LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA
ANÁLISIS Y CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS BIPV
TRABAJO FIN DE GRADO
RICARDO UGARTE ABOLLADO
TRABAJO FIN DE GRADO Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid Plan 2010 Primavera 2015‐2016
AULA1 TFG JUNIO DE 2016 Alumno: RICARDO UGARTE ABOLLADO Número de expediente: 10399
Tutor: ALFONSO GARCÍA SANTOS Catedrático de Universidad Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas
ÍNDICE
ÍNDICE 1. Capítulo 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Antecedentes ………………………………………………………………………………………………….…..………..8 1.2. El concepto Building Integrated Photovoltaics (BIPV)…………………………………………….……..10 1.3. ¿Qué nos ofrece la integración fotovoltaica? ...................................................................11 1.4. El papel del arquitecto en la integración fotovoltaica …………………..……………………….……..12 1.5. Motivación de la investigación ………………………………………………………………………………….….13 1.6. Metodología y plan de desarrollo ………………………………………………………………………….…....14 2. Capítulo 2. ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 2.1. Criterios para la generación fotovoltaica………………………….………………………………………….. 16 2.2. Componentes de la instalación fotovoltaica……………………………………………………………..... 19 2.3. El módulo fotovoltaico………………………………………………………………………………………………… 20 2.4. Tipos de células fotovoltaicas……………………………………………………………………………….……… 22 2.5. Comentario del apartado 2…………………………………………………………………………………………. 25 3. Capítulo 3. APLICACIÓN TECNOLÓGICA DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 3.1. La integración fotovoltaica. Actitudes de diseño ………………………………………………….…..… 30 3.2. Exigencias del cerramiento ………………………………………….…………………………………….….….… 31 3.3. Diseño del módulo solar fotovoltaico .………………………………….………………………………….…. 33 3.4. Análisis y clasificación de los distintos sistemas BIPV ……………………………………………...…… 37 3.4.1. Fachada ventilada …………………………………………………………………………………....….…. 37 3.4.2. Muro cortina………………………………………………………………………………………….…....….. 41 ‐ Tradicional ‐ Modular 3.4.3. Lamas y parasoles………………………………………………………………………………..………….. 46 ‐ Parasoles ‐ Lamas exteriores ‐ Balcones 3.4.4. Cubierta ………………………………………………………….…….…………………………………….….. 49 ‐ Inclinada ‐ Plana ‐ Lucernarios y atrios acristalados 3.4.5. Membranas………………………………………………………………………………………………..…... 53 ‐ Textil tensado ‐ ETFE3.4.6 3.4.6. Comentario del apartado 3.4…………………………………………………………………………… 56 4. Capítulo 4 4.1. Rentabilidad de la instalación……………………………………………………………………………………… 63 4.2. Normativa energética española sobre la energía fotovoltaica……………………………………… 62 5. Capítulo 5 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 5.1. Conclusión………………………………………………………………………………………………………………….. 66 5.2. Futuras líneas de investigación…………………………………………………………………………………… 68 6. Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………………………. 70
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
8 Antecedentes ………………………………………………………………………..……8 10 El concepto Building Integrated Photovoltaics (BIPV) ………….…….10 11 ¿Qué nos ofrece la integración fotovoltaica? ...............................11 12 El papel del arquitecto en la integración fotovoltaica ………….…….12 Motivación de la investigación ……………………………………………….….13 13 Metodología y plan de desarrollo ………………………………………………14 14
8 CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES Cada vez más, las políticas energéticas apuntan hacia el concepto NZEB, Net Zero Energy Building, edificios de energía nula o casi nula, como se contempla en la directiva europea ED 2010/31/UD. Esta normativa marca para el año 2020 una serie de objetivos: reducir en un 20% las emisiones de gases de efecto invernadero, mejorar en un 20% la eficiencia energética y elevar al 20% la proporción de energía procedente de fuentes renovables, entre otros.1 Por tanto, en el contexto actual, las instalaciones de energía renovable, tales como, la energía solar térmica (ST) y la fotovoltaica (PV), adquieren importancia para mejorar las prestaciones energéticas del edificio, haciendo un uso racional de la energía. En este escenario, las instalaciones solares deberán estar integradas en la envolvente del edificio. La superficie disponible para la integración de sistemas de energía solar se convertirá en un factor cada vez más importante ‐ por ejemplo, en un entorno urbano, o en edificaciones tipo bloque, donde la proporción de cubierta disponible para dispositivos solares es muy inferior al volumen global de la edificación – y habrá, por tanto, una necesidad creciente de conseguir una perfecta integración de estas tecnologías. Y en muchos casos, considerar únicamente la cubierta ya no será suficiente. En el futuro, la posibilidad de integración en fachadas será convierte un aspecto obligatorio. En cuanto al crecimiento del sector cabe de decir que, a pesar de los problemas sufridos por las principales potencias con la crisis económica, el aumento de la inversión en los últimos años ha sido más que notable en este sector. En el año 2015 la fotovoltaica supero los 310 GW de potencia instalada y se espera que en los próximos años supere la producción de energía nuclear que actualmente es de 380 GW2. Este fuerte incremento de la potencia instalada se debe en parte a una reducción del precio de la tecnología, que ya se sitúa por debajo del euro por vatio. La reducción del precio la fotovoltaica hace que esta fuente ya sea competitiva respecto a otras, lo que la convierte en un tema de gran actualidad y una ensoñación de futuro.
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Basado en Tesis Doctoral. POLO LÓPEZ, Cristina Silvia. Pág. 5. ER. “Spain is different.”
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EVOLUCIÓN DE LA POTENCIA INSTALADA A NIVEL MUNDIAL Potencia en MW
Fuente: Frauhofer ISE
PRECIO MENSUAL DE LOS PANELES VENDIDOS EN EUROPA POR TECNOLOGÍA
Fuente: PvXchange/GTM Research
10 CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN
1.1 EL CONCEPTO “BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAICS” (BIPV). “Building‐integrated photovoltaics” (BIPV) es un concepto de integración de elementos fotovoltaicos en la envolvente del edificio, estableciendo una relación simbiótica entre el diseño arquitectónico, la estructura y las múltiples propiedades de los materiales que componen dicha envolvente; todo ello unido a la generación de energía. 3
Los módulos fotovoltaicos reemplazan los materiales de construcción convencionales, como el vidrio, aportándoles una nueva función energética. Este concepto no es nuevo, pero ha sido en los últimos años cuando se ha beneficiado de una mayor expansión.3 En principio, BIPV se puede usar en todas las partes de la envolvente del edificio. A pesar de que las superficies de las cubiertas son las áreas preferidas para instalar elementos fotovoltaicos, debido a su mejor condición de irradiación; las fachadas, las ventanas y otros elementos como los parasoles, ofrecen un gran potencial para la recuperación. Hasta ahora, el 90% de la recuperación de energía fotovoltaica en vivienda se realiza en la cubierta. Sin embargo, en la mayor parte de los casos se lleva a cabo mediante la introducción de módulos estándar que se superponen sobre esta. Surgen dos preguntas. ¿Y si los sistemas fotovoltaicos se integraran plenamente los elementos de cerramiento? ¿Y si lo hicieran sin aumentar el peso y añadiendo un valor estético, como en la cubierta de la imagen? Afortunadamente, a la par que aumenta la expansión de la energía fotovoltaica, van apareciendo ejemplos de correcta integración arquitectónica, que demuestran que la armonía entre lo funcional y lo estético es posible. 3 FOSTER, “Solar architecture is not about fashion, it is about survival.”
Cubierta acristalada con módulos de silicio monocristalino. Estación Central de Berlín. Alemania
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1.2 ¿QUÉ NOS OFRECE LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA? La integración fotovoltaica posibilita la creación de micro energía renovable a un coste competitivo respecto a las energías que provienen de combustibles fósiles. Si se realiza una sustitución de los materiales tradicionales de la envolvente por módulos fotovoltaicos, los costes adicionales son bajos, inclusos nulos. Es por esto que el futuro de la fotovoltaica pasa por la integración.4 Normalmente, el ratio de superficie de cubierta aumenta con el tamaño del edificio. Pero no siempre es así, ya que conforme crece un edificio en altura, también lo hace el tamaño de las instalaciones que ocupan la cubierta de dicho edificio, por lo que las fachadas se convierten en algo fundamental para poder recuperar energía. Es por ello que la integración arquitectónica de recuperadores de energía en fachada se convierte en algo fundamental en ciudades de alta densidad con edificios altos. En definitiva, la integración fotovoltaica consiste en la introducción módulos fotovoltaicos que cumplen una doble función, energética y arquitectónica; sustituyendo los elementos constructivos convencionales y pudiendo formar parte de la composición arquitectónica. VENTAJAS DE LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA Integrar sistemas fotovoltaicos en la construcción trae consigo considerables ventajas: ‐ Es una fuente de energía limpia, renovable y gratuita. ‐ La energía se genera en el mismo lugar donde se demanda, por lo que no se necesita la ocupación adicional del territorio (huertos solares). Además, queda asegurado el suministro de la misma. ‐ El coste puede ser muy similar al coste de los materiales de construcción tradicional que se sustituyan. ‐ Se garantiza un beneficio medioambiental y económico. ‐ Una integración elegante incrementará la aceptación de los productos. ‐ Los sistemas FV integrados en el edificio proveen a sus promotores de una expresión pública sumamente visible de su compromiso medioambiental.
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POLYSOLAR. “Guide to BIPV”
12 CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN
1.3 ¿QUÉ PAPEL TIENE EL ARQUITECTO? El arquitecto ocupa un papel fundamental para la reducción del consumo energético de un edificio. Tiene que ser capaz de proyectar construcciones con un diseño arquitectónico sostenible5 y eco‐ compatible6, que respeten el medioambiente y se adapten al clima en el que se inserten. Esto convierte a soluciones de integración fotovoltaica en un elemento de valorización, puesto permite cumplir con estas exigencias sin comprometer el diseño. El arquitecto tiene la obligación de crear unas condiciones confortables en el espacio interior. Las soluciones BIPV permiten adaptar la arquitectura a la necesidad de confort, además de generar energía. La elección entre las diferentes opciones de formas y materiales contribuye a una menor o mayor aceptación social de la instalación. El éxito en esta tarea lleva a una mayor valorización de la construcción, creando además un producto estéticamente atractivo. Uno de los principales problemas en la difusión del BIPV es la falta de conocimiento de los arquitectos en este campo, desde un punto de vista tanto tecnológico como estético. Para ello se debe promover la formación de arquitectos y técnicos especialistas en el concepto de integración.
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Desarrollo sostenible: “…desarrollo capaz de garantizar el cumplimiento de las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades” – Comisión Brundtland, 1987 6
Arquitectura eco‐compatible: El eco‐diseño del entorno construido se caracteriza por una relación con el contexto, entendido como un sistema físico y antrópico, en modo tal que garantice las condiciones de bienestar, tanto en espacios cerrados, como en los abiertos, con una reducción del consumo de recursos y un bajo nivel de contaminación” – GROSSO M., PERETTI G., PIARDI S., SCUDO G. Progettazione ecocompatible dell’architettura” 2005.
