La cobertura generalizada de los tejados de los edificios con paneles solares fotovoltaicos convencionales puede aumentar las temperaturas en los días calurosos y reducirlas por la noche, según un nuevo modelo. La investigación dirigida por el Dr. Ansar Khan de la Universidad de Calcuta y coautorada por el profesor de Scientia de la UNSW Sydney Mattheos (Mat) Santamouris utilizó simulaciones de mesoescala (sistema meteorológico) debido a la ausencia de datos de observación disponibles para paneles solares fotovoltaicos en tejados (RPVSP) para modelar su impacto en las condiciones climáticas locales a escala de la ciudad. Descubrieron que en un escenario con una cobertura completa de RPVSP en una ciudad, la temperatura urbana podría aumentar durante el día hasta 1,5 °C durante los períodos pico de verano y disminuir durante la noche hasta 0,6 °C.
Los hallazgos, publicados en Nature Cities, no sugieren que los paneles fotovoltaicos no sean una solución de energía renovable importante en la transición hacia el abandono de los combustibles fósiles. En cambio, los investigadores dicen que destaca la oportunidad de desarrollar soluciones integradas para los RPVSP, como materiales reflectantes para tejados y combinaciones de zonas verdes, para equilibrar sus numerosos beneficios con sus posibles inconvenientes en entornos urbanos.
“Los paneles solares fotovoltaicos son una tecnología de energía renovable importante, pero pueden cambiar las condiciones locales de las ciudades cuando se instalan en los tejados a gran escala”, dice el profesor Santamouris, titular de la Cátedra Anita Lawrence de Arquitectura de Alto Rendimiento en la Facultad de Artes, Diseño y Arquitectura de la UNSW. “Comprender estos cambios es crucial para los responsables de la toma de decisiones que consideran el uso de RPVSP en toda la ciudad y las estrategias necesarias para implementarlos de manera efectiva”.
Efectos de calefacción diurna y refrigeración nocturna
Para el estudio, el equipo de investigación analizó el impacto de los RPVSP en diferentes escenarios de cobertura en Calcuta, India. También realizaron estudios de sensibilidad de RPVSP específicos de la ciudad para otras cuatro ciudades (Sídney, Austin, Atenas y Bruselas) para comparar sus hallazgos con los de Calcuta.
“Hemos descubierto que existe una relación lineal entre el aumento de la temperatura y el porcentaje de tejados cubiertos con paneles fotovoltaicos”, afirma el profesor Santamouris. “En el escenario máximo de una cobertura del 100% durante el período pico del verano, nuestros datos muestran que los RPVSP provocan un aumento significativo de la temperatura durante el día”.
El profesor Santamouris afirma que el efecto térmico de los paneles fotovoltaicos con una cobertura del 100% de los tejados reduciría gran parte de los beneficios de la energía renovable. Las estimaciones muestran que en Sídney, casi el 40% de la electricidad que producen los paneles fotovoltaicos se utiliza para compensar el impacto del sobrecalentamiento en la carga de refrigeración adicional, principalmente el aire acondicionado.
“Cuando se instalan los RPVSP en los tejados, absorben una cantidad significativa de energía solar, convirtiendo parte de ella en electricidad y generando calor en el proceso”, afirma el profesor Santamouris. “Esto se debe principalmente al menor albedo (reflectancia) de los paneles, pero también al flujo de aire sobre la parte superior e inferior de los paneles fotovoltaicos, que amplifica el efecto de calentamiento.
“Esto significa que, durante el período pico del verano, la superficie puede alcanzar los 70°C, lo que hace imposible tener un efecto de enfriamiento sobre la temperatura urbana”.
Por el contrario, la transferencia de calor a través de la radiación durante la noche hace que la temperatura de la superficie de los paneles fotovoltaicos sea inferior a la temperatura urbana durante la noche, lo que reduce la temperatura del aire circundante. Este es un beneficio crucial, ya que se espera que el impacto del calentamiento climático se sienta más agudamente durante las noches, que podrían calentarse alrededor de 4°C durante el próximo siglo en promedio, dice el profesor Santamouris.
El estudio también encontró que los RPVSP pueden tener efectos complejos adicionales sobre otras condiciones locales. En particular, pueden reducir las concentraciones de contaminantes al aumentar la capa límite planetaria (la parte más baja de la atmósfera que se ve influenciada por las condiciones de la superficie de la Tierra), lo que conduce a velocidades más altas del viento y a la dilución de contaminantes.
“Los RPVSP también mejoran la penetración de las brisas marinas costeras en las ciudades costeras, al tiempo que reducen la concentración de contaminantes a nivel del suelo”, afirma el profesor Santamouris. “Esto compensa en cierta medida el efecto del aumento de la temperatura durante el día y es importante para ciudades como Calcuta, donde el problema de los contaminantes es muy acuciante”.
La promesa de las soluciones integradas
El profesor Santamouris afirma que es posible fabricar RPVSP que mitiguen sus impactos de calentamiento diurno manteniendo al mismo tiempo sus beneficios mediante estrategias de refrigeración avanzadas. Además, las innovaciones en la ciencia de materiales de vanguardia combinadas con RPVSP tienen un potencial significativo para crear sistemas fotovoltaicos fríos que funcionen a temperaturas más bajas y reduzcan los impactos del calor. En particular, el profesor Santamouris aboga por el uso de sistemas fotovoltaicos híbridos que integren paneles con un sistema de recolección térmica a base de agua para absorber el exceso de calor para la producción de agua caliente.
“Ya es posible enfriar la superficie de los paneles fotovoltaicos haciendo circular agua”, afirma el profesor Santamouris. “Los diseños que hacen circular agua detrás de los paneles absorben el exceso de calor y mejoran la eficiencia fotovoltaica al reducir las temperaturas de funcionamiento, mientras que el exceso de energía solar se puede canalizar para proporcionar agua caliente de forma rentable”.
Los materiales de techo fríos altamente reflectantes que rebotan el calor en lugar de absorberlo también se podrían utilizar para impulsar la producción de energía de los RPVSP cercanos y, al mismo tiempo, mitigar el calentamiento urbano local durante el día. La incorporación de otros disipadores de calor, como la vegetación en los tejados, también puede mejorar la eficiencia de la energía fotovoltaica.
“La combinación de energía fotovoltaica con tejados verdes o techos fríos puede aumentar la capacidad de la energía fotovoltaica hasta un 6-7 % y reducir significativamente las temperaturas de la superficie”, afirma el profesor Santamouris.
“Si deseamos seguir implementando energía fotovoltaica en los tejados, estas soluciones integradas son algo que debemos considerar seriamente para maximizar la eficiencia de la RPVSP y también abordar los desafíos del calor urbano”.
Fuente: Tech Xplore.