Investigadores chinos han diseñado un novedoso sistema fotovoltaico integrado en edificios (BIPV, por sus iniciales en inglés) que integra una capa de material de cambio de fase (PCM) a cada lado de la pared.
Denominado envolvente compuesta BIPV de doble PCM (BIPV-dPCM), el nuevo sistema se validó experimentalmente mediante un modelo numérico y se comparó con sistemas de referencia. Según los resultados, logró un rendimiento de acoplamiento termoeléctrico superior al de todos los demás sistemas.
«La integración de PCM con BIPV presenta un enfoque convincente para mejorar la utilización de la energía solar y mitigar las cargas térmicas interiores, contribuyendo al desarrollo de edificios energéticamente eficientes y con bajas emisiones de carbono», afirman los científicos. «El PCM puede reducir la temperatura de funcionamiento de la fotovoltaica y disminuir la diferencia de carga máxima, reduciendo al mismo tiempo la fluctuación de la temperatura del aire interior».
El sistema propuesto, que se simuló con el software TRNSYS, se compone de varias capas. En primer lugar, se colocan módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino en la capa exterior, que se acoplan a continuación con 30 mm de PCM RT-28. A continuación se colocan 10 mm de mortero de cemento, 120 mm de pared de ladrillo y otros 10 mm de mortero de cemento. Por último, se coloca un PCM RT-40 de 30 mm de grosor en el interior del apartamento.
«Durante el día, los paneles fotovoltaicos convierten la radiación solar en electricidad, generando un exceso de calor que se dirige hacia el interior», explican los académicos. «El PCM colocado en la parte posterior de los paneles fotovoltaicos absorbe el calor, lo que hace que se derrita, reduciendo así la temperatura fotovoltaica y mejorando la eficiencia de la generación de energía. Por la noche, el PCM cercano a la zona interior empieza a solidificarse y, por tanto, a exotermizarse, manteniendo así la temperatura interior con pequeñas fluctuaciones. El doble PCM aumenta la resistencia térmica de la pared, evitando la transferencia de calor entre las capas interior y exterior».
Este sistema se simuló en una habitación orientada al sur de 5 metros de dimensión, situada en la planta intermedia de una vivienda civil en Guangzhou (China). Se supuso que en esta habitación vivía una persona, que utilizaba 3,8 W/m2 de luz y 5 W/m2 de otros equipos. Se supuso que las luces estaban encendidas entre la 1 de la mañana y las 2 de la tarde, y que los demás equipos se utilizaban entre las 7 de la mañana y las 9 de la noche. El aire acondicionado se encendió durante los meses de verano entre las 7 de la mañana y las 5 de la tarde y se ajustó a una temperatura de 26 ºC.
«Para verificar la capacidad de la nueva envolvente BIPV-dPCM propuesta de tener en cuenta tanto la generación de energía como el rendimiento del aislamiento térmico, el estudio la compara con otras tres envolventes típicas», explican los investigadores. «La pared de referencia se denomina Pared I, mientras que la Pared II es un PCM monocapa común acoplado a una estructura de cerramiento fotovoltaico que muestra un mejor rendimiento de generación de energía cuando está cerca de los paneles fotovoltaicos. El muro III presenta un mejor aislamiento térmico cuando está cerca del interior. El BIPV-dPCM propuesto en este estudio se denomina Muro IV».
El análisis demostró que el nuevo sistema lograba una reducción de la carga de frío del 7,94%, 4,60% y 0,50% menos que las estructuras I, II y III, respectivamente. Mejoró el control de la temperatura y redujo las temperaturas pico fotovoltaicas en 1,77 C y las temperaturas de la pared interior en 6,3 C, retrasando la penetración del calor en 1 hora.
«El análisis exergético de los cuatro tipos de estructura de cerramiento muestra que los PCM dobles pueden mejorar más eficazmente la eficiencia exergética global y reducir el daño exergético de cada componente», añadió el grupo. «Sin embargo, la pérdida de exergía interna del módulo fotovoltaico representa más del 80%, por lo que es necesario incorporar técnicas de refrigeración como la ventilación».
Como conclusión de los resultados, los científicos afirmaron que «el coeficiente de autosuficiencia (SSC) del sistema BIPV-dPCM está estrechamente relacionado con el tiempo de transición de fase del PCM. El SSC puede superar el 55%, lo que demuestra una gran capacidad de autoconsumo fotovoltaico. Optimizando los parámetros, especialmente la relación de grosor del PCM, el SSC puede superar el 65%».
El sistema se presentó en «Investigation of double-PCM based PV composite wall for power-generation and building insulation: thermal characteristics and energy consumption prediction» (Investigación de una pared compuesta fotovoltaica basada en doble PCM para la generación de energía y el aislamiento de edificios: características térmicas y predicción del consumo de energía), publicado en Energy and Built Environment. Investigadores de la Universidad china de Jinan, la Universidad Tecnológica de Anhui y la Universidad de Wuhan han realizado el estudio.
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