Correderas con módulos de silicio multicristalino translúcido. Edificio de Administración en Talheim. Solar nova + Col
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1.4 MOTIVACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Para hacer un edifico Zero, con emisiones mínimas o neutras, no solo se requiere un nivel muy alto de diseño pasivo, sino que también es indispensable la generación de energía in situ.7 El tiempo pasa y el interés en la generación de energía local se hace cada vez más fuerte. El precio de la energía producida de forma central aumenta de forma regular debido a los gastos relacionados con la renovación de unas infraestructuras de distribución envejecidas. Al mismo tiempo, el precio de la fotovoltaica baja, con lo que va aumentando la potencia instalada. Esta investigación trata de demostrar que la recuperación de la energía fotovoltaica se puede llevar a cabo sin rechazar los valores estéticos y racionales fundamentales en la arquitectura y a los que no se puede ni hay por qué renunciar. Analizaremos distintas formas de integración fotovoltaica, en las que los módulos pasan a formar parte del sistema constructivo para el que se emplea. Constituyendo un elemento fundamental de la envolvente y aportándole una doble función de arquitectónica y energética.
Correderas con células de silicio monocristalino integradas en vidrio laminar
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Marszal et al. 2011
14 CAPÍTULO 1 – INTRODUCCIÓN
1.5 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN Para obtener las herramientas necesarias que nos permitan integrar la fotovoltaica, se necesitan una serie de conocimientos que responden a los siguientes 5 puntos: 1. Cómo es una instalación fotovoltaica. En primer lugar, debemos conocer los elementos la componen y cómo es cada uno de estos elementos. 2. Tecnología actual. Este punto es importante, ya que el sector que se está investigando evoluciona a gran velocidad y debemos tener en cuenta que los precios y las eficiencias según el tipo de célula fotovoltaica que compone el módulo cambia en muy poco tiempo. 3. Factores externos que afectan a la recuperación fotovoltaica. Hay una serie de factores relacionados principalmente con la irradiación que afectan directamente a la capacidad de generación de una instalación. 4. Factores estéticos. Para la correcta integración es indispensable que el módulo fotovoltaico responda a las cualidades de diseño relacionadas con el color, la textura, la transparencia, etc. por lo que debemos de conocer que nos ofrecen los distintos tipos de células fotovoltaicas. 5. Función del elemento que sustituye el módulo. Por último es indispensable conocer que requisitos estructurales, frente al fuego, de aislamiento, etc; cumple el elemento que vamos a sustituir ya que el módulo fotovoltaico deberá responder a los mismos o mejorarlos. Todos conocimientos necesarios los hemos ordenado de forma que primero se estudiará la energía fotovoltaica desde un punto de vista científico para posteriormente centrarnos en su aplicación tecnológica en la arquitectura.
CAPÍTULO 2 ESTUDIO CIENTÍFICO‐TECNOLÓGICO DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
16 Criterios para la generación fotovoltaica………………………….…. 16 19 Componentes de la instalación fotovoltaica……………………….. 19 El módulo fotovoltaico………………………………………………………… 20 20 Tipos de células fotovoltaicas……………………………………………… 22 22 Comentario del apartado 2…………………………………………………. 25 25
16 CAPÍTULO 2 – ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO
2.1 CRITERIOS PARA LA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA En principio, cualquier superficie de la envolvente de un edificio que esté libre de sombras y bien orientada es potencial para albergar una instalación fotovoltaica. La mejor posición para recuperar energía con un sistema fotovoltaico es la orientación sur (en latitud norte) con una inclinación de entre 5 o y 10o. Para los módulos integrados, no siempre es posible esta situación por lo que se recomienda que reciban como mínimo un 80% de la irradiación máxima anual local. A continuación se muestra la importancia de la orientación y la inclinación y la influencia que tiene sobre la irradiación y en consecuencia en la generación de energía.
2.1.1 IRRADIANCIA La irradiancia se define como la energía solar que recibe el módulo por unidad de tiempo y superficie. Está determinada por dos factores: la radiación solar local y la orientación del módulo. Es la variable más determinante en la recuperación fotovoltaica. La mejor posición para recuperar energía con un sistema fotovoltaico es la orientación sur (en latitud norte) con una inclinación de entre 5 o y 10o. Para los módulos integrados, no siempre es posible esta situación por lo que se recomienda que reciban como mínimo un 80% de la irradiación máxima anual local. En el caso de Madrid, la orientación influye considerablemente en el rendimiento en un rango de ±20o respecto al sur. En este punto destacan las fachadas verticales que presentan unos valores mínimos de pérdidas cercanas al 40% respecto a la máxima captación anual, dentro de este rango de orientaciones. En la optimización de la relación entre precio y eficiencia encontraremos casos en los que la rentabilidad de los módulos de lámina delgada es mayor respecto a otros. Este ocurre cuando las condiciones ambientales no son óptimas.
Porcentaje de irradiación recibido por una superficie en función de su inclinación. Datos para Madrid.
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2.1.2 FACTORES DE PÉRDIDAS TEMPERATURA La eficiencia de las células fotovoltaicas disminuye con el aumento de la temperatura. En el caso de las células de silicio cristalino, la pérdida es de un 4% por cada 10o partiendo de los 0o. Sin embargo, la pérdida de eficiencia de las células de silicio amorfo es menor, un 2% cada 10 o, siendo los módulos que mejor se comportan a altas temperaturas. En el gráfico… podemos ver cómo se comportan las distintas tecnologías respecto a la temperatura. Aunque es menos importante que la irradiación, la temperatura constituye un factor importante en la recuperación fotovoltaica. Para evitar que se produzcan pérdidas la cara posterior de los paneles debe ventilares. Además, ventilar elimina problemas relacionados con las condensaciones. Con una cámara de unos 10 cm suele ser suficiente. Los inversores integrados en los módulos AC (inversor insertado en el módulo) reducen su vida útil si no se ventilan.
Pérdidas de rendimiento por tecnología y en función de la temperatura.
DISPERSIÓN O DISPARIDAD La conexión de módulos con distintas características eléctricas hace que se produzcan pérdidas. La tensión resultante al conectar varios módulos en paralelo es la del módulo con menor tensión. De forma análoga, la intensidad resultante al conectar varios módulos en serie, que es lo habitual, es la del módulo con menor intensidad. Esto es evitable y de hecho los fabricantes nos suelen proporcionar módulos en los que las diferencias entre unos y otros son como máximo de un 10%. La dispersión también se puede producir por la conexión de módulos con distintas orientaciones, temperaturas o sombreamiento. Para evitarlo, se deben de crear subsistemas con un inversor diferente cada uno.
18 CAPÍTULO 2 – ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO
CABLEADO Y CONEXIONES Acortar la distancia entre el generador y el sistema que acondiciona la potencia reduce las pérdidas de este tipo. También es importante, como ocurre en cualquier instalación eléctrica, la elección de una sección adecuada. Unos rangos de pérdidas aceptables son: 1,5‐2% en la parte continua del circuito y 0,5‐1% en la alterna. SUCIEDAD La suciedad puede reducir considerablemente el rendimiento de la instalación, disminuyendo la transmitancia de luz entre un 3 y un 7% y aumentando las pérdidas por reflexión. Este problema es fácilmente evitable con un limpieza periódica en el caso de que no baste con el agua de la lluvia (necesaria una inclinación de un 10o del módulo). En estos casos debemos tener una buena accesibilidad a la instalación. SOMBREADO Es muy probable que cuando vayamos a instalar módulos fotovoltaicos, encontremos elementos que puedan generar sombra sobre alguna parte de los mismos. En el caso de no poder evitar este problema, se deben de dividir los módulos en subsistemas para que en el caso de que se sombree una parte de la instalación, solo se produzcan pérdidas en una hilera. Además se debe de evitar el llamado “efecto de punto caliente”, en el que una sola célula sombreada dentro de un módulo puede hacer que se disipe en ese punto toda la potencia generada por las otras células al estar conectadas en serie. REFLEXIÓN La reflexión de los módulos depende de la latitud en la que se encuentran, así como de su inclinación respecto al sol que irradia. En orientación sur, estas pérdidas son mínimas en instalaciones de cubierta (=3%) y máximas en fachadas verticales (6‐7%). Además, pueden duplicarse en el caso de que no se limpien los módulos con cierta periodicidad.
Limpieza de paneles de silicio cristalino mediante rodillo. Al fondo se observa como la suciedad ha ido cubriendo el módulo
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2.2 COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA
Esquema de una instalación fotovoltaica conectada a la red.
GENERADOR FOTOVOLTAICO Formado por el conjunto de módulos más las protecciones pertinentes. Estos módulos pueden conectarse tanto en serie como en paralelo, siendo la primera opción la más común. CABLEADO Y CONEXIONES El cableado debe ser resistente a los rayos ultravioletas en el caso de que estén expuestos al sol. Otra condición indispensable es la impermeabilidad de los mismos y de las conexiones. Además se debe evitar que se sobrecalienten y se produzcan pérdidas, hay que elegir una sección adecuada. Para evitar que los cables se vean, estos se ocultan en alguna parte del sistema constructivo en el que se encuentran. Un ejemplo sería la colocación de los cables en la cámara de aire en el caso de una fachada ventilada o en los montantes si buscásemos la integración en un muro cortina. INVERSOR Se trata de un dispositivo electrónico de potencia que transforma la corriente continua generada por los módulos en corriente alterna. Existen distintos tipos de inversores, estas son las principales características que definen su comportamiento: ‐ El rendimiento: Es el cociente entre la potencia activa que suministra el inversor y la potencia continua que recibe. El máxima rendimiento esta entre 90% y un 95%.
20 CAPÍTULO 2 – ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO
‐ Seguimiento del punto de máxima potencia: Se trata de una estrategia que permite controlar el punto de máxima potencia según como estén trabajando los módulos. ‐ La calidad de la onda: Debe cumplir las exigencias de la normativa en cuanto a valores de frecuencia y de tensión. 3 CONTADORES INDEPENDIENTES La normativa española obliga la colocación de 2 contadores. Uno para el consumo y otro para la inyección del sobrante a la red. BATERÍA El empleo de una batería para acumular el sobrante de energía que pueda haber durante el día nos permite aislarnos de la red o aprovechar dicho sobrante por la noche cuando el generador fotovoltaico deja de funcionar. Actualmente el uso de baterías se emplea comúnmente para instalaciones fotovoltaicas en localizaciones remotas a las que no llega el suministro eléctrico. Se espera que en los próximos años se difunda la acumulación de energía a instalaciones fotovoltaicas de baja potencia donde si hay suministro eléctrico. Entre las principales competidoras de este sector encontramos a TESLA, que ofrece varias opciones de baterías interesantes.
2.3 EL MÓDULO FOTOVOLTAICO Los módulos fotovoltaicos están formados por células solares. Varios de estos módulos se conectan entre sí formando el generador fotovoltaico de una instalación. Las células fotovoltaicas transforman la energía solar en energía eléctrica. Estas células se fabrican con materiales semiconductores y pueden ser de diversos tipos. PARTES DE UN MÓDULO FOTOVOLTAICO El método de fabricación del módulo fotovoltaico varía según la tecnología que se emplee, sin embargo la estructura final de todas las tecnologías es semejante. En la siguiente imagen podemos ver la composición de un módulo de silicio cristalino:
Esquema de un módulo fotovoltaico con células de silicio cristalino
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Generalmente se compone por la base sobre la que se encuentra la célula solar (Cubierta posterior), el circuito impreso que conecta las células y la capa que protege el sistema de generación. El material de cada una de estas partes vendrá condicionado por el tipo de célula, pudiendo elegir entre varias opciones. En la imagen… podemos ver un módulo de silicio monocristalino. Su aspecto azulado se debe en parte a la capa antirreflectante que se coloca sobre el silicio. Las líneas que atraviesan las células pertenecen al circuito impreso. 3 LA CÉLULA SOLAR FOTOVOLTAICA La captación solar se realiza con células solares. Estas, están basadas en materiales semiconductores en los que se crean mediante un tratamiento un diferencial, dopando de diferente forma 2 capas y generándose un campo eléctrico.
