Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autores
- Alexander Kobtsev, Fundador Gerente, Libre Evolución de Energía
- Francisco Serrano Casares, Investigador responsable del Grupo de Energética, Universidad de Málaga
Resumen
Hemos desarrollado un sistema de fachada y ventana definitivamente novedoso: una ventana deja de ser únicamente una ventana, sino se convierte en un sistema generador de energía. La ventana transforma la energía solar en energía eléctrica, la acumula y permite que se utilice para la calefacción/aire acondicionado de los interiores, para el funcionamiento de los electrodomésticos, así como para la oxigenación de los habitáculos. Los resultados del estudio del sistema, realizado en colaboración con la Universidad de Málaga, muestran que el edificio dotado de esta tecnología es autosuficiente energéticamente, por tanto puede ser integrado con todos los sistemas de ingeniería del edificio inteligente.
Palabras clave
Ventana, Energía, Ahorro
Introducción
En los últimos 20 años los precios de sistemas de ventanas y fachadas en los mercados internacionales han ido bajando continuamente. Al mismo tiempo, las exigencias de calidad crecen constantemente.
Estos dos procesos opuestos provocan un incremento de costos de producción para los fabricantes y una dura competencia en la lucha por el beneficio.
Por otro lado, las tendencias que incentivan el crecimiento del mercado mundial son:
- La aceptación de las estructuras de cerramiento translúcidas ecológicamente amigables en toda la América del Norte y Europa
- El desarrollo de las innovaciones tecnológicas, tales como materiales de alta eficiencia energética para las fachadas. Estos productos avanzados con propiedades de concentrar y utilizar la energía solar, serán de amplio empleo en edificios comerciales y residenciales de todo tipo en calidad de una fuente complementaria de generación de electricidad
El Proyecto
La ventana deja de ser sólo una ventana
Los sistemas de ventanas y fachadas siempre tienen como objetivo reducir las pérdidas de energía.
En nuestra empresa hemos desarrollado un sistema de fachada y ventanas FREENERGY que constituye un sistema energético propio.
Las restricciones que enfrentan las fuentes de energía renovables modernas son las siguientes:
- Grandes superficies que se requieren para instalar los equipos de generación de energía
- Costos de transporte y almacenamiento de la energía generada
- Baja capacidad generadora de las fuentes de energía durante la temporada invernal
El sistema de fachada FREENERGY está diseñado para generar electricidad a partir de energía solar con el fin de proporcionar electricidad al edificio.
De este modo, nuestro sistema de fachada representa una fuente autónoma de energía para:
- Iluminación
- Calefacción
- Aire acondicionado
- Funcionamiento de dispositivos eléctricos
Se trata de una ventana PVC o de aluminio equipada con sistema solar fotovoltaico a base de módulo de silicio amorfo y elementos como batería, inversor y regulador.
Se ha hecho un trabajo para analizar el comportamiento de la ventana fotovoltáica en condiciones reales. Se ha colocado la ventana en banco de ensayos fotovoltáicos del laboratorio, en la terraza del edificio del Instituto de Energética de la Universidad de Málaga, en posición vertical, orientada al Sur.
Se ha elaborado un protocolo para la toma de datos que permite conocer la potencia instantánea generada por la ventana fotovoltaica. Se han realizado medidas cada diez minutos de las siguientes magnitudes: la tensión y la corriente generadas por la ventana fotovoltaica, la tensión en bornes de la batería, la tensión y la corriente que llegan a la carga tras pasar por el regulador y el inversor, la irradiancia, la temperatura del modulo fotovoltaico y la temperatura ambiente. Las medidas de la energía suministrada por la ventana fotovoltaica se han contrastado con las obtenidas con un medidor de la caracteristica de los sistemas fotovoltaicos.
El sistema está compuesto por:
- Perfil de ventana con cámaras múltiples (PVC, aluminio)
- Vidrio exterior, módulo de panel solar transparente
- Vidrio interior con elementos calentadores en la superficie
- Elementos de la fotosíntesis (opcional)
- Acumulador eléctrico
- Inversor
- Controlador
- Mecanismo giratorio (opcional)
Para llevar a cabo las medidas se ha utilizado la instrumentación disponible en el laboratorio del grupo de energética.
- Multimetro Fluke modelo 8842A: uno para medir la tensión y otro para medir la corriente de la ventana fotovoltaica en cada instante.
- Fluke Hydra modelo 2620A (Hydra Data Acquisition Unit) para conocer la radiación, la temperatura ambiente y la temperatura del módulo fotovoltaico mediante:
- Piranómetro CM11 de Kipp-Zonen situado en el mismo plano de la ventana fotovoltaica.
- Sonda de temperatura (termopar) que se coloca en la parte trasera de la célula.
- Sonda de temperatura (termopar) para la temperatura ambiente.
- Analizador de redes Fluke-1735 para medir la tensión y la corriente alterna consumida por la carga de prueba.
- Polímetro digital para la medida de la tensión en bornes de la batería fotovoltaica.
