Análisis comparativo de materiales para diferentes tecnologías fotovoltaicas

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Análisis comparativo de materiales para diferentes tecnologías fotovoltaicas Autor: Álvaro Naz García Tutor: Isidoro Lillo Bravo Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 ii iii iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de la Energía Energías Renovables Análisis comparativo de materiales para diferentes tecnologías fotovoltaicas Autor: Álvaro Naz García Tutor: Isidoro Lillo Bravo Profesor Contratado Doctor Dep. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iv v v Trabajo Fin de Grado: Análisis comparativo de materiales para diferentes tecnologías fotovoltaicas Autor: Álvaro Naz García Tutor: Isidoro Lillo Bravo El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 vi El Secretario del Tribunal vii vii A mi familia viii ix ix Agradecimientos Quiero dar las gracias a mi familia, por su apoyo y ánimo incondicional, por estar siempre. Gracias porque si he llegado hasta aquí ha sido gracias a vosotros. Agradecer también a mi tutor, Isidoro Lillo, por su paciencia y por darme solamente facilidades. A mis amigos de la carrera, mucho más que compañeros de clase, por haber compartido conmigo los mejores momentos y por los que nos quedan por compartir. Gracias a vosotros estos años han sido maravillosos. xvi Índice de Tablas Tabla 3.2.1 Irradiancia Solar Global Espectral 23 Tabla 3.4.1.1 Albedos y Emisividades Típicas 33 Tabla 3.4.1.2 Emisividades Comunes 35 Tabla 3.4.2.1 Reflectancia de algunos Materiales de Construcción 38 Tabla 3.4.3.1 Clasificación de Texturas y Colores 41 Tabla 3.4.3.2 Enumeración de Texturas y Colores 42 Tabla 3.4.5.1 Estudio Económico Modelo I 45 Tabla 3.4.5.2 Estudio Económico Modelo II 45 Tabla 3.4.5.3 Estudio Económico Modelo III 46 Tabla 4.1.1 Ensayo Reflectividad Espectral 71 xvii xvii xviii Índice de Figuras Figura 1.1 Energía Primaria Mundial por Región 2 Figura 1.2 Energía Primaria Mundial por Fuente 3 Figura 1.3 Emisiones de CO2 Mundial en 2014 3 Figura 1.4 Evolución de Emisiones de CO2 Mundial por Fuente 4 Figura 1.5 Emisiones Acumuladas de CO2 por Región 4 Figura 1.5 Evolución de la Potencia Eólica y Fotovoltaica Mundial Instalada 5 Figura 1.6 Evolución de la Energía Primaria 6 Figura 1.7 Evolución del Autoabastecimiento y las Renovables 6 Figura 1.8 Uso de las Fuentes Energéticas 7 Figura 1.9 Distribución de Empleos en el Sector Energético 7 Figura 1.10 Balance Energético en Andalucía 8 Figura 2.2.2.1 Comparación Envolvente Reflectante 11 Figura 3.1.1.1 Fabricación Fotovoltaica 14 Figura 3.1.1.2 Producción Fotovoltaica I 15 Figura 3.1.1.3 Producción Fotovoltaica II 15 Figura 3.1.1.4 Producción FV de Lámina Delgada 16 Figura 3.1.2.1 Efecto Fotovoltaico 17 Figura 3.1.2.2 Eficiencia Cuántica de una Célula Solar de Silicio 17 Figura 3.1.2.3 Respuesta Espectral de una Célula Solar de Silicio Bajo Vidrio 18 Figura 3.1.2.4 Eficiencia Cuántica Interna y Externa 19 Figura 3.1.2.5 Respuesta Espectral por Tecnología I 20 Figura 3.1.2.5 Respuesta Espectral por Tecnología II 20 Figura 3.1.2.7 Respuesta Espectral Relativa 21 xix xix Figura 3.1.1.8 Células Multicapa 21 Figura 3.2.1 Espectro Solar 22 Figura 3.2.2 Espectro Solar Global Integrado 24 Figura 3.3.1 Curva I-V 25 Figura 3.3.2 Efecto de la Temperatura I 26 Figura 3.3.3 Efecto de la Temperatura II 26 Figura 3.3.4 Efecto de la Irradiación 27 Figura 3.3.5 Ficha Técnica Panel 28 Figura 3.3.6 Curvas de Pmax (W) y Tp (ºC) en función de la Irradiancia (W/m2) 29 Figura 3.4.1.1 Respuesta Espectral con Recubrimiento Selectivo 31 Figura 3.4.1.2 Distribución Energía Solar 34 Figura 3.4.2.1 Reflectancia Espectral de algunos Materiales de Contrucción I 37 Figura 3.4.2.2 Reflectancia Espectral de algunos Materiales de Contrucción II 38 Figura 3.4.2.3 Reflectancia Espectral de algunos Metales 39 Figura 3.4.3.1 SRI y Diferencias de Temperaturas Tìpicas 40 Figura 3.4.3.2 SRI para varias Texturas y Colores 43 Figura 4.1.1 Espectrorradiómetro Licor LI-1800 49 Figura 4.1.2 Respuesta Espectral