Sistemas fotovoltaicos-térmicos (PVT) para la cogeneración: tecnologías e implementación

Resumen: La tecnología solar fotovoltaica térmica (PVT) recupera el calor residual de los paneles fotovoltaicos para generar electricidad. Esta tecnología no solo logra la generación combinada de calor solar y electricidad, sino que también reduce la temperatura de los paneles, mejorando así la eficiencia de la generación de energía. Esta tecnología, especialmente al combinarse con la tecnología de almacenamiento de calor residual a baja temperatura para el almacenamiento estacional, ofrece un gran potencial para futuras aplicaciones.

La tecnología de generación de energía fotovoltaica es muy avanzada y ampliamente utilizada, ofreciendo aplicaciones prometedoras. Sin embargo, su eficiencia es de tan solo alrededor del 20%, lo que implica la pérdida de una cantidad significativa de energía solar al medio ambiente.

Sin generación fotovoltaica, todo el calor solar se pierde en el medio ambiente. En comparación, una eficiencia del 20 % es suficiente. Los paneles fotovoltaicos también concentran el calor, alcanzando temperaturas de hasta 50 o 60 grados Celsius. Este calor concentrado reduce la eficiencia de la generación de energía fotovoltaica, acorta su vida útil y afecta negativamente a los paneles. El calor que se disipa al medio ambiente de forma incontrolada tampoco favorece su reutilización.

Las fuentes de energía bajas en carbono son escasas en áreas como la calefacción. La generación de calor requiere el consumo de energía primaria, lo cual consume una cantidad considerable de energía, es costoso y genera importantes emisiones de carbono. Reutilizar el calor captado por los paneles fotovoltaicos puede reducir los daños en los paneles, mejorar la eficiencia de la generación de energía y proporcionar una fuente de calor sin emisiones de carbono, con aplicaciones prometedoras. Con el aumento de los proyectos fotovoltaicos, esta cantidad de calor también es considerable.

La tecnología térmica solar fotovoltaica (PVT) recupera el calor residual de la generación de energía fotovoltaica, logrando calor y energía solar combinados.

El sistema PVT consta de dos componentes: módulos fotovoltaicos y disipadores de calor. Los módulos fotovoltaicos son de tecnología convencional e incluyen vidrio fotovoltaico, película EVA, células solares y una lámina posterior. Los disipadores de calor constan de una capa absorbente de calor, tubos de transferencia de calor y materiales aislantes. Estos dos componentes se ensamblan y se instalan componentes externos como el marco y la caja de conexiones para formar el sistema PVT.

Los sistemas PVT están disponibles en dos tipos: refrigeración líquida y refrigeración por aire. La refrigeración líquida suele utilizar agua como refrigerante, aunque también se puede utilizar anticongelante en regiones frías. La estructura se muestra en la figura superior. La refrigeración por aire utiliza gas, generalmente aire, como se muestra en la figura inferior. Ambos productos tienen aplicaciones diferentes.

Los PVT refrigerados por aire cuentan con canales de refrigeración más amplios y la temperatura de salida se ajusta controlando el caudal de gas. El aire caliente generado por este producto se sobrecalienta, lo que puede utilizarse de dos maneras: como fuente de calor directo para el secado de productos, como productos agrícolas y alimentos, que no son aptos para el secado a alta temperatura; o como fuente de calor de baja temperatura en una bomba de calor aerotérmica, generando calor a alta temperatura.

El canal de refrigeración de los PVT refrigerados por agua suele ser un tubo delgado. Para garantizar el efecto de refrigeración en toda la superficie de la placa, el tubo de transferencia de calor debe estar integrado firmemente con la placa de transferencia de calor para lograr una mejor recuperación de calor. La temperatura del agua de salida de los PVT refrigerados por agua es baja y su uso directo es difícil. Por lo general, se requiere su uso junto con una bomba de calor.

Sistemas de Paneles PVT con bombas de calor

En general, los escenarios de aplicación comunes de la tecnología PVT son los siguientes:

(1) Proceso de secado: Se utiliza un sistema PVT refrigerado por aire para generar aire sobrecalentado y eliminar la humedad del material seco. Dado que la temperatura del aire de secado es baja, no afecta la calidad. Se utiliza generalmente en el secado de cultivos y alimentos, así como en otros campos con altos requisitos de calidad.

(2) Calefacción distribuida: se utiliza PVT + bomba de calor para generar agua caliente para calefacción, agua caliente sanitaria, etc. En comparación con la ruta de bomba de calor de fuente de aire convencional, el rango de optimización de parámetros del proceso PVT + bomba de calor es grande y la economía es muy buena.

(3) Calefacción centralizada interestacional: Este es un escenario para la aplicación a gran escala de la tecnología PVT en el futuro. Es especialmente adecuada para situaciones con grandes ventajas de espacio, como la calefacción rural. Los sistemas de calefacción rural generan poco calor residual aprovechable, por lo que el uso directo de bombas de calor aerotérmicas consume una cantidad considerable de energía. Aprovechando las vastas extensiones de espacio rural, los sistemas PVT en tejados pueden captar la luz solar, mientras que las tuberías subterráneas pueden almacenar calor en el suelo durante la temporada baja. Las bombas de calor pueden entonces utilizar calor geotérmico para calefacción en invierno. Esto permite almacenar calor residual a baja temperatura durante las estaciones, lo que eleva la temperatura del calor residual de la bomba de calor y reduce significativamente los costos operativos.

En resumen, la tecnología PVT, como una mejora económica de la tecnología fotovoltaica, es un potente complemento a la tecnología solar fotovoltaica. Si se dispone de métodos adecuados para el aprovechamiento del calor residual, como el secado, el agua caliente sanitaria o la calefacción entre estaciones, la tecnología PVT puede mejorar significativamente la eficiencia del sistema, reducir los costes operativos y ofrece prometedoras perspectivas de desarrollo.