Funcionamiento de una célula fotovoltaica de Silicio cristalino.
La generación de energía se debe a que los fotones de la luz solar incidente sobre la célula fotovoltaica, suministran la cantidad necesaria de energía a los electrones que constituyen el material semiconductor de la célula, con lo cual se rompe el enlace(previamente dopado) que mantiene unidos los electrones a los átomos respectivos. Consecuentemente, los electrones liberados son atrapados por el campo eléctrico conformando la corriente eléctrica que fluye. A este fenómeno físico se le conoce como “efecto fotoeléctrico”.8 Los materiales semiconductores empleados en las células se han estudiado durante más de medio siglo. En el siguiente apartado estudiaremos las principales tecnologías que se emplean para BIPV. La elección entre unas u otras depende del uso final que se le vaya a dar al módulo. 8
. Orduz Marzal 2009
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2.4 TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS El mercado fotovoltaico, con una industria innovadora que crece rápidamente, ofrece una amplia gama de diferentes tecnologías. Entre todas ellas se suele optar por las de silicio monocristalino, silicio policristalino y silicio amorfo. El empleo predominante del silicio se debe al buen conocimiento de su tecnología, a su relativo alto rendimiento y la fiabilidad que ha demostrado durante décadas. Desde el punto de vista del diseño, la elección de una tecnología va a depender no solo de su eficiencia y coste, sino también de su flexibilidad y capacidad de adaptación para la integración arquitectónico.
2.4.1 Módulos de silicio cristalino SILICIO MONOCRISTALINO (Si mono) Las células de silicio monocristalino se producen a través de un proceso en el que primero se cortan finas obleas de silicio a las que posteriormente se les de carga. Son las más eficientes eléctricamente, pero tienen un coste elevado debido a que en el proceso de producción se suele perder un 30% del material. La forma con las esquinas biseladas es algo propio de las células de silicio monocristalino y se debe al proceso de corte mediante el que se obtienen finas obleas de silicio a partir del corte de un cristal de gran tamaño. Son de color azul intenso y nos ofrecen distintos niveles de transparencia. A pesar de la alta eficiencia de estas células, factores como la fuerte bajada del rendimiento con el aumento de la temperatura y su marcada geometría, pueden hacernos optar por otras opciones. Estas células son recomendables para instalaciones en cubiertas o en protecciones solares de edificios donde se busca una generación máxima con la ocupación de una superficie mínima. SILICIO MULTICRISTALINO (Si multi) La célula se fábrica a partir del enfriamiento del silicio en un molde, con lo que se crean múltiples cristales. Al aparecer varios cristales dentro de la misma célula, la apariencia es menos homogénea, produciéndose variaciones en el color. La eficiencia es ligeramente menor que en el caso de las células de silicio monocristalino, sin embargo los costes de fabricación también lo son.
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La forma de las células, cuadradas sin el chaflán característico de las de silicio monocristalino, nos ofrece un aspecto más favorable para la integración arquitectónica.
2.4.2 MÓDULOS DE LÁMINA DELGADA SILICIO AMORFO (a‐Si) En la fabricación del módulo las células se proyectan sobre una superficie de vidrio, metal o polimérica. Esto permite una mayor variedad de aplicaciones ya que se pueden proyectar incluso en membranas flexible. La eficiencia de estas células es menor que la de los dos casos anteriores, por lo que antes de la difusión de los sistemas BIPV, se usaba principalmente para objetos de menor tamaño con bajas exigencias energéticas, como las calculadores o los relojes solares. Módulo fotovoltaico con células de lámina delgada de silicio amorfo.
Trabaja bien en condiciones de altas temperaturas y es la tecnología que menos sobrecalentamiento produce en el módulo. Su mejor funcionamiento con luz difusa la hace interesante para su empleo en las ciudades o lugares donde predominen los cielos nublados. Además, encontramos otras ventajas como un menor coste en la fabricación y su apariencia, de un gris oscuro homogéneo, con distintas posibilidades de transparencia. Por otra parte, se pueden evitar las divisiones entre las células creando módulos homogéneos de un mayor tamaño. CIGS/CIS (Cobre, indio, galio, selenio/Azufre) Las limitaciones de rendimiento del silicio amorfo han fomentado la investigación de materiales policristalinos alternativos para fabricar módulos de lámina delgada. Entre estos nuevos módulos destacan los de seleniuro de Cobre, que alcanzan unas eficiencias cercanas al 15% (20% en pruebas de laboratorio). El proceso de fabricación es relativamente sencillo, con un coste relativamente bajo. Se pueden proyectar sobre superficies de materiales baratos (metales, vidrio, polímeros) y sobre membranas flexibles. Los módulos CIS y CIGS se emplean principalmente en fachadas, su color negro homogéneo los hace muy atractivo para la integración arquitectónica. Además, al igual que ocurre con las células de silicio amorfo, presentan un buen comportamiento con luz difusa.
24 CAPÍTULO 2 – ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO
TELERURO DE CADMIO (CdTe) El proceso de producción de los módulos CdTe es más barato que los CIGS, presenta las mismas ventajas en cuanto a instalación de las células y se pueden proyectar sobre materiales baratos. Sin embargo, emplean una mayor cantidad de Cadmio, material muy tóxico y las eficiencias son menores. Además se producen pérdidas por reflexión e inestabilidad inducida por la luz, algo que ocurre en otras tecnologías de lámina delgada, pero no en el caso de los módulos de CIGS o CIS.
2.4.3 OTRAS TECNOLOGÍAS MÓDULOS DE CÉLULAS MULTIUNIÓN (Multi) Son las células que ofrecen una mayor eficiencia. Actualmente solo se emplean para aplicaciones espaciales. Son capaces de aprovechar distintas longitudes de onda al estar compuestas por varias capas de distintos materiales, lo que les permite llegar a unas eficiencias cercanas al 50%.
2.4.4 EFICIENCIAS Para poder comparar los distintos tipos de tecnologías desde el punto de vista de la eficiencia, empleamos los términos “potencia pico” y rendimiento. La potencia pico es la máxima potencia que es capaz de generar un módulo bajo condiciones estándar de iluminación y temperatura (1000 vatios por metro cuadrado de irradiancia solar y atmósfera estándar y 25 grados centígrados de temperatura). El “rendimiento se define como el cociente entre la potencia máxima y la potencia luminosa que recibe el módulo.
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TECNOLOGÍA Si cristalino
Si mono Si multi Thin film solar CIGS cells CIS CdTe a‐Si Multiunión
EFICIENCIA (%) 13 ‐ 20 12 ‐ 18 11‐15 10‐13 10‐15 6‐10 40‐45
POTENCIA PICO (Wp/m2) 130 ‐ 200 120 ‐ 180 110 ‐ 150 100 ‐ 130 100 ‐ 110 60 ‐ 100 400 ‐ 450
Fuente: Elaboración propia, basada en la tesis doctoral de Isabel Cristina Cerón Vinasco.
2.5 COMENTARIO DEL APARTADO Este apartado nos deja un catálogo de las tecnologías más utilizadas actualmente. Sin embargo, hay muchas otras que actualmente están en fase de desarrollo o que todavía no ofrecen una rentabilidad suficiente para incorporarlos en el mercado fotovoltaico destinado a la arquitectura. Cómo se ha podido comprobar, cada una de las tecnologías nos ofrece características distintas en cuanto a eficiencias, aspecto y costes. No existe realmente una tecnología mejor a la otra, cada caso particular nos hará elegir en función de las necesidades de producción energética, el tamaño de superficie de recuperación y el elemento en el que se quiera integrar. Con todos estos factores obtendremos el equilibrio entre rendimiento y diseño al que aspira la integración fotovoltaica. A continuación se presentan las principales ventajas y desventajas entre las distintas tecnologías, a modo de resumen del apartado.
26 CAPÍTULO 2 – ESTUDIO CIENTÍFICO TECNOLÓGICO
2.5.1 TABLA COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS TIPOS DE CÉLULAS. TECNOLOGÍA
VENTAJAS
Si mono
‐ Eficiencia alta, cercana a la del silicio monocristalino.
‐ La mayor eficiencia del mercado. ‐ Buena relación potencia/superficie (150Wp/m2).
Si multi
‐ Color, azul intenso.
‐ Fácilmente reciclables.
‐ Limitación a soportes rígidos.
‐ Eficiencia alta, cercana a la del silicio monocristalino.
‐ Limitación a soportes rígidos. ‐ Color azul intenso, poco homogéneo. ‐ Pérdidas de rendimiento con el aumento de la temperatura.
‐ Cualidades geométricas mejores, debido a la producción en moldes. ‐ Más bajo coste de fabricación del mercado. ‐ Buen funcionamiento bajo condiciones de altas temperaturas. ‐ Uso de sutratos de bajo coste y ligeros (vidirios, láminas metálicas, materiales flexibles y actualmente se experimenta en plásticos) ‐ Los requisitos de las estructuras de soporte son mínimos y puede ser envuelta en cualquier estructura convenientemente orientados o curvada.
‐ Geometría, celdas cuadradas con esquinas achaflanadas.
‐ Pérdidas de rendimiento con el aumento de la temperatura.
‐ Fácilmente reciclables.
a Si
‐ Coste elevado.
‐ Distintas posibilidades de transparencia.
‐ Producción más barata.
DESVENTAJAS
‐ La eficiencia de la célula es la más baja. ‐ Inestabilidad con los cambios de condiciones climáticas u de ubicación geográfica. ‐ Desconocimiento de mecanismos de degradación en la primera fase de funcionamiento. ‐ El color presenta tonalidades marrones. ‐ Rendimiento decreciente con el tiempo ‐7%.
‐ Facilidad en la modulación de los paneles ‐ Diseños personalizados, transparencias y sombras. ‐ Funciona con luz difusa incluso en días nublados.
CIGS
‐ Tecnología estable en su comportamiento. Bajo consumo de material absorbedor, con eficiencias altas (segunda tecnología con mayor eficiencia). ‐ Uso de sustratos de bajo coste y ligeros (vidrio, láminas, materiales flexibles y plásticos). ‐ El color es negro homogéneo, con una apariencia muy atractiva.
‐ Es la tecnología con mejor relación coste/beneficio de las tecnologías de lámina delgada.
‐ Sobrecoste en la fabricación de equipos industrializados de impresión y trazado. ‐ Limitación en el suministro y coste del indio en grandes cantidades para células CIFD. ‐ Utiliza una pequeña cantidad de material tóxico (Cadmio) en su proceso de fabricación. ‐ En menor escala que en otras tecnologías de lámina delgadaa, hay un desconocimiento sobre los mecanismos de degradación.
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TECNOLOGÍA
VENTAJAS
DESVENTAJAS
‐ Tecnología estable en su comportamiento. ‐ La eficiencia de la célula es más baja Bajo consumo de material absorbedor, que en las células CIGS. con eficiencias altas (segunda tecnología ‐ Limitación en el suministro y coste con mayor eficiencia). del indio en grandes cantidades para ‐ Menores costes de producción. células CIFD.
CIS
‐ Proceso de industrialización más sencillo que la tecnología CIGS.
‐ Uso de sustratos de bajo coste y ligeros (vidrio, láminas, materiales flexibles y plásticos). ‐ El color es negro homogéneo, con una apariencia muy atractiva.
‐ En menor escala que en otras tecnologías de lámina delgada, hay un desconocimiento sobre los mecanismos de degradación.
‐ Menores costes de producción von ventaja sobre los CIGS. ‐ Bajo consumo de material absorbedor. CdTe
‐ Utiliza una pequeña cantidad de material tóxico (Cadmio) en su proceso de fabricación.