por Tecnología I 51 Figura 4.1.3 Ensayo del Aluminio Anodizado 52 Figura 4.1.4 Ensayo del Cemento Blanco 53 Figura 4.1.5 Ensayo de los Materiales 53 Figura 4.1.6 Ranking Irradiancia Reflejada Integrada 55 Figura 4.1.8 Silicio Monocristalino Ranking Intensidad Convertida Integrada 57 Figura 4.1.9 Silicio Policristalino Ranking Intensidad Convertida Integrada 57 Figura 4.1.10 Silicio Amorfo Ranking Intensidad Convertida Integrada 58 Figura 4.1.11 CdTe Ranking Intensidad Convertida Integrada 58 Figura 4.1.12 CIGS Ranking Intensidad Convertida Integrada 59 Figura 4.1.13 Aluminio Lacado Ranking Intensidad Convertida Integrada 60 Figura 4.1.14 Pintura Dióxido Titanio Ranking Intensidad Convertida Integrada 61 Figura 4.1.15 Pintura Acrílica Ranking Intensidad Convertida Integrada 61 Figura 4.1.16 Cemento Blanco Ranking Intensidad Convertida Integrada 62 Figura 4.1.17 Cemento Blanco Arena Ranking Intensidad Convertida Integrada 62 Figura 4.1.18 Aluminio Anodizado Ranking Intensidad Convertida Integrada 63 Anexo B 77 Anexo C 84 El número entre corchetes que tienen algunas figuras representa el documento de la bibliografía del que se ha obtenido. xx xxi xxi Notación µm nm GWp λ AM â Eg eV SIP CW rf rg lf lg gm Micrómetro Nanómetro Gigavatio Pico Longitud de Onda Masa de Aire Incremento de x con respecto a y Condiciones Estándar Emisividad Constante de Stefan-Boltzmann Calor por Radiación Albedo Energía de la Banda Prohibida Electrón Voltio Revestimiento de composición acrílica Revestimiento de composición de cemento Rulato Travertino Fino Rulato Travertino Grueso Llaneado Fino Llaneado Grueso Granitex Medio xxii tr tt ss sp gm Texturable Rulato Texturable Travertino Salpicrate Salpic Salpicrate Planchado Granitex Medio 1 1 INTRODUCCIÓN a energía es un recurso limitado pero imprescindible para nuestro modo de vida. Tiene efectos muy importantes sobre aspectos fundamentales, como son la sociedad, la economía y el medio ambiente. Esto hace que el sector energético sea multidisciplinar y muy complejo. Impacto Sin lugar a dudas, la energía tiene un impacto neto positivo en el mundo. Todos y cada uno de los avances experimentados por la sociedad tienen como denominador común la energía, imprescindible para avanzar en el desarrollo de las comunidades y hacer funcionar el sistema productivo, generando y transportando los bienes y servicios que la sociedad necesita para disfrutar de un elevado nivel de bienestar. Aunque el uso de la energía siempre genera impactos sobre el medio, la fuente energética y la tecnología empleada en cada caso modula la magnitud y las consecuencias de dicho impacto. El fenómeno del cambio climático, la contaminación marina, el agotamiento de los recursos naturales, el uso del agua, la ocupación del territorio o el aumento de enfermedades asociadas a la contaminación del aire, son consecuencias de un modelo energético, fundamentado en el uso de recursos principalmente fósiles, que ha llegado a situaciones límite en muchas ocasiones. Impacto sobre el desarrollo económico Son reconocidas las oportunidades de generar crecimiento económico y empleo mediante la innovación y el desarrollo de una política energética competitiva y sostenible, especialmente cuando la producción de energía renovable y los proyectos de eficiencia dependen de pequeñas y medianas empresas. La disminución de la dependencia energética permite reducir la factura energética de una región, ya que se reducen las compras de combustibles en el exterior: carbón, petróleo y gas. El impulso del autoconsumo como un cambio hacia la producción descentralizada de energía entraña numerosas ventajas derivadas de la utilización de fuentes energéticas locales y de minimizar las pérdidas en transporte y distribución, con lo que además se obtiene una mayor seguridad del suministro local de energía. Impacto sobre el medio ambiente y la salud El cambio climático es el principal problema ambiental que afronta nuestra civilización en la actualidad. La planificación energética debe abogar por el ahorro y la eficiencia energética, así como por