Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han estudiado el impacto de los sistemas fotovoltaicos en tejados sobre los microclimas urbanos y las temperaturas, y han descubierto que estas instalaciones, a pesar de su potencial para mejorar la sostenibilidad energética, podrían “inadvertidamente” exacerbar el calor urbano.
La investigación se realizó en el campus subtropical húmedo de la HKUST, que alberga varios sistemas fotovoltaicos desde 2020. La iniciativa incluyó la instalación de más de 8.000 paneles solares en 50 ubicaciones del campus, generando hasta 3 millones de kWh de electricidad.
“Durante una visita a los tejados equipados con fotovoltaica, los investigadores observaron que los paneles estaban extremadamente calientes, lo suficiente como para aparentemente freír un huevo”, dijo el autor principal del estudio, Chen Liutao, a pv magazine. “Esta observación inspiró al equipo a desplegar sensores ambientales en varios tejados para monitorear las temperaturas del aire y de la superficie, e investigar los posibles impactos térmicos de los sistemas fotovoltaicos en tejados”.
Los resultados revelaron que los tejados equipados con sistemas fotovoltaicos experimentaron temperaturas del aire ambiente más elevadas en comparación con los tejados convencionales. Durante el mes más caluroso de julio, la temperatura del aire sobre los tejados fotovoltaicos fue, en promedio, 1,3 °C superior a la de los tejados convencionales sin unidades de aire acondicionado (AC), y 0,7 °C superior a la de aquellos con unidades de AC. En promedios de 15 minutos, la diferencia de temperatura llegó hasta 5,2 °C al mediodía.
Los académicos también analizaron el comportamiento térmico de los propios paneles fotovoltaicos, descubriendo que bajo una fuerte radiación solar durante olas de calor, las superficies de los paneles podían alcanzar temperaturas de hasta 65,8 °C, con promedios mensuales 9,7 °C superiores a las superficies de hormigón. Este efecto de calentamiento se atribuyó a la alta absorptividad solar y baja inercia térmica de los paneles. El calor se disipa al aire circundante mediante convección. Por la noche, los paneles fotovoltaicos se enfriaron más rápido que los tejados convencionales, bajando ligeramente la temperatura del aire circundante en menos de 1 °C.
Para comprender mejor cómo los cambios microclimáticos inducidos por la fotovoltaica afectan la demanda energética de los edificios, el equipo de investigación realizó simulaciones EnergyPlus para un espacio de oficina en la última planta, bajo un tejado equipado con fotovoltaica. Aunque una cobertura fotovoltaica del 50% podría compensar el 71% del consumo energético del edificio mediante la generación eléctrica, el calentamiento ambiental causado por los paneles fotovoltaicos contrarrestó los beneficios del sombreado. En julio, esto resultó en un aumento neto del 1,5% en la demanda de energía para refrigeración.
Más allá de los impactos energéticos, el estudio destacó riesgos críticos para la salud durante cortes de energía. El calentamiento inducido por la fotovoltaica extendió los periodos de exposición al calor de “Peligro Extremo” en un 29,8%, aumentando el riesgo para los ocupantes de los edificios durante olas de calor. Los investigadores subrayaron que el uso dirigido de la energía generada por la fotovoltaica para refrigeración durante los periodos de mayor peligro podría transformar estos sistemas de amplificadores pasivos de calor en activos de resiliencia.
El estudio también sugirió la necesidad de diseños innovadores de sistemas fotovoltaicos para mitigar los efectos microclimáticos adversos. Entre las soluciones prometedoras se incluyen sistemas híbridos de tejado verde y fotovoltaica, materiales de cambio de fase y sistemas térmicos integrados a la fotovoltaica. Estas tecnologías podrían reducir simultáneamente la temperatura superficial de los paneles y mejorar la eficiencia de conversión energética, equilibrando la producción de energía con la mitigación del calor urbano.
“Los sistemas fotovoltaicos en tejados no son solo infraestructura energética; son participantes activos en los sistemas microclimáticos urbanos”, afirmó Liutao. “Su integración exitosa requiere una doble optimización: maximizar el potencial de generación mientras se gestionan de forma inteligente los impactos ambientales localizados”.
Los hallazgos también subrayaron la variabilidad de los efectos térmicos de los sistemas fotovoltaicos según factores como el ángulo de inclinación de los paneles, el espaciado de los arreglos y las propiedades de base de los tejados. Los investigadores solicitaron más simulaciones y experimentos en diferentes climas y configuraciones para comprender y abordar mejor estos desafíos.
“Es importante señalar que, aunque estos hallazgos ponen de relieve consideraciones importantes sobre la resiliencia urbana, no deben restar valor a los beneficios generales de los sistemas fotovoltaicos para la sostenibilidad energética y la reducción de carbono”, concluyó Liutao. “El objetivo de este estudio es informar sobre mejores diseños y estrategias de despliegue, asegurando que los sistemas fotovoltaicos en tejados puedan ofrecer tanto beneficios ambientales como sociales sin compensaciones no intencionadas”.
Los resultados completos del estudio se detallan en el artículo “The Resilience Paradox of Rooftop PV: Building Cooling Penalties and Heat Risks” (La paradoja de la resiliencia de la energía fotovoltaica en azoteas: penalizaciones por refrigeración de edificios y riesgos de calor), publicado recientemente en Building and Environment.
En octubre, otro grupo internacional de científicos presentó un nuevo modelo para la evaluación de la fotovoltaica en tejados en microclimas urbanos. La modelización mostró que los arreglos fotovoltaicos en tejados pueden tener consecuencias “no intencionadas” sobre las temperaturas en entornos urbanos.
Según los datos recogidos en India, los sistemas en tejados pueden aumentar las temperaturas diurnas del aire cerca de la superficie hasta en 1,5 °C, ya que absorben aproximadamente el 90% de la energía solar, convirtiendo hasta aproximadamente el 20% en electricidad, mientras que el resto contribuye a su calentamiento. Por la noche, en cambio, una cobertura fotovoltaica total de la ciudad puede reducir las temperaturas máximas nocturnas del aire cerca de la superficie hasta en 0,6 °C. En las horas de máximo calor, la temperatura de la superficie del tejado aumentaría hasta 3,2 °C y tendría un enfriamiento promedio de 1,4 °C por la noche.
“Nuestro estudio también revela que los paneles solares fotovoltaicos en tejados alteran significativamente los balances energéticos de la superficie urbana, los campos meteorológicos cercanos a la superficie, la dinámica de la capa límite urbana y las circulaciones de brisa marina”, señaló el grupo de investigación en ese momento.
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