Autor del artículo: EndeF,

Los paneles solares híbridos producen electricidad y calor de forma simultánea. Estos paneles presentan importantes ventajas, como la reducción de la superficie necesaria para generar la misma energía que paneles térmicos y fotovoltaicos por separado. Además, los periodos de amortización son reducidos, logran importantes rendimientos y requieren un bajo mantenimiento. Sin embargo, estos paneles presentan las desventajas de tener un bajo rendimiento térmico, debido a las elevadas pérdidas de calor existentes, y ser una tecnología incipiente, por lo que necesita mayor maduración.

Para profundizar en el concepto de tecnología híbrida conviene partir de los tipos de irradiación, incidente y absorbida. De la irradiación incidente total, un 5% es reflejado, entorno a un 15% es convertido en electricidad y el 80% restante, es disipado al ambiente en forma de calor. Mientras que de la irradiación absorbida total, un 15% se convierte en electricidad aproximadamente. Su variación depende de la tecnología de célula utilizada. Desde un 5%, para silicio amorfo, hasta un 52%, conseguido recientemente en células multicapa utilizadas en concentración. Este calor en un módulo fotovoltaico es disipado al ambiente, pero con un híbrido puede ser aprovechado para otras aplicaciones mediante diferentes sistemas de intercambio de calor, fluidos, geometrías, etc.

Segmentos de mercado del panel solar híbrido
El informe del task 35, realizado en 2007 por la Agencia Internacional de la Energía (IAE), afirma que los paneles híbridos son una tecnología prometedora con una gran posibilidad de penetración en el mercado solar térmico, incluidas las aplicaciones de agua caliente sanitaria. El estudio revela que los mercados de edificios residenciales multivivienda cobran especial importancia debido a su escasa superficie disponible. Además sostiene que a medio y largo plazo, el  panel híbrido tiene un gran potencial en calefacción solar, especialmente en casas de bajo consumo energético, ya que pueden cubrir una gran parte de la energía consumida. A largo plazo, las aplicaciones más relevantes son la industria, agricultura y refrigeración solar. Para asegurar su penetración en el mercado, según este informe, se debe mejorar la eficiencia, la estandarización de normativas, el rendimiento óptico y térmico y su fiabilidad a largo plazo.

Cómo aumentar la eficiencia térmica
Dentro de las diferentes tipologías existentes de paneles refrigerados por agua, PVT/w, y sus aislamientos posterior y frontal, se pueden clasificar en tres grupos: PVT-0, PVT-1, PVT-2

PVT-0: corresponde a un módulo fotovoltaico al cual se le acopla un recuperador de calor que no está aislado térmicamente del ambiente por su cara posterior. Este diseño está concebido para refrigerar al máximo las células fotovoltaicas no siendo interesante el calor recuperado. El objetivo de este modelo es maximizar la generación eléctrica mediante la refrigeración de las células. Un ejemplo de este modelo serían los módulos termodinámicos híbridos. Estos últimos, en vez de ser refrigerados por agua, lo hace mediante un refrigerante (como un ciclo de bomba de calor).

PVT-1: corresponde a los paneles híbridos que tienen adosado un recuperador de calor por la cara posterior y a su vez está aislado térmicamente del ambiente. Su objetivo es aprovechar parte de calor pero para aplicaciones de baja temperatura, en climas cálidos u obtener un panel económico.

PVT-2: corresponde con un PVT-1 al cual se le adosa una CTA que aísla térmicamente el panel también por la cara frontal. El objetivo de este diseño es aumentar la energía generada por unidad de superficie ya que se minimizan las pérdidas de calor al ambiente.  Como ejemplo, se proponen cuatro soluciones que se estudiarán a continuación.  A partir de este concepto surge lo que en este trabajo se define como “Cubierta Transparente y Aislante” (en adelante, CTA). Ésta consiste en añadir en la cara frontal del panel fotovoltaico una cámara que cumpla dos objetivos: evitar las pérdidas de calor al ambiente que tiene el panel por esta cara y ser lo más transparente posible. De esta forma, el calor que no es disipado al ambiente es transferido al fluido que circula por el interior del recuperador, aumentando el rendimiento térmico del panel. Para evitar el sobrecalentamiento del panel, se aumenta el caudal de diseño adecuándolo al rango de temperaturas en el que se desea trabajar.

Esta cubierta tiene diferentes características en función su tipología. La CTA-Aire consiste en utilizar aire en la cámara comprendida entre el módulo FV y el cristal que está en contacto con el exterior. La CTA-TIM parte del diseño anterior de CTA-Aire, incluyendo una cámara TIM (Transparent Insulating material) en la cámara de aire. Este material consiste en pequeñas retículas cilíndricas de un material transparente, que tapadas por una de sus aperturas, impide el movimiento del aire en su interior creando una cámara aislante. La CTA-Vacío: consiste en hacer el vacío en la cámara, utilizando unos separadores que impidan la reducción del espesor de la cámara. Finalmente, la CTA-GN: parte igualmente del diseño de CTA-Aire, pero el aire de la cámara es sustituido por un gas inerte como el argón, xenón, criptón, etc.

Resultados obtenidos
El PVT-CTA-Vacío es la tipología con mejor comportamiento. Sin embargo, la mejora con respecto al Argón no es tan significativa como a priori parecería pensar. Esto se debe a que las pérdidas por convección se han conseguido reducir lo suficiente como para que las pérdidas por radiación sean las predominantes. Si lo comparamos con captadores de tubo de vacío, estos consiguen alcanzar valores de a1 de en torno a 1,7 W/m2K, y en el PVT-CTA-Vacío se llega hasta el 2.53 W/m2K. La diferencia entre ambas tecnologías se debe a que el nivel de vacío que se puede hacer es mucho mayor que en los planos.

Comparativa de curvas de rendimientos térmicos para los paneles estudiados

De las tipologías analizadas en este apartado, el PVT-CTA-Vacío es el más complicado de fabricar y de garantizar las condiciones iniciales durante su vida útil. Adicionalmente, tendría que disponer unos separadores que, en este estudio, no se ha analizado cómo influiría en la irradiación incidente sobre las células fotovoltaicas. Se pueden resumir todas las alternativas analizadas en la siguiente tabla.

Conclusiones a partir de los datos obtenidos
El PVT-1 es el captador con mejor rendimiento óptico, pero rápidamente decrece su rendimiento conforme aumenta su temperatura de trabajo

El PVT-TIM tiene peor rendimiento óptico pero mejora su parámetro a1 con respecto al PVT-CTA-Aire, lo cual significa que a partir de una G* de 0,02 su rendimiento es superior.

Con valores de rendimiento térmico superiores a estos casos analizados están el modelo que utiliza un gas neutro y el modelo que utiliza vacío. Aunque este último tiene mejores rendimientos, no son tan significativos comparados con la dificultad que exige su fabricación y garantía de estanqueidad durante su vida útil.

La conclusión final de este estudio es que el panel solar híbrido con CTA y gas neutro es una gran opción con futuro en el mercado. Con la aplicación de esta cubierta se evita que haya pérdidas de calor al ambiente y se logra un aumento del rendimiento térmico de panel híbrido mediante un gas inherente. Esta alternativa ofrece buenos rendimientos; es óptimo para integrar en edificios debido a la reducción de la superficie de captación generando la misma energía que paneles térmicos y fotovoltaicos; reduce sus emisiones y los periodos de amortización; su tecnología es limpia; no produce ruidos, y además, requiere un bajo mantenimiento. El panel solar híbrido con CTA y gas neutro presenta una serie de ventajas competitivas únicas para el mercado