Las ventanas que van a jubilar al aire acondicionado y a las placas solares: enfrían edificios y generan energía

Cada verano, con temperaturas que rozan o superan los 40 grados en buena parte de España, nos enfrentamos al mismo dilema. La abundancia de luz solar es bienvenida para que las placas solares generen más energía y durante más tiempo, pero el calor producido por el Sol también implica una reducción de la eficiencia de los paneles y un creciente gasto en aire acondicionado. Para que los edificios sean más eficientes desde el punto de vista energético, las ventanas fotovoltaicas se perfilan como una alternativa muy a tener en cuenta, y mejorar su funcionamiento es clave en la lucha contra el cambio climático y el efecto isla de calor de las ciudades.

A diferencia de las placas solares convencionales que suelen instalarse en los tejados y cubiertas de los edificios, el vidrio fotovoltaico (también conocido como BPV) integra a la perfección células solares en la fachada, convirtiendo ventanas normales en unidades generadoras de energía. Ahora, un estudio pionero de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong ha desvelado un novedoso acristalamiento fotovoltaico semitransparente recubierto (CSTPV, por sus siglas en inglés) capaz de aumentar la energía producida reflejando buena parte del calor.

El estudio, publicado en la revista Energy & Buildings, presenta unas ventanas que incorporan un revestimiento de refrigeración radiativa pasiva altamente transparente. Así, emulando el efecto que ya producen tejidos y pinturas capaces de reducir la temperatura, se pretende resolver uno de los principales problemas de las placas solares y los vidrios BPV convencionales: la acumulación de calor, que puede reducir considerablemente su eficiencia. Combinando ambas tecnologías, los investigadores han desarrollado un sistema que no sólo es más eficiente a nivel energético, sino que también mejora la gestión térmica y no afecta a la calidad de la iluminación interior.

Simulaciones y experimentos

Para demostrar la validez de sus conclusiones, el equipo de investigación empleó una metodología exhaustiva que combinaba simulaciones por ordenador con mediciones experimentales. Utilizaron tres herramientas informáticas diferentes para evaluar el rendimiento térmico, energético y de iluminación natural de distintos tipos de ventanas, tanto convencionales como fotovoltaicas. A continuación, las simulaciones se verificaron mediante rigurosas mediciones experimentales en exteriores, siempre con el clima de Hong Kong como referencia. 

Las ventanas analizadas aprovechan las posibilidades que ofrece un material llamado teluro de cadmio (CdTe), conocido por ser flexible, asequible y por su eficiencia a la hora de convertir la luz solar en electricidad. Para someterlas a todo tipo de pruebas, los investigadores diseñaron unas ventanas de menos de 8 milímetros de grosor, el ancho aproximado de un lápiz, con el 40% de la superficie cubierta por células solares.

Diagrama del estudio sobre ventanas CSTPV Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong Omicrono

Una de las características más interesantes de estas ventanas es que incorporan acristalamiento al vacío, responsable de crear un excelente aislamiento térmico y acústico. Para ello utilizaron dos capas: un acristalamiento recubierto de baja emisión de 3,2 mm en la parte delantera y otro transparente del mismo grosor en la parte trasera, con una cavidad de vacío entre ambas mantenida a baja presión.

Para medir la eficacia de sus nuevas ventanas, los investigadores instalaron un simulador solar en su laboratorio de la Universidad Politécnica de Hong Kong. Así pudieron comprobar que sus ventanas fotovoltaicas con revestimiento radiativo pasivo ofrecían una ligera mejora en cuanto a la eficiencia a la hora de convertir la luz solar en electricidad que ventanas fotovoltaicas sin revestimiento.

La ventana fotovoltaica con revestimiento de refrigeración radiativa pasiva Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong Omicrono

Las propiedades térmicas y ópticas de los sistemas del acristalamiento se midieron meticulosamente para obtener datos sobre la transmitancia, reflectancia y emisividad de las distintas capas de las ventanas fotovoltaicas al vacío. A continuación, los datos se introdujeron en un software especializado para realizar un análisis exhaustivo de las características térmicas y ópticas de cada modelo.

La verdadera diferencia se detectó cuando comprobaron la capacidad de las distintas ventanas para gestionar el calor. En un experimento al aire libre, midieron la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de las ventanas. Las que tenían revestimiento refrigerativo mostraron una diferencia de temperatura de unos 22 ºC, mientras que las versiones sin revestimiento sólo alcanzaron unos 13 ºC. 

Más energía, menos calor

En cuanto a la generación de electricidad, los investigadores descubrieron que las ventanas CSTPV orientadas al sur (las que reciben más sol) producían un 3% más de electricidad al año que las ventanas fotovoltaicas sin revestimiento. Eso es debido a su tasa de ganancia de calor un 15% inferior, lo que mejora considerablemente la eficiencia energética de las células. 

Quedaba todavía comprobar la calidad de la luz en el interior del edificio, ya que algunos revestimientos pueden afectar a los colores y ofrecer una iluminación demasiado tenue. Los investigadores midieron cuidadosamente la cantidad de luz natural que entraba por las ventanas y llegaron a la conclusión de que, aunque los modelos fotovoltaicos dejaban pasar menos luz natural que los normales, seguían proporcionando suficiente iluminación para que los espacios interiores fueran confortables. 

En cuanto a los colores, utilizaron dos medidores, el índice de reproducción cromática (IRC) y la temperatura de color correlacionada (CCT). Estos estándares indican lo "natural" que resulta la luz y lo bien que muestra los colores reales de los objetos. Los resultados fueron concluyentes: todas las ventanas, incluidas las CSTPV, producían una luz muy similar a la natural.

Aunque será necesario seguir investigando para llevar esta tecnología al mercado, el estudio proporciona una base sólida para el futuro de la energía fotovoltaica integrada en los edificios. Al transformar las ventanas en componentes multifuncionales que generan electricidad, regulan el calor y proporcionan una iluminación interior de alta calidad, los edificios pueden reducir considerablemente tanto su consumo de energía como su huella de carbono. En climas cálidos como el español, este avance podría suponer un enorme ahorro en climatización.