‐ Alto rendimiento en los procesos de producción. ‐ Uso de sustratos de bajo coste y ligeros (vidrio, láminas metálicas, materiales flexibles y plásticos). ‐ Las células montadas en lámina flexible no son frágiles, los requisitos de las estructuras de soporte son mínimas, y puede estar envuelta en cualquier estructura convenientemente orientada o curvada.
‐ Utiliza material tóxico altamente contaminante (Cadmio). El fabricante debe garantizar su reciclaje al final de su vida útil. ‐ La eficiencia de las células es un poco más baja que las células CIGS. ‐ Genera inestabilidad inducida por la luz. Pérdidas por reflexión. ‐ En menor escala que otras tecnologías de lámina delgada, el desconocimiento sobre los mecanismos de degradación.
‐ El color es negro homogéneo, con una apariencia muy atractiva.
Fuente: Elaboración propia, basada en la tesis doctoral de Isabel Cristina Cerón Vinasco.
CAPÍTULO 3 APLICACIÓN TECNOLÓGICA DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS 3.1 3.2 3.3 3.4
30 La integración fotovoltaica. Actitudes de diseño ……………….…..… 30 31 Exigencias del cerramiento ………………………………………….….…….… 31 33 Diseño del módulo solar fotovoltaico .………………………………….…. 33 37 Análisis y clasificación de los distintos sistemas BIPV ………….…… 37 37 3.4.1 Fachada ventilada ………………………………………………...….….. 37 41 3.4.2 Muro cortina…………………………………………………………....….. 41 ‐ Tradicional ‐ Modular 3.4.3 Lamas y parasoles……………………………………………………..….. 46 46 ‐ Parasoles ‐ Lamas exteriores ‐ Balcones 49 3.4.4 Cubierta ………………………………………………………….…….…….. 49 ‐ Inclinada ‐ Plana ‐ Lucernarios y atrios acristalados 53 3.4.5 Membranas………………………………………………………………….. 53 ‐ Textil tensado ‐ ETFE 56 3.4.6 Comentario del apartado 3.4…………………………………………56
30 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
6.1 LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA. ACTITUDES DE DISEÑO Durante muchos años, los módulos fotovoltaicos se instalaban únicamente con el objetivo de generar electricidad. El diseño de la instalación era totalmente ajeno al edificio y solía acabar en la cubierta, superponiéndose al cerramiento, lo que provocaba una duplicación de los costes. En la década de 1990 los arquitectos y la industria fotovoltaica encontraron un punto común con el que se podían generar beneficios en las dos direcciones integrando de manera efectiva los módulos en la envolvente. Desde un punto de vista constructivo, los elementos fotovoltaicos deben desempeñar la misma función que los materiales que sustituyen. Entre estos requisitos encontramos tanto aspectos relacionados con la imagen del edifico, como estrictamente estructurales, de durabilidad, mantenimiento, etc. 9 Que un sistema fotovoltaico sea integrado no quiere decir que deba cambiar de forma radical la imagen del edificio, ni mucho menos esconderse a la vista. Los arquitectos pueden usar una de las siguientes actitudes de diseño: 9 ‐ Los paneles se sitúan de manera invisible, por ejemplo en cubierta. Ésta puede ser la mejor opción cuando el proyecto actúa sobre una arquitectura histórica. ‐ Los paneles se superponen sobre el diseño. Todavía no podemos hablar de integración en el edificio, pero el resultado puede ser positivo. Éste sería el caso de una línea de parasoles fotovoltaicos colocados por encima de las ventanas. ‐ El sistema fotovoltaico aporta valor a la imagen arquitectónica; está integrado en el diseño total del edificio, pero sin alterar la imagen del proyecto. ‐ El sistema fotovoltaico determina la imagen arquitectónica. En este caso los paneles no sólo están integrados, sino que desempeñan un papel relevante en la imagen final del edificio. ‐ La integración fotovoltaica da lugar a nuevos conceptos arquitectónicos. El uso de nuevos paneles abre el camino a un diseño innovador y altera la imagen del edificio, con lo que se abren nuevos campos estéticos.
9 MARTÍN CHIVELET; FERNÁNDEZ SOLLA “La envolvente fotovoltaica en la arquitectura.”
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 31
A la izquierda, módulos de silicio monocristalino superpuestos en cubierta. A la derecha, módulos de silicio amorfo integrados en cubierta.
6.2 EXIGENCIAS DEL CERRAMIENTO. MULTIFUNCIONALIDAD DEL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO Al igual que los módulos constructivos de tradicionales, los módulos fotovoltaicos pueden cumplir con los objetivos funcionales de la envolvente a la vez que con su función energética; reemplazando los materiales de construcción convencionales. Esta capacidad de reemplazar el material de la envolvente, convierte a los módulos fotovoltaicos integrados en una inversión rentable, a pesar de la fuerte inversión inicial respecto a los módulos fotovoltaicos no integrados. DURABILIDAD Según el uso del edifico y la vida útil que tenga este, el cerramiento deberá durar más o menos. Los elementos del cerramiento deben durar tanto como la fachada. Para cumplir con la normativa, algunos elementos se pueden sustituir o reparar, como es el caso de los sellos exteriores de silicona en muro cortina o las juntas de goma interiores de las ventanas. Otros elementos solo necesitaran una limpieza periódica. FUNCIÓN ESTRUCTURAL Los elementos de cerramiento deben de cumplir con las exigencias normativas, soportando cargas de nieve, de viento, sísmicas u otras como sobrecargas de impacto. PERMEABILIDAD AL AIRE Un cierto grado de permeabilidad al aire evita un consumo excesivo del sistema de climatización debido a una excesiva ventilación. PERMEABILIDAD AL AGUA La piel del edificio debe asegurarnos la estanquidad. Para ello se recurren a juntas de goma (EPDM o silicona). Algunos cerramientos garantizan la estanquidad mediante el “principio de ecualización de presiones” que evita la entrada del agua en la primera capa del cerramiento que da al exterior. Para ello se anula la carga cinética del agua colocando una
32 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
cámara dentro del cerramiento con la misma presión de aire que la del aire exterior. PRESTACIONES TÉRMICAS El objetivo de un cerramiento es crear una capa de separación entre el ambiente interior y exterior que nos permita controlar el ambiente interior (humedad, temperatura…) garantizando el mínimo gasto energético. Para ello se deben de evitar los puentes térmicos y crear estrategias de protección pasivas del edificio. Las estrategias de acondicionamiento pasivo del edificio pueden ayudar a los elementos fotovoltaicos, como en el caso de una fachada ventilada. La cámara de aire de la fachada permite la circulación del aire por la parte posterior del panel, enfriándolo y mejorando su eficiencia. SEGURIDAD Y RESISTENCIA En el caso de vidrios, se debe evaluar el posible impacto de objetos o personas. Es más importante en el caso de un vidrio horizontal que de uno vertical. Así mismo debemos prever qué consecuencias tiene el colapso del cerramiento. También entran en este punto las cuestiones de seguridad relacionadas con la limpieza y el mantenimiento de la fachada. AISLAMIENTO ACÚSTICO Sobre todo es importante tenerlo en cuenta en cerramientos de vidrio, en los que se debe evitar la infiltración de aire a través de las carpinterías. Para una buena estanquidad se tienen en cuenta también el grosor de los vidrios, el gas de la cámara del vidrio, las juntas, etc. RESISTENCIA AL FUEGO El código contra incendios prevé que en el caso de una fachada de vidrio, esta se pueda romper para la entrada de los bomberos por lo que el vidrio debe de ser vidrio templado. TENSIÓN TÉRMICA EN EL VIDRIO La rotura por choque térmico se produce por diferencia de temperaturas en varios puntos de la superficie del vidrio o por una falta de preparación en las juntas para la dilatación. Si la diferencia entre la zona sombreada y la zona expuesta a la radiación es mayor a 25‐30ºC, el vidrio recocido se puede fracturar. Es por ello que si existe riesgo de que se produzcan grandes diferencias de temperatura, debemos tratar el vidrio térmicamente.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 33
3.3 DISEÑO DEL MÓDULO SOLAR FOTOVOLTAICO Como se ha visto, es muy importante conocer las propiedades de las distintas tecnologías de células, no solo desde el punto de vista del rendimiento, sino también desde la estética. Esto nos va a permitir tener un abanico amplio de soluciones, en las que veremos cómo variaciones estéticas y visuales tienen una influencia directa en la recuperación de energía y en el acondicionamiento del espacio interior. FORMA Y TAMAÑO DE LAS CÉLULAS SOLARES El número de células de un módulo puede variar, con lo que se consiguen distintos efectos. Sin embargo, la reducción del número de células de un módulo se encuentra en directa relación con la potencia eléctrica, que disminuye a la vez que lo hace la superficie total de células. En cuanto a la forma, las células solares pueden ser cuadradas, rectangulares, redondas, hexagonales, triangulares; con ángulos vivos, cortados o redondeados. El tamaño de la célula puede variar entre 10x10 cm a 15x15cm en el caso de los módulos de silicio cristalino. 10 En el caso de las tecnologías de lámina delgada, no procede hablar de la forma y el tamaño de las células sino del módulo, ya que el material activo es prácticamente continuo; estos módulos pueden presentar formas y tamaños muy diversos.
A la izquierda, células solares de silicio monocristalino con las esquiajs biseladas. A la derecha. Módulo con células CIGS
COLOR. (Célula y módulo; fondo y marco) El color estándar de las células en los módulos de silicio cristalino es el negro y el azul oscuro. Esto se debe a la capa anti‐reflectante que se les coloca encima. Cambiando el grosor de esta capa se obtienen distintos colores, determinando a su vez el rendimiento del módulo como podemos ver en la siguiente tabla:
Muestra de células de diferentes colores de silicio multicristalino
En los módulos de capa fina cada fabricante nos ofrece su propio color. En este caso, el color forma de las células están relacionados con la 10
Tesis Doctoral. POLO LÓPEZ, Cristina Silvia. Pág. 55
34 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
elección del tamaño del sustrato sobre el que se realiza la deposición del material activo. El color también se puede introducir cambiando la cubierta posterior, normalmente blanca; de esta forma no comprometemos la producción eléctrica y podemos jugar con el contraste entre las células y el fondo. Existe la opción de introducir el color mediante una película de baja resistencia colocada sobre la cubierta frontal o empleando vidrios de colores.
Centro de convenciones, Lausana. Arquitectos: Richter & Dahl Rocha. Vista interior de la fachada fotovoltaica con células de lámina delgada.
TRANSPARENCIA La posibilidad de que los módulos fotovoltaicos puedan ser semitransparentes, aporta muchas opciones para su integración. Para que un módulo permita el paso de la luz, su cubierta posterior debe de ser transparente. La transmitancia de la luz en los módulos semitransparentes puede ser continua o discontinua. ‐ Transmitancia discontinua: Se obtiene con la separación de las células (opacas) dentro del módulo, lo que permite el paso de la luz. Esta forma de dar transparencia a los módulos se consigue principalmente con Fachada con módulos células de silicio cristalino, aunque también se puede obtener semitransparentes de imprimiendo capas discontinuas de células de lámina delgada. Otra células policristalinas. opción que se utiliza en esta tecnología es abrir huecos en las células Solarwind Technology Co. mediante laser.
