Persianas fotovoltaicas dinámicas para edificios con fachadas acristaladas

Investigadores chinos han desarrollado un nuevo sistema fotovoltaico integrado dinámico y vertical de envolvente de edificios (dvPVBE, por sus siglas en inglés) para edificios de gran altura con fachadas acristaladas.

La novedad del sistema radica en su flexibilidad, con ángulos de las lamas y posiciones de las persianas que responden a las condiciones meteorológicas. “Recientemente se han estudiado sistemas PVBE muy dinámicos y sensibles a las condiciones meteorológicas para mejorar la eficiencia energética de los edificios”, explican los investigadores. “Sin embargo, las estructuras relativamente complejas no son adecuadas para edificios de gran altura debido a sus débiles características cortavientos, que impiden su aplicación a gran escala en las ciudades. En consecuencia, el desarrollo de dispositivos de sombreado fotovoltaico sencillos, flexibles e inteligentes sigue presentando retos importantes”.

Para resolver estos problemas, los científicos diseñaron el sistema propuesto como una capa externa hermética de las ventanas. En un prototipo que fabricaron, la estructura del marco y las lamas de la persiana eran de aleación de aluminio, y las células solares estaban integradas en las lamas. Las lamas se controlaban mediante un motor, oculto en una estructura superior del marco.

“A diferencia de las persianas exteriores estáticas tradicionales, las lamas de la dvPVBE pueden detenerse a cualquier altura del marco y girar entre 0 y 90 grados mediante el control preciso de la carrera del motor”, explican. “Las persianas pueden desplegarse parcial o totalmente”.

La dvPVBE puede ser controlada manualmente por los ocupantes del edificio o automáticamente mediante tres estrategias de control automático, que el grupo denominó prioridad de generación de energía (PGP), prioridad de luz natural (NDP) y prioridad de ahorro de energía (ESP). En cada una de ellas, el ángulo de las lamas y la posición de la persiana se controlan mediante una serie de parámetros, como la radiación solar incidente, la ocupación de la habitación, la iluminación interior y el consumo y la generación de energía eléctrica en tiempo real. La posición de la persiana se refiere a la distancia entre el marco superior y la lama inferior.

Las estrategias de control PGP y ESP se investigaron más a fondo en una simulación por ordenador. Para las tareas se diseñó un edificio de oficinas de 24 plantas en Pekín (China), sin edificios altos adicionales a su alrededor. En ese edificio se simuló una sala representativa de 5 × 5 × 3 m situada en la fachada orientada al sur, con una relación ventana-pared del 70%. Las temperaturas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) se fijaron por debajo de 26 ºC en verano y por encima de 18 ºC en invierno.

Incluyendo un periodo de puesta en marcha, durante los días laborables el sistema estuvo en funcionamiento de 7:00 a 18:00. El sistema fotovoltaico de las lamas se simuló con 26 células de silicio monocristalino por lama y 24 lamas por ventana. Se supuso que las células eran del fabricante chino JinkoSolar, con una eficiencia del 21,32%. Los ángulos de las lamas podían variar en incrementos de 5 grados. Para el análisis se seleccionaron cuatro días típicos en torno al equinoccio de primavera, el solsticio de verano, el equinoccio de otoño y el solsticio de invierno.

“Para las estrategias de control del dvPVBE, se utilizó la estrategia PGP durante las horas no laborables y la estrategia ESP durante las horas laborables”, explica el investigador. “Para seguir demostrando la viabilidad de la dvPVBE en la mejora de la eficiencia energética de los edificios y realizar una comparación justa con las persianas fotovoltaicas estáticas, la simulación se centró principalmente en evaluar la influencia de los ángulos ajustables de las lamas en el rendimiento energético”.

La simulación demostró que el sistema dvPVBE presentaba un rendimiento energético superior al de los PVBE estáticos durante todo el año. El dvPVBE cubrió el 131% de la demanda anual de energía de la sala de oficinas. En comparación con el sistema estático, la producción neta de energía aumentó al menos un 226%.

“Durante la mayor parte del día a lo largo del año en Pekín, se recomiendan ángulos de lamas de 45° a 60° para equilibrar la utilización de la luz natural y la energía solar”, subraya el grupo académico. “A primera hora de la mañana, se recomiendan grandes ángulos de las lamas para permitir una penetración suficiente de la luz natural y reducir la carga de iluminación, sobre todo en invierno”.

Los académicos presentaron el novedoso concepto en el estudio “A New Dynamic and Vertical Photovoltaic Integrated Building Envelope for High-Rise Glaze-Facade Buildings” (Una nueva envolvente fotovoltaica dinámica y vertical para edificios altos con fachada acristalada), publicado en Engineering. El grupo estaba formado por científicos de la Universidad china de Shenzhen, la Universidad Tsinghua, el Laboratorio de Materiales del Lago Songshan, la Academia China de Ciencias, la Universidad de Hunan, el Laboratorio Estatal Clave de Geotecnia Inteligente y Túneles y el Ministerio de Educación.