En un país como España, con una media de 300 días soleados al año, tenemos que aprovechar al máximo la energía procedente del Sol. Las placas solares convencionales son cada vez más eficientes, pero el enorme potencial de sistemas como el vidrio fotovoltaico para las envolventes de los edificios sigue desaprovechado. Ya hay soluciones para instalar en fachadas y tejados que pueden jubilar las placas solares convencionales, pero ingenieros y científicos de todo el mundo siguen estudiando las posibilidades de añadir otras funciones a estos cristales, como la de elevar la temperatura del agua caliente, más necesaria que nunca con la llegada del frío.

Los últimos estudios en ese sentido provienen de un equipo del Imperial College de Londres (Reino Unido) y del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (Alemania), que ya han demostrado su capacidad para presentar innovaciones como las ventanas para ahorrar en aire acondicionado que también se limpian solas. Estos investigadores llevan trabajando desde 2020 en el desarrollo de una novedosa ventana híbrida fotovoltaica-térmica (PVTW, por sus siglas en inglés) integrada en los edificios, capaz de producir simultáneamente electricidad y agua caliente sanitaria (ACS).

En un estudio publicado en la revista Advanced Science, el equipo liderado por el joven científico Gan Huang, presentan sus avances en la "fabricación y prueba de un PVTW híbrido integrado en el edificio, compuesto por una capa fotovoltaica semitransparente y un absorbente térmico de base líquida selectivamente absorbente". Las conclusiones son muy prometedoras: con menos de 3 m2 de este tipo de ventanas instaladas en un hogar medio se podría satisfacer al completo la demanda diaria de agua caliente sin necesidad de una caldera de apoyo, además de reducir la factura de la luz.

Cómo funciona

Las cubiertas de los edificios tienen un espacio limitado, y es el lugar en el que normalmente se instalan los paneles fotovoltaicos y los conocidos como colectores solares, dispositivos que capturan y concentran la radiación solar para su aprovechamiento en el calentamiento del agua caliente sanitaria. 

Para solucionarlo, se buscan tecnologías de alta eficiencia integradas en los edificios, capaces de maximizar la utilización del espacio y el suministro de energía. Huang y sus colegas apostaron por aprovechar las ventanas, normalmente, un simple vidrio transparente, para incorporar varias capas que les permiten generar energía y aumentar la temperatura del agua.

La luz solar incide primero en una capa de vidrio fotovoltaico semitransparente (suministrado por la empresa española Onyx Solar), con un conjunto de microrrayas espaciadas de silicio amorfo (a-Si).

Esta capa sólo absorbe una parte de la luz solar para generar electricidad, dejando pasar el resto hasta la capa de agua de 4 mm de grosor situada justo debajo. Ésta es casi transparente al espectro visible, pero puede absorber selectivamente la mayor parte del espectro infrarrojo para generar energía térmica.

Dos marcos de policarbonato permiten unir estas capas a un vidrio estándar bajo en hierro, mientras que dos finísimos tubos de latón ejercen como puertas de entrada y salida del agua, situadas en esquinas opuestas. Antes de pasar a la fase experimental, el equipo de aseguró de que no hubiera pérdidas y de que el sellado con silicona no aumentara el grosor total de la ventana PVTW.

Pruebas en Londres

Para comprobar la eficiencia y la viabilidad de su invento, Huang y su equipo pusieron a prueba sus capacidades para compararlas con las de una ventana solar térmica (STW) convencional. El lugar elegido fue un tejado del Imperial College de Londres durante el mes de julio de 2021, con una temperatura ambiente máxima de 34 ºC y una irradiancia solar de unos 1.100 W/m2 al mediodía. 

Para evaluar las posibilidades reales de este tipo de instalaciones, los investigadores comprobaron los resultados obtenidos con diferentes ángulos de inclinación con respecto al sol (30°, 60° y 90°). "El PVTW alcanzó eficiencias del 3,6% en electricidad y del 10,7% en generación de calor con una inclinación de 30º. La capacidad de producir unos 50 ºC de agua caliente la hace adecuada para aplicaciones domésticas, mientras que su generación de electricidad contribuye a las necesidades energéticas del edificio", afirman en el estudio.

Con una inclinación de 90°, el sistema registró una eficiencia eléctrica del 3,3% y una eficiencia térmica del 17,6%, con una temperatura máxima del agua de salida de unos 42 ºC. "En comparación con un STW autónomo, el PVTW no sólo proporciona agua caliente a mayor temperatura, sino que también muestra un aumento absoluto del 10% en la eficiencia térmica, junto con la generación de electricidad", resaltan.

Una vez finalizado el periodo de pruebas y obtenidos los datos, los investigadores iniciaron una fase de cálculos para estimar la superficie de PVTW necesaria para "satisfacer la demanda de agua caliente de una típica casa adosada de tres dormitorios en Londres ocupada por 2 adultos y 2 niños". 

Los resultados fueron sorprendentes: con sólo 1,2 m2 y una inclinación de 30º se generaría lo necesario para ofrecer agua caliente de forma instantánea. Si las ventanas forman parte de un sistema más amplio, con un depósito de almacenamiento de agua caliente para evitar las intermitencias de la irradiación solar, esa superficie se va a los 2,8 m2, aproximadamente, evitando la necesidad de contar con una caldera de apoyo.

En todo caso, matizan los científicos, "es importante destacar que esta tecnología desempeñaría un importante papel reduciendo la carga de los sistemas tradicionales de calentamiento de agua que actuarían como respaldo, en lugar de sustituirlos por completo". Así, las PVTW serían un complemento perfecto para los sistemas ya existentes, sin ocupar espacio en el tejado y con gran capacidad de generación de energía térmica y fotovoltaica en una superficie relativamente pequeña.