PVT mantiene una eficiencia de generación de energía más estable al enfriar los módulos fotovoltaicos para reducir su temperatura de funcionamiento. Las investigaciones demuestran que, en las mismas condiciones ambientales, la generación de energía del sistema PVT puede aumentar entre un 5 % y un 15 % en comparación con los sistemas fotovoltaicos tradicionales.

2. Eficiencia energética térmica

La ventaja del sistema solar térmico reside en su alta eficiencia térmica. La eficiencia de los colectores de placa plana es de aproximadamente entre el 50 % y el 70 % a temperaturas medias y bajas (30 °C a 70 °C), mientras que los colectores de tubos de vacío ofrecen un mejor rendimiento en invierno o en regiones de alta latitud. En cambio, la eficiencia térmica de los colectores de tubos de vacío es ligeramente inferior, generalmente entre el 40 % y el 60 %, pero considerando que generan electricidad simultáneamente, su eficiencia energética general es mayor.

3. Eficiencia integral

La mayor ventaja de la PVT reside en su eficiencia general. La eficiencia de los sistemas fotovoltaicos o termosolares puros oscila entre el 20 % y el 70 %, mientras que la eficiencia general de los sistemas PVT puede alcanzar entre el 70 % y el 80 %, e incluso algunos productos avanzados superan el 85 %. Esto significa que, para techos de la misma superficie, la PVT puede generar más energía aprovechable.

iii. Comparación económica

1. Inversión inicial

Como tecnologías consolidadas, la energía fotovoltaica y la energía térmica tienen costos de instalación relativamente bajos cuando se instalan por separado. Debido a su diseño complejo y a los altos requisitos del proceso de producción, el sistema PVT suele ser más costoso que un sistema individual. Sin embargo, si se considera la necesidad de generar energía y calefacción simultáneamente en el mismo tejado, la instalación combinada de PVT puede, en cambio, reducir los costos de soportes, tuberías y espacio.

2. Operación y mantenimiento

La operación y el mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos son sencillos y consisten principalmente en la limpieza regular de los componentes y la inspección del equipo eléctrico. El sistema solar térmico requiere tareas de mantenimiento como la aplicación de anticongelante, antiincrustante y la sustitución regular del fluido de trabajo. El sistema fotovoltaico fotovoltaico (PVT) combina ambos, lo que hace que la operación y el mantenimiento sean ligeramente más complejos. Sin embargo, gracias a su alta integración estructural, la estabilidad general es aceptable.

3. Periodo de recuperación de la inversión

En regiones con precios elevados de electricidad y calefacción (como Europa y Japón), el periodo de recuperación de la inversión en un sistema de transmisión térmica privada (TFP) puede ser más corto que el de un sistema individual. Especialmente con el apoyo de políticas de energía distribuida, la combinación de los beneficios de los subsidios a la conexión a la red eléctrica y la sustitución de la energía térmica aumenta la eficiencia económica del TFP. Sin embargo, en regiones donde los precios de la energía son bajos o el apoyo político es insuficiente, la promoción del TFP aún encuentra resistencia.

Iv. Comparación de escenarios de aplicación

1. Familias residentes

Los usuarios domésticos suelen necesitar electricidad y agua caliente. Si el área del tejado es limitada, la instalación de un sistema PVT permite lograr una doble producción energética en un espacio reducido, lo cual es especialmente adecuado para residencias urbanas y villas.

2. Edificios comerciales y públicos

Edificios como escuelas, hospitales y hoteles no solo tienen una gran demanda de electricidad, sino que también requieren un suministro estable de agua caliente. PVT puede ofrecer una solución integral para reducir el espacio ocupado por los equipos y los costos de mantenimiento.

3. Campo industrial

Algunas producciones industriales (como la industria alimentaria, textil y química) tienen una gran demanda de energía térmica de baja temperatura. La energía solar térmica tradicional puede satisfacer parte de la demanda, pero la demanda de electricidad también es muy alta. La energía solar térmica tiene el potencial de reemplazar parte de la energía fósil en estos campos.

4. Agricultura e invernaderos

En los invernaderos agrícolas, se requiere tanto energía fotovoltaica para impulsar los equipos como energía térmica para mantener la temperatura. La energía fotovoltaica (PVT) puede satisfacer simultáneamente ambas demandas y mejorar la tasa de autosuficiencia energética.

V. Comparación de beneficios ambientales y sociales

La energía fotovoltaica y térmica desempeñan un papel importante en la reducción de las emisiones de carbono. La energía fotovoltaica no solo puede sustituir la energía térmica para reducir las emisiones de dióxido de carbono, sino que también reduce el uso de calderas de gas o carbón. Con la tendencia hacia la neutralidad de carbono, el valor de la energía fotovoltaica cobra mayor relevancia. Al mismo tiempo, alivia el problema de la falta de espacio en los tejados y evita la incomodidad de tener que elegir entre dos opciones en un área limitada.

Vi. Problemas y desafíos existentes

Alto costo: Actualmente, el precio del PVT todavía es más alto que el de los sistemas individuales, lo que limita su popularización.

Falta de estándares técnicos: Los estándares internacionales para las pruebas, certificación e instalación de PVT aún no están unificados.

Conocimiento insuficiente del mercado: muchos consumidores y contratistas de ingeniería tienen un conocimiento limitado de PVT, lo que dificulta la promoción en el mercado.

Complejidad de operación y mantenimiento: Aunque la integración general es alta, involucra dos sistemas, es decir, energía y calor, que imponen mayores requisitos profesionales a los instaladores y al personal de mantenimiento.

Vii. Direcciones futuras de desarrollo

Las aplicaciones de nuevos materiales, como los revestimientos de absorción selectiva y los materiales compuestos conductores térmicos, ayudan a mejorar la eficiencia térmica.

Diseño modular: hace que los módulos fotovoltaicos sean tan fáciles de instalar y reemplazar como los módulos fotovoltaicos comunes.

Combinado con almacenamiento de energía: el sistema de almacenamiento de energía dual de almacenamiento de energía eléctrica y almacenamiento de energía térmica mejorará la flexibilidad de utilización de energía de PVT.

Promoción de políticas: Los subsidios gubernamentales, las recompensas por reducción de carbono, las certificaciones de edificios ecológicos, etc., pueden facilitar la aplicación de la PVT.

viii. Resumen

Como una forma emergente de aprovechar la energía solar, la PVT no es simplemente la superposición de la energía fotovoltaica y la termosolar, sino que logra una mayor eficiencia energética integral mediante la integración del sistema. En comparación con la energía fotovoltaica tradicional, resuelve el problema de la disminución de la eficiencia causada por el aumento de la temperatura. En comparación con la energía termosolar tradicional, ofrece el valor añadido de la producción de energía eléctrica. En términos de economía, aprovechamiento del espacio, reducción de carbono y otros aspectos, la PVT ha demostrado ventajas evidentes. Sin embargo, su promoción aún enfrenta desafíos en términos de costo, estándares y conocimiento. Con los avances tecnológicos y la promoción de políticas, se espera que la PVT se convierta en un componente importante de la energía limpia distribuida en el futuro.