Módulo fotovoltaico semitransparente de células CIGS.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 35
‐ Transmitancia continua: La capacidad de controlar el grosor en la fabricación de células de lámina delgada permite conseguir láminas lo suficientemente finas como para dejar pasar la luz. En el caso de las células de silicio amorfo, se suela recomendar una transparencia máxima del 15%, ya que si superamos este límite, se produce una reducción significativa de la producción eléctrica. La elección del tipo de transparencia que queramos conseguir dependerá del uso del espacio interior, ya que los fuertes contrastes de luz y sombra en los módulos con transmitancia discontinua pueden no ser aptos para algunas actividades (lectura, trabajos manuales, etc. Este contraste se puede reducir mediante el empleo de células semitransparentes o utilizando una cubierta posterior translúcida. FLEXIBILIDAD Los módulos de lámina delgada tienen la cualidad de ser flexibles. Esto se debe a su proceso de fabricación, diferente al de los módulos de silicio cristalino. La elasticidad y flexibilidad de los módulos depende de los materiales utilizados para los sustratos y del grosor y tipo de células.
Módulo flexible de células CdTe
La flexibilidad en módulos de lámina fina permite que se adapten a cubiertas curvas. Además, los módulos fotovoltaicos se pueden suministrar en rollos, cómo en el caso de los sistemas fotovoltaicos de lámina impermeabilizante. TRAMA DE LOS CONTACTOS ELÉCTRICOS Las células solares suelen tener valores de tensión bajos, por lo que se conectan en serie o en paralelo. Esto permite tener unos niveles de tensión adecuados a las exigencias de la instalación. La conexión entre las células se realiza colocando una trama de material conductor (metálico) en la cara frontal y posterior de las células. Los hilos de la trama frontal deben de ser lo más finos posibles a fin de no condicionar la superficie útil de captación. Los contactos son generalmente de plata en la parte frontal y de una aleación de aluminio y plata en la cara posterior. Se pueden aplicar mediante estampación o serigrafiado, por lo que la trama puede tener adoptar distintas geometrías. Para conseguir una mayor uniformidad, se pueden colorear los contactos eléctricos del mismo color que la célula o la cubierta posterior.
36 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
REFLÉXIÓN ÓPTICA DEL MÓDULO Y DE LA CÉLULA FOTOVOLTAICA El silicio es un material altamente reflectante. Para evitar las pérdidas de rendimiento debido a la reflexión, se utiliza un recubrimiento anti‐ reflectante (ARC); de esta forma se reduce la reflexividad hasta un 9%. Otra opción para disminuir la reflexividad es la texturización, tratamiento que utiliza el fenómeno de las reflexiones múltiples, con el fin de retener una mayor cantidad de radiación solar incidente. Este tratamiento consiste en aumentar la superficie útil de captación, realizándose una superficie contorneada con pequeñas pirámides a fin de aumentar las reflexiones. 11
11
Tesis Doctoral. POLO LÓPEZ, Cristina Silvia. Pág. 59
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 37
3.4 TIPOLOGÍAS DE INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN CERRAMIENTOS. A continuación se han investigado las principales estrategias de integración según el tipo de cerramiento. Se analizan algunos de los sistemas más comunes, ya que dentro de cada familia existen multitud de variantes en la ejecución del sistema.
3.4.1 FACHADA VENTILADA La fachada ventilada es un cerramiento multicapa formado por una hoja exterior de diferentes materiales, unida mecánicamente a la hoja interior mediante una subestructura de madera, aluminio o acero, y cámara ventilada de anchura variable, donde se coloca habitualmente el aislamiento térmico adosado a la hoja interior. Esta fachada se presenta como solución al problema de la entrada de agua en el edificio. Las funciones de la cámara de aire ventilada son las siguientes: ‐ Colocación del aislamiento térmico sin interrupciones, con lo que se evitan los puentes térmicos. ‐ Disminución de las condensaciones mediante el efecto chimenea que se consigue abriendo juntas en la parte superior e inferior con lo que se provoca una corriente de aire ascendente. Esto permite mantener el aislamiento seco. Esta solución de fachada es una buena oportunidad para la integración fotovoltaica. Ya se han desarrollado todos los elementos necesarios para adaptarse a estos sistemas, teniendo que sustituir únicamente el material de acabado por los módulos fotovoltaicos.
Esquema de una fachada ventilada con módulos de silicio amorfo.
38 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
A la izquierda, detalle constructivo de una fachada ventilada con módulos CIGS.
Integración del módulo Existen dos soluciones de fachadas ventiladas fotovoltaicas: las basadas en vidrio y las basadas en paneles opacos. En el primer caso se emplean los sistemas existentes de muro cortina de vidrio. El módulo fotovoltaico es integra sustituyendo el vidrio por paneles de vidrio laminar con células de silicio cristalino o amorfo. El vidrio se sujeta a la estructura de montantes mediante un cerco perimétrico de aluminio al que se sella mediante junquillos o silicona estructural. El trasdós del módulo suele ser de un vidrio opaco. En el segundo caso, se parte de cualquier sistema de fachada ventilada. La integración pasa por adherir un módulo de células amorfas de capa delgada a los paneles de la hoja exterior. (Ver pdf guía integración Comunidad de Madrid) Cableado y conexiones El cableado de la instalación se puede canalizar a través de los perfiles verticales que sujetan el panel y la caja de conexiones se coloca tras el módulo, aprovechando el hueco de la cámara ventilada. Estanquidad Para un mayor rendimiento es preferible que la fachada sea de tipo drenada y trasventilada12 ya que la circulación de aire por la cámara es 12
Existen dos tipos de fachada ventilada según la cantidad de agua que penetra en la cámara de aire: ‐ En la fachada ventilada drenada y trasventilada no se realizan grandes esfuerzos por evitar la entrada de agua a través de las juntas de la hoja exterior. El agua corre por la cara interior de los paneles y se vuelve a expulsar al exterior en determinados puntos. El correcto funcionamiento de este sistema viene determinado por el tamaño de la fachada, ya que si es excesivamente grande, el agua se acumulará penetrando en la hoja interior. ‐ En la fachada con ecualización de presiones, la cantidad de agua que entra en la cámara se reduce mediante el diseño de las juntas, la compartimentación de la cámara, la ausencia de tensión superficial a ambos lados de la junta, la posición de los huecos de ventilación y goterones. Este sistema es el adecuado para las fachadas de gran tamaño como es el caso de los edificios en altura.
A la derecha, esquema del cableado en una fachada ventilada con módulos CIGS.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 39
mayor. En el caso de fachadas de gran tamaño se deben emplear fachadas ventiladas con ecualización de presiones para reducir la cantidad de agua que entra en la cámara y evitar que se dañe el cableado y las conexiones. Mantenimiento y limpieza Las operaciones de mantenimiento y limpieza se realizan desde el exterior. En el caso de fachadas de grandes dimensiones se puede emplear un sistema mediante góndola. Para fachadas fotovoltaicas de vidrio, se puede añadir un acabado autolimpiable en la cara exterior, sin embargo, hay que tener en cuenta que esta capa reduce la transmisión luminosa en un 7%. Los módulos de silicio amorfo ya incorporan una capa autolimpiable en la protección polimérica de las células. EJEMPLOS DE FACHADA VENTILADA FOTOVOLTAICA
Centro de genómica e investigación oncológica Genyo. Fachada fotovoltaica con módulos de silicio amorfo semitransparentes. Arquitectos: Enrique Vallecillos, Emiliano Rodríguez. Granada. Onyxsolar.
Sistema de fachada SCG‐CC silicio amorfo (Si‐a). Fuente Sulfurcell Solartechnik. Berlin
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Casa Solara. Arquitecto: Giovanni Cerfeda. Módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino
Fachada ventilada de módulos CIGS Pabellón de Alemania en el concurso Solar Decathlon del año 2009. Primer premio. COMENTARIO La ventaja de incorporar los módulos fotovoltaicos a este tipo de fachada es la posibilidad de ventilar el trasdós del panel, lo que aumenta sensiblemente su rendimiento al enfriarse. Como hemos visto, es preferible emplear fachadas de tipo drenado y trasventilado. En el caso de necesitar ecualización de presiones, se recomienda el empleo de módulos de células de lámina delgada ya que las pérdidas por aumento de temperatura son menores. Otra ventaja importante de la integración en fachadas ventiladas es la fácil adaptación del sistema de fachada a las medidas estándar de los módulos, con lo que se reducen los costes.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 41
3.4.2 MURO CORTINA El muro cortina es un sistema ligero en el que la fachada deja de ser un elemento portante. De esta forma se consigue reducir el tamaño de los elementos estructurales de la fachada de forma considerable permitiendo una mayor apertura de huecos. A pesar de las ventajas constructivas que presenta este tipo de fachada, presenta una baja eficiencia energética en cuanto al control de ganancias de calor en verano. La integración de módulos fotovoltaicos puede ayudar a reducir este problema.
A. MURO CORTINA TRADICIONAL Estructura de montantes y travesaños. El material de cerramiento se sujeta a la estructura mediante presores. Integración de los módulos En los elementos de vidrio se sustituye la hoja exterior del doble vidrio por el módulo de vidrio laminado.
Esquema de montaje de un muro cortina tradicional con los módulos en las zonas opacas
En los elementos opacos la hoja exterior se sustituye por un módulo de vidrio laminado. La hoja interior suele ser de otro material. Se recomienda emplear un elemento con aislamiento térmico (panel sándwich) lo que permite dejar una cámara ventilada detrás del módulo con lo que se reducen las pérdidas por aumento de temperatura. Otra opción es adherir un módulo de silicio amorfo a la cara exterior del panel sándwich, en este caso la ventilación del trasdós es menos relevante ya que las pérdidas por temperatura son menores. Las capas que permiten el control de la radiación y de la transmisión térmica se colocan en la hoja interior del doble vidrio.
42 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
Cableado y conexiones El cableado se lleva por el interior de los montantes y los travesaños. En este caso lo más habitual es llevarlo por la cara interior de la fachada con lo que se deben realizar perforaciones en los perfiles de cada módulo. Las cajas de conexiones se sitúan en la cara interior del muro.
Detalla en planta del montante de un muro cortina tradicional con el paso de los cables y el registro a la cara exterior.
Estanquidad Se emplea el principio de ecualización de presiones. Las uniones se sellan mediante juntas de goma, EPDM, caucho termoplástico o silicona. Parte del agua puede entrar a través de las juntas por lo que se debe canalizar por el interior de los montantes y travesaños para evitar acumulaciones que dañen el cableado y las conexiones. Mantenimiento y limpieza No basta con el agua de la lluvia para garantizar la limpieza del sistema, por lo que se debe prever un sistema para acceder desde el exterior a los módulos. Este mismo sistema se emplea en las operaciones de mantenimiento.
B. MURO CORTINA DE VIDRIO ENCOLADO Es una variante del muro cortina tradicional en la que los elementos que rellenan la trama estructural son prefabricados. Este sistema hace que no quede la perfilería vista. La integración de los módulos se realiza en taller, de lo que se obtiene una mejor calidad en los acabados. El resto de aspectos son similares a los del muro cortina tradicional.
Axonometría con detalle de un muro cortina de vidrio encolado.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 43
C. MURO CORTINA MODULAR En este caso se construye un panel completamente prefabricado con el vidrio, las juntas y los elementos de fijación. El montaje se realiza mediante grúas, con lo que se evitan los andamios. Esquema del montaje de un muro cortina modular
Las uniones entre los paneles son de tipo machihembrado. Integración de los módulos Al igual que en el muro cortina de vidrio encolado, los módulos fotovoltaicos se introducen en el taller, siguiendo los mismos principios del muro cortina tradicional para la sustitución de las hojas de cerramiento. Estanquidad En las uniones entre los paneles prefabricados se colocan juntas de silicona o EPDM.