- Medidor característica I-V modelo I-V400 para verificar las medidas instantáneas de la potencia generada por la ventana fotovoltaica.
Se han realizado medidas de la energía producida por la ventana fotovoltaica, siguiendo el protocolo descrito, en varios dias de los meses de agosto y septiembre en los que el cielo ha estado completamente despejado, sin nubes, desde la salida del sol hasta el ocaso.
Realizando los cálculos correspondientes, se obtiene que la irradiancia recibida sobre el plano de la ventana fotovoltaica en el día fue 4114 Wh/m2 y la energía producida fue de 71,2 Wh. Estos valores son coherentes con los datos de radiación que se obtienen de las bases de datos de radiación y del valor de la energía que se obtiene de los valores medidos para la ventana fotovoltaica en condiciones estándar.
Una vez confirmados que los datos experimentales concuerdan con los datos de radiación conocidos y con los parámetros eléctricos de la ventana medidos, se ha procedido a estimar la producción anual de la ventana fotovoltaica en posición vertical.
La producción energética de un sistema fotovoltaico depende de la potencia del sistema en condiciones estándar de medida (conocida como potencia pico), de la radiación solar normalizada recibida sobre el plano de la ventana fotovoltaica (conocida como Horas Sol Pico, HSP) y del término llamado Performance Ratio (PR) en los sistemas conectados a red o rendimiento global en los sistemas aislados, que tiene en cuenta las perdidas totales que se producen en el sistema fotovoltaico, que depende de diversos factores como la dispersión de parámetros, la temperatura real de los módulos, el cableado, efecto del angulo de incidencia del sol sobre el plano del modulo, el rendimiento de los dispositivos de acondicionamiento de potencia (regulador e inversor) y el rendimiento batería. Su valor para los sistemas comerciales varia entre 0,75 y 0,85 habitualmente.
Con los datos de radiación de la Agencia de la energía de la Junta de Andalucía para Málaga con una inclinación de 90 grado se han obtenido los valores de producción mensual para un año que se presentan en la tabla, considerando valores de PR de 0,75; 0,80 y 0,85.
Para entender mejor las oportunidades del sistema FREENERGY, consideremos un edificio de apartamentos con las siguientes características:
Edificio residencial de 17 plantas con 4 viviendas por planta (68 apartamentos):
- 2 apartamentos de 60 m2
- 1 apartamento de 75 m2
- 1 apartamento de 100 m2
La superficie acristalada del edificio se estima en 4320 m2.
Hipótesis de consumos
Todos los apartamentos están equipados con electrodomésticos, aire acondicionado y cocina eléctrica.
El consumo medio anual de electricidad por hogar en la zona mediterránea, estimado por el IDAE (Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético) según el estudio realizado con datos reales de los anos 2010 a 2015, es de 3487 kWh/hogar/año.
Consumo anual estimado de las viviendas del edificio:
68*3487 = 237116 kWh/año
Producción eléctrica del sistema de fachada Freenergy
De acuerdo con el estudio realizado por el Grupo de Energetica de la Universidad de Malaga (GEUMA), el sistema de fachada Freenergy proporciona una potencia pico por metro cuadrado de 76,1 Wp/m2.
Si toda la superficie acristalada del edificio fuera cubierta por el sistema de fachada Freenergy, se dispondría de una potencia pico de:
4320*76,1 = 328752 Wp = 328,8 kWp
En el estudio realizado por GEUMA, se calculó la producción anual por metro cuadrado en Málaga (localidad situada en la zona mediterranea) del sistema Freenergy con orientación Sur, resultando ser de 79,868 kWh/m2/año, considerando un coeficiente global de perdidas de 0,20.
Si toda la superficie acristalada utilizara el sistema de fachada Freenergy, la producción anual sería de:
4320*79,868 = 345030 kWh/año
Balance energético del sistema de fachada Freenergy
De los cálculos realizados anteriormente se obtiene:
- Consumo eléctrico de los apartamentos: 237116 kWh/año
- Producción del sistema de fachada Freenergy: 345030 kWh/año
- Excedente de energía eléctrica: 107914 kWh/año
Superficie del sistema de fachada Freenergy necesaria para el consumo de los apartamentos: 2.970 m2.
Conclusiones
El sistema de fachada Freenergy produce un 46% mas de energía eléctrica que la que consumen los 68 apartamentos del edificio de viviendas.
Para la demanda eléctrica de los apartamentos se requiere una superficie del sistema de fachada Freenergy de 2970 m2.
El excedente de energía podría cubrir las necesidades comunes de electricidad del edificio, como ascensores, iluminación de zonas comunes, bombas para el suministro de agua y puertas de los aparcamientos, que se pueden estimar en 6700 kWh/año.
El resto de la energía podría ser vendida a la red o a otros usuarios, si la legislación lo permite.
Referencias
- www.free-libre.com
- www.agenciaandaluzadelaenergia.es/Radiacion
- www.idae.es/estudios-informes-y-estadisticas
- Guía Práctica de la Energía. Consumo Eficiente y Responsable. Ed. IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), 2017. Madrid