una mayor utilización de energías renovables. Esto provocará la disminución de emisiones de CO2, partículas y otros gases contaminantes, la disminución del riesgo de vertidos, la mejora en la gestión de los recursos naturales y de los residuos producidos por la actividad humana. L Introducción 2 Además, se debe actuar en materia de movilidad sostenible y en relación a la transición del consumo energético fósil al renovable en zonas urbanas, lo cual producirá una mejora de la calidad del aire que se respira en las ciudades, y por consiguiente, una mejora de la calidad de vida. Impacto sobre la ciudadanía La energía tiene un impacto directo sobre la calidad de vida de los habitantes de una región. Existe una relación íntima entre el acceso a la energía y el “Índice de Desarrollo Humano” (IDH), elaborado por el “Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo” (PNUD) para cuantificar el desarrollo humano de un país. La utilización de energías renovables provoca que la generación sea más distribuida que la tradicional. Dicha descentralización fomenta también el desarrollo y la cohesión de la comunidad, al facilitar una fuente de ingresos y crear empleo a escala local, reactivando el sector empresarial relacionado: empresas fabricantes y proveedoras de equipos, instaladoras, ingenierías y consultorías, etc. La energía renovable podría convertirse en un instrumento fundamental para alcanzar el “Objetivo de Desarrollo Sostenible 7.1 de la Naciones Unidas”, dirigido a garantizar el acceso universal a servicios energéticos asequibles, seguros y modernos para 2030. Entre los nuevos ámbitos de trabajo se incluyen las tecnologías de energía solar fotovoltaica, que constituyen una parte importante de las estrategias de energía renovable en muchos países. Se calcula que en 2014 las energías renovables (excluyendo las grandes hidroeléctricas, que contaban aproximadamente con 1,5 millones de puestos de trabajo directos) dieron empleo a 7,7 millones de personas directa e indirectamente. La energía solar fotovoltaica es el principal empleador renovable a escala mundial, generando 2,5 millones de empleos. Contexto energético mundial En estos últimos años se observa un nuevo escenario energético mundial. Países han emergido económicamente y se han convertido en grandes demandantes de energía. China, que en el año 2010 ya desbancó a Estados Unidos como primer consumidor mundial de energía, acaparó casi el 22% del consumo de la energía primaria mundial en 2012. Entre los meridianos 60ºE y 130ºE, desde Pakistán hasta Corea del Sur, se concentra el 54% de la población y el 40% del consumo mundial, siendo sus tasas de crecimiento energético de más del doble que la media del planeta. Figura 1.1 Energía Primaria Mundial por Región [10] 3 3 A nivel mundial, las emisiones de CO2 provocadas por el uso de la energía crecieron en 2012 un 1,9%. Con las proyecciones que se derivan de los escenarios energéticos actuales, la temperatura en la Tierra subiría 3,6ºC en 2050, nivel que está muy por encima del considerado por los expertos como límite a partir del cual la vida en el planeta cambiaría de forma significativa a como lo es en la actualidad. China se propuso reducir un 16% su intensidad energética en 2015, la Unión Europea ha fijó una reducción del 20% del consumo en el año 2020 habiendo aprobado el Parlamento Europeo en la resolución de 5 de febrero de 2014 una reducción del consumo del 40% para 2030, año en el que Japón prevé reducir un 10% el consumo eléctrico. Figura 1.3 Emisiones de CO2 Mundial en 2014 [7] Figura 1.2 Energía Primaria Mundial por Fuente [10] Objetivo 10 Un problema encontrado en las primeras generaciones de materiales reflectantes fue que el film envejecía rápidamente y se rompía en multitud de pequeños trozos que quedaban sobre el terreno, difíciles de limpiar. Hoy día, diversos fabricantes suministran estos materiales, mucho más brillantes que los originales, y más resistentes, hasta el punto de que algunos agricultores utilizan el reflectante dos campañas. Otro aspecto a tener en cuenta en la composición