Esquema detalle de un muro cortina modular con el cableado y el registro en el interior, a través del montante
Cableado y conexiones Las perforaciones de paso de conductos y conexiones se realizan en taller, igual que el sellado de las perforaciones. Esto asegura una mayor calidad en la ejecución. El cableado se lleva al falso techo o el suelo técnico del interior mediante una única perforación en cada panel prefabricado. La caja de conexiones se sitúa en la cara interior de los módulos. Mantenimiento y limpieza Las necesidades de mantenimiento y limpieza son las mismas que en los casos mencionados anteriormente.
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Centro de Innovación social, económica y medioambiental en la Nueva sede del GDR. Valle de Guadalhorce, Málaga. Muro cortina con módulos de silicio amorfo.
Torre Altra Sede. Lombardia, Francia. Arquitectos: Newyorkese Pei Cobb Freed & Partners Muro cortina modular de módulos de silicio monocristalino.
Muro cortina de Onyxsolar con células de silicio monocristalino Linn Benetton Communitty college. CIGS. DJ Architecture of Albany. united states
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 45
Fachada homeostática Greenpix para el complejo de entretenimiento Xicui en Beijing. Módulos de silicio cristalino. Arquitectos: Simone Giostra & Partners architects.
COMENTARIO Frente a las ventajas que pueda presentar en cuanto a control de la radiación, el sistema de muro cortina produce por lo general pérdidas de eficiencia por el aumento de la temperatura del módulo. Esto se debe a que el trasdós de los módulos recibe una menor ventilación que en otros tipos de sistemas BIPV. Para solucionar este problema se pueden tomar las siguientes medidas: En el caso del muro cortina tradicional se pueden introducir los módulos como segunda piel exterior, dejando un espacio de ventilación en el que se pueden colocar pasarelas para el mantenimiento. La desventaja es un coste mayor para la integración de los módulos. En el caso del muro cortina modular, ya se comercializan módulos con una cámara interior de entre 0,60m y 1,20m de ancho, por lo que la solución al problema es más sencilla.
46 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
3.4.3 LAMAS Y PARASOLES Es la respuesta al problema de las excesivas ganancias térmicas por radiación en las superficies acristaladas. El empleo de lamas y parasoles permite compatibilizar las ventajas de iluminación y confort de las grandes superficies acristaladas con un control de los excesos puntuales de energía incidente en países de alta radiación solar. Las lamas pueden ser horizontales o verticales, transparentes u opacas. La principal ventaja que nos ofrece el sistema de lamas y parasoles es la posibilidad de orientar el módulo hacia el sol.
A. PARASOL HORIZONTAL INCLINADO Construcción La estructura de los parasoles puede estar anclada a la estructura del edificio o al hueco que protegen. Integración de los módulos En el caso de módulos de vidrio laminado, estos van sujetos mediante una perfilería de aluminio. Otra opción es emplear paneles metálicos revestidos con células de lámina delgada. Estanquidad No es necesaria. Cableado y conexiones En el caso de módulos de vidrio laminado se puede llevar por la perfilería del módulo. En los paneles metálicos por el interior del panel. Limpieza y mantenimiento Acceso desde las ventanas de la planta superior o cubierta de la última planta.
Esquema con las lamas fotovoltaicas integradas en un muro cortina.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 47
B. LAMAS EXTERIORES Construcción Las se sujetan con presillas longitudinales en los extremos, grapas puntuales, etc. Integración del módulo Sigue los mismos principios que en el caso de los parasoles. Cableado y conexiones A través de los elementos de fijación del vidrio y los montantes verticales de la estructura de las lamas. Estanquidad Los montantes deben estar drenados y trasventilados para evitar la acumulación de agua y que se pueda dañar el cableado. Limpieza y mantenimiento. Lo más lógico es crear un sistema de pasarelas de rejilla tipo tramex que permitan el acceso a las lamas.
Las lamas deben poder girarse 180º para limpiarlas desde la pasarela. EJEMPLOS DE APLICACIÓN Lamas exteriores de silicio multicristalino. Edificio Haus der Wirtschaft. Hamburgo, Alemania. Arquitectos:
Lamas de Shadovoltaic en obra hidráulica en Neuchsrann. Arquitecto Roland Schulz Hamburgo, Alemania.
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Lamas exteriores con módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino. Centro de Alzheimer de la Fundación Reina Sofía. Madrid. Arquitecto: Estudio Lamela.
Balcón fotovoltaico de células monocristalinos. Ofrecen una buena accesibilidad para las operaciones de limpieza y mantenimiento. Sin embargo, los balcones son susceptibles de recibir sombreamiento parciales. Residencia Privada Lasa BZ. Por Energy Glass
COMENTARIO Tras la integración fotovoltaica en cubiertas, los sistemas de lamas y parasoles fotovoltaicos son la mejor opción. Se recomienda el empleo de sistemas de lamas móviles, ya que gracias a la capacidad de ser orientadas de forma simultánea hacia el sol, podemos obtener un rendimiento de los módulos mucho mayor. Debido a la buena ventilación del trasdós de los módulos, las pérdidas por exceso de temperatura son muy bajas. No se recomienda la integración fotovoltaica en persianas y venecianas debido a la fragilidad de los módulos.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 49
3.4.4 CUBIERTAS Y LUCERNARIOS La cubierta es el área más susceptible de albergar una instalación fotovoltaica, debido a sus condiciones de inclinación y una menor probabilidad de sombreamiento parcial. Hoy en día sigue siendo la zona del edificio donde más instalaciones fotovoltaicas se llevan a cabo. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, la introducción de los sistemas no pasa por la integración.
A. CUBIERTA PLANA, CIEGA. (Lámina impermeabilizante) Lo más habitual en las cubiertas planas es la superposición de los módulos a la cubierta, teniendo especial cuidado en no dañar la impermeabilización con la estructura del módulo. Existen soluciones para la integración fotovoltaica como el caso de la lámina impermeabilizante con módulos flexibles de lámina delgada.
B. CUBIERTA INCLINADA
TEJAS FOTOVOLTAICAS Integración del módulo La integración se obtiene mediante la sustitución de las tejas por módulos fotovoltaicos. En el caso de las tejas de pizarra o asfalto, se obtiene una buena integración visual pudiendo emplearse módulos de silicio cristalino o de lámina delgada que se asemejen en color a los materiales ya citados.
Tejas fotovoltaicas con Módulos CIGS para cubierta inclinada. Atlantis Energy sunslate.
En el caso de las tejas cerámicas la integración visual va a ser siempre limitadas debido a las diferencias de color y material. Cableado y conexiones Las conexiones se realizan bajo los módulos con un sistema que lleve el cableado al interior del edificio. Estanquidad Los módulos actúan de la misma forma que los materiales que sustituyen, evitando el paso del agua al interior del edificio.
50 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
Limpieza y mantenimiento El acceso para la reparación y mantenimiento de los módulos es el ya previsto para la cubierta. Aunque el agua de la lluvia limpie los módulos, es recomendable llevar a cabo operaciones de limpieza periódicamente.
CUBIERTA METÁLICA Integración fotovoltaica La integración se consigue mediante la adhesión de una lámina de células de silicio amorfo o CIGS. En este caso el módulo solo tiene una función energética, pero las ventajas en cuanto a integración visual son mayores en comparación con los sistemas de superposición de módulos. El empleo de láminas de módulos flexibles permite que estos se adapten a la forma de la cubierta por lo que se pueden emplear en cubiertas curvas. Cableado y conexiones Cada lámina constituye un módulo que lleva la energía que produce a la zona bajo la cubierta a través de una única perforación. Estanquidad La zona más susceptible es la que se perfora para la introducción del cableado en el interior. Esta zona queda protegida por el propio módulo. En el caso de cubiertas de kal‐zip, el cableado se puede llevar por los pliegues en las zonas de sujeción al interior. Mantenimiento y limpieza El acceso para la reparación y mantenimiento de los módulos es el ya previsto para la cubierta. Aunque el agua de la lluvia limpie los módulos, es recomendable llevar a cabo operaciones de limpieza periódicamente.
C. CUBIERTAS ACRISTALADAS Integración del módulo Para la integración en las zonas transparentes se sustituye la hoja exterior del doble vidrio por un módulo de doble vidrio laminado que puede albergar células de silicio cristalino o células de lámina delgada semitransparentes. Si hubiese zonas opacas, la hoja interior puede ser de vidrio impreso, cerámica, etc.
Esquema de una cubierta con módulos integrados en la cara exterior y fijados mediante silicona estructural.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 51
Cableado y conexiones El cableado se lleva a través de los montantes y travesaños colocan registros que permiten su acceso.
Esquema del travesaño de un lucernario con doble acristalamiento. Los módulos se adhieren mediante silicona estructural.
La caja de conexiones se sitúa en el trasdós del módulo.
Estanquidad No solo se debe confiar en la estanquidad del sellado por lo que debe haber una línea de evacuación del agua en el interior de la perfilería. Limpieza y mantenimiento El acceso para la reparación y mantenimiento de los módulos es el ya previsto para la cubierta. Aunque el agua de la lluvia limpie los módulos, es recomendable llevar a cabo operaciones de limpieza periódicamente. EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Cubierta fotovoltaica basada en las composiciones de Mondrian del Mercado de Bejar. Valladolid. Onyxsolar.
Cubierta fotovoltaica de la estación Gare TGV en Perpignan.
Marquesina fotovoltaica con módulos de silicio monocristalino para aparcamiento. Onyxsolar
52 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
Módulos de lámina delgada de silicio amorfo integrados en sistema de cubierta Kalzip. Reforma del estadio del Wer der Bremen. Se han empleado láminas impermeabilizantes con módulos de silicio amorfo para restaura la cubierta. Evalon Solar, Alemania. COMENTARIO Sin duda la cubierta seguirá siendo uno de las zonas del edificio más empleadas para la instalación de sistemas fotovoltaicos, debido a su orientación respecto a la radiación solar y a ser una zona de fácil acceso normalmente. En los casos de cubiertas inclinadas con tejas fotovoltaicas, la ventilación del trasdós se puede conseguir fácilmente mediante una cámara de separación entre la superficie de tejas y el plano de soporte de la cubierta (cubierta fría). En cambio, en otros tipos de cubierta puede no producirse esta ventilación. Este problema tiene menor relevancia en el caso de las cubiertas metálicas y las láminas impermeabilizantes para cubiertas planas, ya que los módulos son necesariamente de células de lámina delgada. Sin embargo, puede afectar enormemente a las cubiertas acristaladas. Se pueden producir pérdidas por el aumento de la temperatura del módulo debido a la baja ventilación del trasdós, por lo que en países con altos niveles de radiación, se debe valorar si es conveniente el empleo de eta tecnología de células.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 53
3.4.5 MEMBRANAS Las estructuras de membrana son estructuras ligeras que funcionan mediante un sistema de soporte rígido al que se enganchan superficies flexibles que funcionan a tracción. Estas estructuras permiten una gran variedad formal, siendo empleadas tanto en instalaciones de grandes superficies, como en elementos urbanos de menor tamaño.
ARQUITECTURA TEXTIL. CUBIERTAS TENSADAS. Integración fotovoltaica La integración se consigue mediante el empleo de módulos con tecnologías de lámina delgada. En la mayor parte de los casos se trata de una superposición del módulo a la membrana textil. Sin embargo, se puede aprovechar la colocación de módulos para generar zonas de mayor sombreamiento bajo la cubierta. La integración visual se consigue principalmente por la disposición formal de los módulos.
Módulos de lámina delgada superpuestos en cubierta textil, mediante los que se generan sombras.
