Investigadores de la Universidad de Hong Kong han presentado un sistema innovador de vidrio bifacial fotovoltaico (TC-BiPV) que combina capas termocrómicas basadas en hidrogeles con módulos fotovoltaicos bifaciales. Este sistema regula dinámicamente la transmisión solar y al mismo tiempo captura la radiación solar desde ambos lados, con el objetivo de reducir el consumo energético, los costos y las emisiones en los edificios.

Cómo funciona el sistema

El sistema incluye una placa de vidrio bifacial fotovoltaico, un espacio de aire y una placa de vidrio con hidrogel, dispuestos de forma exterior a interior. El vidrio BiPV contiene celdas fotovoltaicas entre dos placas de vidrio claras, mientras que el vidrio con hidrogel encierra una capa de hidrogel termocrómico entre dos placas de vidrio. El hidrogel cambia de transparente a translúcido al aumentar la temperatura, reduciendo el calor solar mientras mantiene el confort visual y térmico.

A temperatura por debajo del umbral de transición, el hidrogel es transparente, permitiendo la radiación solar para iluminación interior. Por encima de este umbral, se vuelve translúcido, reduciendo la ganancia solar. En su estado caliente, el hidrogel refleja la luz hacia el lado posterior del vidrio BiPV, mejorando la generación eléctrica del lado posterior. Este diseño captura eficazmente la energía que de otro modo se desperdiciaría, mejorando la eficiencia general del sistema.

El sistema también incorpora selectividad espectral, asegurando que el vidrio BiPV delantero reciba todo el espectro solar, mientras que la radiación del lado posterior se concentra dentro del rango de respuesta de los paneles fotovoltaicos. Esto reduce la temperatura de las celdas y mejora la eficiencia, ya que el estado del hidrogel responde a la temperatura exterior, la radiación solar y el ángulo de incidencia, vinculando el rendimiento del sistema a la orientación y las condiciones climáticas.

Rendimiento y beneficios

El prototipo fue fabricado con celdas BiPV dispuestas en una matriz de 6×6 con una cobertura del 45% y una capa de hidrogel de 1 mm sellada entre placas de vidrio. La montaje incluye un espacio de aire de 5 cm para cables, montaje y reemplazo independiente del hidrogel y del vidrio fotovoltaico, facilitando una mantenimiento más sencillo.

El autor principal, Chin Yan Tso, compartió resultados de experimentos con el prototipo, indicando que en un día de prueba de verano, el vidrio TC-BiPV redujo la ganancia de calor solar directa en alrededor del 30% en comparación con el vidrio termocrómico solo, reduciendo la temperatura del aire en la caja de prueba hasta 4,8°C. En comparación con el vidrio fotovoltaico bifacial convencional, el TC-BiPV redujo la ganancia de calor solar directa en alrededor del 62,6%, produjo reducciones de temperatura en la caja de prueba hasta 15,1°C y aumentó la generación de electricidad en aproximadamente el 16,5%.

Simulaciones anuales en ubicaciones tropicales indicaron que el rendimiento bifacial TC-BiPV oscila entre el 9-18% para ventanas de techo y 6-14% para ventanas verticales, en comparación con el 4-5% y 5-7% del BiPV. El análisis también mostró que para instalaciones de ventanas de techo, el TC-BiPV reduce la ganancia de calor interior anual en un 27,7% en comparación con el BiPV y un 38,4% en comparación con el vidrio termocrómico; para ventanas de fachada, las reducciones son del 9,1% y 40,1%, respectivamente.

¿Por qué es importante?

El sistema TC-BiPV ofrece un camino escalable y pasivo para reducir la carga de enfriamiento, al tiempo que mejora la generación de energía fotovoltaica en el lugar, con un potencial práctico para envolventes de edificios energéticamente eficientes en climas cálidos. Según Tso, el sistema está diseñado para ser una solución práctica para reducir el consumo energético en edificios, especialmente en regiones tropicales donde las demandas de enfriamiento son altas.

Materiales termocrómicos tradicionales como el dióxido de vanadio (VO₂) y los perovskitas enfrentan limitaciones, incluyendo altas temperaturas de transición, toxicidad y desafíos en la fabricación a gran escala. Por otro lado, el vidrio termocrómico basado en hidrogeles ofrece modulación de todo el espectro, bajo costo y escalabilidad, lo que lo hace más práctico para aplicaciones reales.

La integración de funciones termocrómicas y fotovoltaicas bifaciales en un solo sistema es altamente deseable para aplicaciones avanzadas de vidrio. Soluciones híbridas anteriores, como persianas fotovoltaicas o módulos fotovoltaicos de seguimiento, dependían de ajustes manuales o mecánicos, aumentando la complejidad y el costo operativo. El sistema TC-BiPV supera estas limitaciones combinando tecnologías solares pasivas y activas en un diseño eficiente.

El sistema fue descrito en un artículo titulado “Estudio experimental y numérico de un nuevo sistema de vidrio fotovoltaico bifacial termocrómico”, publicado en la revista Building and Environment. La investigación destaca el potencial del sistema TC-BiPV para revolucionar la eficiencia energética de los edificios al reducir la dependencia de los sistemas de enfriamiento convencionales y aumentar el uso de energía renovable.

El estudio también identificó palancas clave de diseño, incluyendo la proporción de cobertura de los paneles fotovoltaicos y la temperatura de transición del hidrogel, que pueden ajustarse para optimizar el rendimiento del sistema según las necesidades específicas del edificio y las condiciones climáticas. Esta flexibilidad hace que el sistema sea adaptable a una amplia gama de aplicaciones, desde edificios residenciales hasta estructuras comerciales.

Con el creciente demanda global por soluciones energéticamente eficientes para edificios, el sistema TC-BiPV representa una innovación prometedora en la arquitectura sostenible. Con más desarrollo y pruebas, el sistema podría convertirse en una característica estándar en edificios que buscan reducir su huella de carbono y disminuir los costos energéticos.