de los films reflectantes es su capacidad de reflexión en las distintas bandas del espectro electromagnético. Dado que todos ellos se basan en reflejar la luz ultravioleta y visible hacia la masa foliar, cada recubrimiento metálico (partículas de aluminio, aluminio laminado, otros metales...) que los diversos fabricantes emplean para su fabricación puede poseer densidades ópticas distintas, y serán más o menos eficaces en la reflexión de ciertas longitudes de onda. Ensayos de campo con manzanas Fuji en California, para evaluar dos materiales reflectantes: en la foto superior colocación selectiva de material reflectante entre líneas de manzano y en la foto inferior, plástico metalizado extendido entre líneas de manzano. [4] En el valle central de California, el uso de reflectantes en melocotón y nectarina es muy habitual, justo antes de la recolección. [4] La coloración roja conseguida gracias al material reflectante (izquierda) es evidente con respecto al control (derecha). [4] 11 11 Control de plagas Los materiales reflectantes con alto poder de reflexión en el ultravioleta son de gran utilidad también en el control de plagas voladoras, en especial de vectores de virus en cultivos hortícolas. Diferentes especies presentan especial sensibilidad frente a distintas longitudes de onda, lo cual resulta especialmente útil a la hora de escoger el material reflectante a colocar sobre el terreno. 2.2.2 Edificación Isla de calor ( Refrigeración - Cool Roofs ) Los materiales que componen los espacios urbanos pueden absorber o reflejar la radiación solar e infrarroja y disipan hacia la atmósfera parte del calor acumulado. Es decir, la envolvente urbana desempeña un papel decisivo en la reducción de las ganancias térmicas y el sobrecalentamiento de una ciudad, modificando el consumo de energía y el confort térmico. Dentro de las ciudades hay una temperatura mayor que en sus áreas periféricas, fenómeno que se conoce con el nombre de “Isla de Calor Urbana”. Es por ello, que trabajar sobre las propiedades termofísicas de los materiales que recubren fachadas, cubiertas y pavimentos es una estrategia de mitigación viable para disminuir las temperaturas de una ciudad. La categorización de materiales de acuerdo a su Índice de Reflectancia Solar (SRI) permite seleccionar los revestimientos adecuados para disminuir las temperaturas superficiales del medio urbano y la temperatura del aire exterior, reduciendo en consecuencia el consumo energético de refrigeración en la edificación. Esta categorización permitirá recomendar aquellos materiales que se encuentran disponibles localmente y que presentan mejor desempeño térmico con el fin de alcanzar en el corto plazo la consecución de ciudades más sostenibles. El efecto de las superficies reflectantes es mayor en verano que en invierno, ya que en invierno el sol está más bajo e incide con un ángulo menor, además de que hay más días nublados. Así, es de esperar que el aumento en la demanda de calefacción sea prácticamente despreciable para la mayoría de climas dominados por cargas de refrigeración Figura 2.2.2.1 Comparación Envolvente Reflectante: Gráfica comparativa del comportamiento de un edificio con envolvente altamente reflectante frente al mismo edificio con envolvente tradicional. [6] Objetivo 12 Aumento de la vida útil de los materiales En general, un material de un color claro suele ser de un precio similar o ligeramente superior que el mismo material pero en colores oscuros convencionales. Sin embargo, el color claro refleja una mayor cantidad de luz, mientras que el oscuro la absorbe. Esto tiene el efecto de que los colores claros se ven menos afectados por los daños derivados de la radiación y las dilataciones térmicas, provocando que su durabilidad sea mayor y haya que reemplazarlo con menor frecuencia. Sistemas de iluminación natural Las superficies reflectantes también tienen la utilidad de dirigir la luz natural hacia el interior de los edificios, provocando un mayor confort y un ahorro en el consumo de iluminación. Existen principalmente dos formas