Cableado y conexiones El cableado se debe llevar a la estructura que tensiona la membrana. En el caso de membranas translúcidas, es más probable que el cableado quede visto por lo que dependerá del virtuosismo del arquitecto conseguir un buen resultado estético. Estanquidad Los perfiles que tensionan la membrana van a albergar el cableado por lo que deben evacuar el agua en la zona inferior para evitar que su acumulación cause daños en la instalación. Limpieza y mantenimiento Para las operaciones de mantenimiento o limpieza se debe desmontar la cubierta, por lo que se debe de prever esta situación antes de decidir la conveniencia de la instalación.
54 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
ETFE Integración fotovoltaica La introducción de módulos flexibles en el efte ayuda a reducir la cantidad de radiación solar que lo atraviesa, funcionando como un elemento de control lumínico y térmico. El módulo solar se crea mediante la integración de las células de lámina delgada en la capa exterior las bolsas de ETFE, colocando una capa polimérica de protección sobre estas. Esta situación de las células sobre una membrana flexible permite aumentar o disminuir la radiación solar que atraviesa la fachada con solo desinflar las bolsas. Otra opción es colocar el módulo en el interior de la cámara de aire del ETFE. Cableado y conexiones El cableado se lleva directamente a la cara interior de la fachada a través de los perfiles que sujetan el ETFE. Las conexiones entre los módulos se realizan en el interior de la bolsa de aires del ETFE. La caja de conexiones se sitúa en el trasdós del ETFE. Estanquidad El ETFE es un material impermeable. El sellado térmico de las bolsas de aire garantiza la estanquidad. Sin embargo, el agua puede entrar en los perfiles que sujetan el ETFE por lo que se debe prever una vía de evacuación del agua para evitar que esta se acumule y pueda dañar el cableado de la instalación. Limpieza y mantenimiento En el caso de un pinchazo de la bolsa de aire, se puede reparar mediante parches. Para la sustitución del módulo se debe desmontar todo el módulo de ETFE por lo que en el caso de no funcionar como doble fachada se produce una pérdida en la funcionalidad de la fachada hasta su sustitución. EL ETFE incorpora una capa superficial autolimpiable. En el caso de funcionar como segunda piel se debe dejar un espacio para pasarelas de mantenimiento. EJEMPLOS DE APLICACIÓN
Pabllón solar de Alemania en Milán 2015. Membrana con células orgánicas. Arquitecto: Schmidhuber. Belectric OPV.
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 55
Centro de empresas Media‐Tic. Facha de ETFE con células impresas de lámina delagada. Arquitecto: Enrique Ruiz‐Geli. Barcelona
COMENTARIO A pesar de los pocos casos que existen de integración en membranas arquitectónicas, estas superficies son una buena oportunidad para albergar módulos fotovoltaicos. El módulo se emplea principalmente para la generación de sombras bajo estas superficies. Debido a la necesidad de emplear módulos flexibles de tecnologías de lámina delgada, los problemas derivados del aumento de temperatura en el módulo son de menor importancia. Los problemas surgen en el caso de las cubiertas realizadas con este sistema constructivo. Para este tipo de estructuras no se suele prever un sistema de acceso a puntos intermedios de la cubierta, lo que dificulta el acceso a los módulos. El registro de los mismos se puede hacer desde la cara interior de la membrana, pero para operaciones de reparación o restitución de los módulos se hace necesario desmontar la cubierta. (Buena orientación (cubierta)) En el caso de membranas verticales, suelen funcionar como segunda piel no estanca de la fachada, por lo que se pueden colocar pasarelas en el espacio que queda entre las dos hojas que permitan el acceso a los módulos. Es el caso del edificio Media‐Tic en Barcelona, que podemos observar en la imagen.
56 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
3.4.6 COMENTARIO DEL APARTADO Se han estudiado las distintas formas de integrar los módulos fotovoltaicos según el sistema de cerramiento. La elección entre uno u otro sistema dependerá de las características del proyecto que vaya a albergar la instalación. La localización y las sombras que puedan arrojar los elementos que rodean al edificio serán determinantes para decantarnos por integrar soluciones fotovoltaicas en las fachadas o en la cubierta. A continuación se exponen las ventajas e inconvenientes de cada tipo de sistema BIPV analizado. Mediante esta tabla se pretende dar unos datos orientativos sobre las principales diferencias existentes entre las distintas estrategias de integración. Algunos de los parámetros de comparación son de mayor peso, como los relacionados con la orientación de los módulos y la posibilidad de emplear células de silicio cristalino, ya que estas ofrecen un mayor rendimiento.
LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA
FACHADA VENTILADA
VENTAJAS
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DESVENTAJAS
‐ Facilidad para adaptar la estructura de ‐ Peor orientación que la hoja exterior a las medidas de los en otros sistemas BIPV. módulos. ‐ Sistema supletorio para ‐ Buena ventilación del trasdós de los el acceso a los módulos. módulos. ‐ Facilidad en la restitución de los paneles. ‐ Permite el control de la radiación solar ‐ Peor orientación que que llega al interior. en otros sistemas BIPV.
MURO CORTINA TRADICIONAL
‐ Integración mediante la sustitución de ‐ En el caso de emplear uno de los vidrios, lo que produce silicio cristalino, ahorros en material. reducción del área de visión del vidrio. ‐ Baja ventilación del trasdós. ‐ Permite el control de la radiación solar ‐ Peor orientación que que llega al interior. en otros sistemas BIPV.
MURO CORTINA MODULAR
‐ Integración mediante la sustitución de ‐ Baja ventilación del uno de los vidrios, lo que produce trasdós. Existen ahorros en material. soluciones estándar para este problema. ‐ Mayor calidad en la ejecución de las operaciones para la integración del módulo que en el tradicional.
‐ Más caro que la solución tradicional.
‐ Orientación óptima y posibilidad de orientación simultánea.
PARASOL
‐ Baja superficie de captación respecto a otras soluciones. ‐ Control de la radiación que entra en el ‐ Mayor dificultad en las edificio. operaciones de ‐ No reduce el área visión. limpieza que en las ‐ Buena ventilación del trasdós del lamas exteriores. módulo.
58 CAPÍTULO 3 –APLICACIÓN TECNOLÓGICA
VENTAJAS ‐ Orientación óptima y posibilidad de orientación simultánea.
LAMAS EXTERIORES
DESVENTAJAS ‐ Reduce el área visual.
‐ Necesidad de crear un ‐ Control de la radiación que entra en el sistema de acceso a las edificio. lamas. Se puede solucionar mediante la ‐ Buena ventilación del trasdós del inserción de pasarelas. módulo. ‐ Importante controlar que las lamas no generen sombras unas sobre otras, ya que se pueden producir pérdidas por sombreamiento parcial. ‐ Cómo en cualquier lámina impermeabilizante, ‐ Fácil acceso a la instalación. pueden producirse ‐ Integración mediante la sustitución de problemas por la un material, lo que produce una exposición a la radiación reducción de costes. de la lámina. ‐ Buena orientación para la captación.
LÁMINA IMPERMEABILIZANTE
‐ Recomendable para proyectos de ‐ Opción limitada a un tipo restauración de arquitectura histórica. de cubierta no transitable. ‐ No se pueden emplear células cristalinas. ‐ Buena orientación para la captación, pudiendo ser óptima.
‐ Mala integración visual en tejas cerámicas.
‐ Integración mediante la sustitución de un material, lo que produce una reducción de costes. TEJAS FOTOVOLTAICAS
‐ Buena ventilación del trasdós del módulo. ‐ Restitución de los módulos sencilla
LA INTEGRAIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA
VENTAJAS ‐ Buena orientación para la captación, pudiendo ser óptima.
CUBIERTA METÁLICA
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DESVENTAJAS ‐ Empleo obligado de células de lámina delgada de menor rendimiento. ‐ Superposición del material. ‐ No se pueden emplear células cristalinas.
CUBIERTAS ACRISTALADAS
‐ Buena orientación para la captación, pudiendo ser óptima.
‐ Mayor dificultad para acceder a la cubierta que en los casos anteriores. ‐ Integración mediante la sustitución de uno de los vidrios, lo que produce ahorros en material. ‐ Buena orientación. ‐ Aprovechamiento del módulo para la generación de espacios sombreados.
MEMBRANA TEXTIL
‐ Posibles problemas para la integración del cableado. ‐ En cubiertas: dificultades en las operaciones de reparación y mantenimiento. ‐ Superposición del material. ‐ No se pueden emplear células cristalinas.
‐ Cubiertas: Buena orientación. ‐ Ayuda al control de la radiación que entra en el edificio de forma regulable. MEMBRANA ETFE
‐ Materiales más baratos que en otras soluciones de fachada. ‐ Función aislante.
‐ En cubiertas: dificultades en las operaciones de reparación y mantenimiento.Mal control de la orientación de las células en cada módulo. ‐ En la restitución de módulos: pérdida total de la estanquidad. ‐ No se pueden emplear células cristalinas. Fuente: Elaboración propia.
CAPÍTULO 4 RENTABILIDAD Y NORMATIVA 62 4.1. Rentabilidad de la instalación……………………………………………….…..62 4.2. Normativa energética española sobre la energía fotovoltaica……63 63
62 CAPÍTULO 4 –RENTABILIDAD Y NORMATIVA
4.1 RENTABILIDAD DE LA INSTALACIÓN VIDA ÚTIL DE LA INSTALACIÓN Debido a la rápida evolución de las tecnologías fotovoltaicas, no existen datos fiables sobre su vida útil. Sin embargo, sí hay algunos factores que afectan a la durabilidad de la instalación: 1. La exposición a los rayos UV generan un Envejecimiento de la célula. 2. Los rayos UV provocan Envejecimiento del EVA (etilvinilacetato) y del Tedlar. 3. La humedad causa un deterioro de los contactos eléctricos. 4. El vidrio sufre un envejecimiento natural y pierde transparencia tras 10‐ 15 años desde la instalación del módulo. Las pérdidas de rendimiento, por su parte, varían según la tecnología: ‐ En cristalino (mono/multi) encontramos buena resistencia al envejecimiento, con una pérdida de potencia anual de un 0,2% aproximadamente. ‐ En amorfo la disminución del rendimiento inicial es del 10% a las 300‐400 horas desde el momento en el que se instala. Al cabo de un año, las pérdidas son del entorno del 1%. ‐ Los módulos de capa fina (CIS, CIGS, CdTe, CdTe/CdS, AsGl) sufren una degradación similar a la del silicio cristalino, con pérdidas limitadas.13 ASPECTOS ECONÓMICOS Para evaluar la rentabilidad de una instalación fotovoltaica debemos tener en cuenta el lugar en el que se encuentra la instalación, la legislación vigente en dicho sitio y la comparación de la producción energética con los costes de la energía convencional. Par ello debemos determinar los costes de la instalación completa, la cantidad de energía que se va a generar durante su vida útil y los costes de toda gestión o mantenimiento que vayan a existir. El coste de la energía fotovoltaica para cada tipo de tecnología, considerando todo el funcionamiento de una planta, es un factor muy variable que depende del país en el que nos encontremos y las empresas que trabajen en el sector. El Politécnico de Milán, Solar energy Report 2013, nos muestra la evolución de precios de las distintas tecnologías en los últimos años. Observamos una fuerte bajada de precio en las tecnologías de Si mono y Si multi, lo que unido a su mayor eficiencia respecto a otras, las convierte en algunas de las opciones más interesantes desde el punto de vista de la rentabilidad.
13
Basado en Tesis Doctoral. POLO LÓPEZ, Cristina Silvia.
LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTURA 63
4.2 NORMATIVA ESPAÑOLA PARA LA GENERACIÓN FOTOVOLTAICA La inversión en fotovoltaica en España se ha reducido considerablemente en los últimos años. Son varios los factores que han contribuido a ello, desde la presión mediática hasta las imposiciones tributarias, pasando por las restricciones legales. Todo esto ha conseguido estigmatizar y desvalorizar esta fuente de energía. Esta caída contrasta con el crecimiento de la potencia instalada en algunos países, como es el caso de Alemania. Sorprende ver como un país con unos niveles de irradiación muy inferiores, produce 8 veces más energía fotovoltaica que el nuestro. Desgraciadamente, la crisis económica ha impedido el crecimiento de un sector que en el año 2008 era un referente para el resto de Europa. La caída en la recaudación de impuestos derivados de las eléctricas ha hecho que el gobierno tome medidas especiales. La última normativa energética fotovoltaica se aprobó en octubre de 2015. Se trata del RD 900/2015, que se distingue por las siguientes medidas: ‐ ‐
‐
‐
Pago obligatorio de la parte fija del recibo de la luz, sin atender al consumo. Se grava la energía producida por el sistema instalado y consumida en ese mismo instante, además de la energía intercambiada con la red. Todas las instalaciones fotovoltaicas deben hacerse visibles a la Red Eléctrica de España, teniendo que instalar para ello un contador de telemedida. Se establecen multas de hasta varios millones de euros para aquellos que infrinjan la norma. No se paga al pequeño autoconsumidor (producción menor a 100 kilovatios) por el sobrante vertido a la red.
En cuanto a las grandes empresas de producción fotovoltaica españolas, la situación del país les ha obligado a desplazar el grueso de su negocio al extranjero. Al mismo tiempo, se ha producido la entrada de empresas chinas, con precios por panel fotovoltaico considerablemente más competitivos, debido a sus reducidos costes de fabricación y a su mayor capacidad de endeudamiento. Estos factores, sumados al marco legal y las bajas expectativas que genera el sector, han acabado desembocando en la quiebra de algunas de las empresas más importantes del país, como es el caso de Isofotón, actualmente en fase de liquidación.
64 CAPÍTULO 4 –RENTABILIDAD Y NORMATIVA
Pero no todo son malas noticias. La situación ha llevado a unos precios lo bastante competitivos como para hacer rentable el autoconsumo. Además, se espera que esta tendencia a la baja en el precio del panel continúe durante los próximos años. En cuanto al marco legal y la situación de bloqueo, las expectativas son altas. Son muchos los políticos que rechazan las últimas medidas adoptadas y no menos los que están dispuestos a revertir la situación. No cabe duda de que el futuro es fotovoltaico. Ahora solo queda ver si ganarán los intereses económicos de las energéticas o la apuesta por un modelo más justo para el consumidor y respetuoso con el medioambiente.
CAPÍTULO 5 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 66 5.1. Conclusión………………………………………………………………………………. 66 5.2. Futuras líneas de investigación…………………………………….…………. 68 68
66 CAPÍTULO 5 –ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
5.1 CONCLUSIÓN En los capítulos anteriores se han analizado los criterios para la generación fotovoltaica, así como las tecnologías de células fotovoltaicas actuales y las distintas estrategias que se pueden seguir para integrarlas en los cerramientos. Como se ha explicado, para conseguir una integración adecuada de los módulos fotovoltaicos se debe responder de manera adecuada a la multiplicidad de funciones que nos ofrecen con especial atención al equilibrio entre los objetivos de diseño y el rendimiento fotovoltaico. En cuanto al estudio de las tecnologías de células fotovoltaicas, se ha observado cada una nos ofrece características distintas en cuanto a eficiencias, aspecto y costes. La fuerte reducción de los precios de las tecnologías de silicio monocristalino y multicristalino experimentada en los últimos años, puede darles una cierta ventaja respecto al resto de tecnología en cuanto a rentabilidad. Sin embargo, no existe realmente una tecnología mejor a la otra, cada caso particular nos hará elegir en función de las necesidades de producción energética, el tamaño de superficie de recuperación, las propiedades estéticas, y el elemento en el que se quiera integrar. Es necesario aclarar que todos los datos referentes al rendimiento de las células fotovoltaicas y los costes de los módulos son orientativos, ya que debido al rápido avance que está experimentando el sector fotovoltaico, estos pueden cambiar. En relación a los precios, se puede asegurar que el mercado fotovoltaico continuará su tendencia a la baja. En el tercer capítulo, se han estudiado las distintas formas de integrar los módulos fotovoltaicos según el sistema de cerramiento. La elección entre uno u otro sistema dependerá de las características del proyecto que vaya a albergar la instalación. En cuanto a la zona del edificio en la que se lleva a cabo la integración, cabe decir que la localización, la relación entre la superficie de cubierta y las necesidades de generación eléctrica, así como las sombras que puedan arrojar los elementos que rodean al edificio y la orientación e inclinación de la superficie de captación, serán determinantes para decantarnos por integrar soluciones fotovoltaicas en las fachadas o en la cubierta.
LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTUR 67
Hemos visto casos en los que la integración pasaba por una superposición de materiales y otros en los que integración total. Hay que aclarar que las ventajas de las situaciones en las que la integración pasa por la sustitución del material por un módulo fotovoltaico, son mucho mayores que en los casos en las que simplemente se lleva a cabo una integración visual. En cuanto a la situación en España, se ha explicado el actual bloqueo y la decaída del sector. Sin embargo, se espera que cuando acabe esta situación, el sector fotovoltaico sufra un fuerte crecimiento hasta situar esta fuente de energía entre una de las principales fuentes de abastecimiento. Esto permitirá disminuir en parte la fuerte dependencia energética del exterior que existe en España. En cuanto al papel que tiene el arquitecto, es cierto que la integración fotovoltaica es una exigencia más, pero no tiene por qué suponer una dificultad insalvable. En su día, el aire acondicionado o los ascensores también supusieron un reto de integración. La generación fotovoltaica mediante elementos de cerramiento se debe entender como un material más, complejo, pero que puede cumplir sin problemas las exigencias de los materiales que sustituye. Tras este proceso de investigación concluimos que no hay una única respuesta ante el objetivo de la integración, ni un camino claramente mejor que otros. La solución está en manos del arquitecto. Como ocurre tantas veces en la arquitectura, el objetivo es encontrar el equilibrio entre las exigencias técnicas y el diseño. Mediante este equilibrio conseguiremos que la respuesta del conjunto sea mejor que la suma de las partes.
68 CAPÍTULO 5 –ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS
5.2 FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ‐
Desarrollo de módulos fotovoltaicos mediante técnicas de impresión 3D. La difusión de las nuevas técnicas de impresión 3D, abren un campo de desarrollo que puede aportar múltiples ventajas en la captación fotovoltaica. La impresión de las células fotovoltaicas mediante esta técnica puede ayudar a reducir las pérdidas por reflexión ya que la radiación reflejada por una célula tridimensional puede también captarse por otra célula situada a la par. Además existe la ventaja de variar la inclinación de las células respecto a la superficie del módulo mediante nanotecnología, lo que puede aumentar el rendimiento de un módulo situado en vertical.
‐
Desarrollo de fachadas homeostáticas con integración fotovoltaica. Además de las ventajas de control climático que ofrecen las fachadas homeostáticas, también se pueden aprovechar para crear sistemas de cerramiento que permitan al módulo un seguimiento de la trayectoria del sol sin necesidad de incorporar los seguidores fotovoltaicos.
‐
Desarrollo de arquitecturas efímeras con sistemas de cerramiento fotovoltaico. El desarrollo de un sistema modular fácilmente desmontable que permita crear pabellones temporales con sistemas de autoabastecimiento energético. Se pretende desarrollar un pabellón de ETFE fotovoltaico cuyo cerramiento permita el control de la radiación solar y la producción de energía.
BIBLIOGRAFÍA
70 CAPÍTULO 6 –BIBLIOGRAFÍA
6. BIBLIOGRAFÍA TESIS DOCTORALES CERÓN VINASCO, Isabel Cristina. “Integración arquitectónica y constructiva de sistemas fotovoltaicas de tecnología de lámina delgada en relación con la disipación térmica y almacenamiento de calor”. Tesis doctoral. Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid. UPM. Madrid, 2014. POLO LÓPEZ, Cristina Silvia. “Método experimental para la caracterización de las diferentes tecnologías de integración arquitectónica de la energía fotovoltaica en condiciones de funcionamiento real”. Tesis doctoral. Escuela Técnica Superior de Arquitectura. UPM. Madrid, 2015. MONOGRAFÍAS MARTÍN CHIVELET, Nuria; FERNÁNDEZ SOLLA, Ignacio. “La envolvente fotovoltaica en la arquitectura: Criterios de diseño y aplicaciones.” Editorial Reverte. 2007. LÜLING, Claudia. “Energizing Architecture. Design and Photovoltaics”. Editorial Jovis. Berlín, 2009. GEVORKIAN, Peter. “Solar Power in Building Design. The engineers complete design resource”. Editorial McGraw‐Hill, 2008. ARTÍCULOS Y PUBLICACIONES UNEF, Informe anual. “La energía fotovoltaica una alternativa real”. Unión española fotovoltaica, 2015. Disponible en: www.unef.es KAAN, Henk ; REIJENGA, Tjerk. “Photovoltaics in an architectural context”, Progress in photovoltaics, no12, páginas 359 – 408. 2004. HOWTHORNE, Cristopher. “A Green Answer to Vanity Fair’s architecture all has its own blind spot.” Los Ángeles Times, 2010. Disponible en latimesblogs.latimes.com FOSTER, Norman. “Solar architecture is not about fashion, it is about survival.” EDG. Enviroment design guide, 2011. Disponible en: environmentdesignguide.com.au CNE. “Informe sobre las implicaciones derivadas de la aprobación de la nueva normativa comunitaria en materia de energía y medioambiente.” Comisión Nacional de Energía, 2010. Disponible en: energia.cnmc.es
LA INTEGRACIÓN FOTOVOLTAICA EN LA ARQUITECTUR 71
MANUALES Y CATÁLOGOS PRASAD, deo; SONW, Mark. “Building‐Integrated Photovoltaics (BIPV)”. nº68 MS. EDG Enviroment design guide. 2011. SOLAR INNOVA. “Manual de proyectos BIPV”. España. Disponible en www. Solarinnova.net POLYSOLAR. “Guide to BIPV”. Cambridge, 2015. Disponible en www.polysolar.co.uk MADRID SOLAR. “Guía de integración solar fotovoltaica”. Fundación de la energía de la Comunidad de Madrid. Madrid, 2008. Disponible en www.fenercom.com PUBLICACIONES ELECTRÓNICAS Y PÁGINAS WEB Onyxolar. “Profesional experience book”. Memoria de los proyectos realizados por Onyxsolar. Disponible en: www.onyxsolar.com VICTORIA, Marta; MORETÓN, Rodrigo. “Siete gráficos para ponerse al día en fotovoltaica.” Diario La Marea, 2014. Disponible en: www.lamarea.com ELCACHO, Joaquim. “Alemania tiene ocho veces más energía solar fotovoltaica que España”. Periódico La Vanguardia, 2015. Disponible en: www.lavanguardia.com VICTORIA, Marta. “¿Por qué da tanto miedo la energía solar fotovoltaica?” Artículo del periódico online Energías Renovables, 2014. Disponible en: www.energías‐renovables.com ER. “El Gobierno aprueba hoy el Real Decreto de Autoconsumo.” Artículo del periódico online Energías Renovables, 2015. Disponible en: www.energías‐renovables.com ER. “Spain is different.” Segunda Jornada Internacional Anpier. Artículo del periódico online Energías Renovables, 2015. Disponible en: www.energías‐renovables.com
72 CAPÍTULO 6 –BIBLIOGRAFÍA
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DE MADRID