tradicionales de conseguirlo: - Patios de luces: Es posible transmitir luz a espacios alejados de la fachada exterior con patios de luces. Estos patios resultan más eficaces cuando aumenta la relación entre su anchura y profundidad porque se reduce el número de reflexiones, con la consiguiente disminución de la absorción de la luz. Si las paredes del patio fueran más reflectantes, se transmitiría más luz, o bien el patio podría hacerse más estrecho para la misma transmisión de luz. Vista del patio interior de luz del Commerzbank, Frankfurt Norman Foster [6] 13 13 - Lamas articuladas de luz: El sistema de lamas de luz se basa en la utilización de materiales superficiales con gran poder reflectante, así como en la geometría empleada para reorientar la luz natural del modo más eficaz. Reflejando la luz del sol en el plano del techo, consiguen llevar la luz natural hasta profundidades superiores a las que se consiguen con ventanas o claraboyas convencionales. Edificio de oficinas en Madrid. Junquera Arquitectos, 2007 [6] Análisis Bibliográfico 14 3 ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO 3.1 Tecnologías Fotovoltaicas 3.1.1 Más utilizadas Se estima que la capacidad fotovoltaica acumulada global a fecha de noviembre de 2015 es de 183 GWp. Sólo en 2014 se produjeron aproximadamente 47 GWp, dato que varía ligeramente según la fuente que se consulte. Figura 3.1.1.1 Fabricación Fotovoltaica [19] 15 15 Figura 3.1.1.3 Producción Fotovoltaica II [18] Figura 3.1.1.2 Producción Fotovoltaica I [18] Análisis Bibliográfico 16 Podemos observar que el silicio policristalino (Multi-Si) y el silicio monocristalino (Mono-Si) son las tecnologías dominantes, seguidos de las células de película delgada. Este último grupo engloba a una gran cantidad de tecnologías diferentes pero las más extendidas en la actualidad son las de teluro de cadmio (Cd- Te), de CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) y de silicio amorfo (a-Si). 3.1.2 Espectros de absorción Cada tecnología fotovoltaica tiene un espectro de absorción diferente, es decir, es capaz de transformar en electricidad los fotones de una longitud de onda determinada. Por ello, necesitamos conocer los distintos casos y buscar una superficie que refleje el espectro óptimo para cada uno. A través de una revisión bibliográfica obtendremos los espectros de absorción de las tecnologías más comunes. Las propiedades que se utilizan para cuantificar el espectro de absorción son:  Eficiencia cuántica: Es el número de electrones liberados por la célula comparado con el número de fotones incidente sobre la misma. Se mide en porcentaje (%).  Respuesta espectral: Es el ratio de corriente generada por la célula en condiciones de cortocircuito frente a la potencia incidente sobre la misma. Se mide en amperios por vatio (A/W). La banda prohibida de un semiconductor es la energía mínima requerida para excitar un electrón y hacer que este pase de la banda de valencia a la banda de conducción. Una vez que el electrón ha pasado a la banda de conducción, es libre para desplazarse por el semiconductor y generar corriente eléctrica. Además, la excitación del electrón permite que ocurra otro proceso de conducción adicional. Al saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, el electrón deja tras de sí un hueco. El átomo más cercano cede un electrón para ocupar ese hueco, dejando a su vez otro hueco y haciendo que se repita el proceso. El Figura 3.1.1.4 Producción FV de Lámina Delgada [18] 17 17 movimiento continuo del hueco a través de la red atómica es equivalente al desplazamiento de una carga positiva. Por tanto, ambos el electrón y el hueco participan en la conducción y son denominados “portadores”. Si la radiación incidente tiene una energía menor que la necesaria para atravesar la banda prohibida, el fotón no será capaz de producir una corriente en nuestro panel. Por eso, existe una longitud de onda característica de cada tecnología fotovoltaica a partir de la cual no es posible aprovechar la radiación. Figura 3.1.2.2 Eficiencia Cuántica de una Célula Solar de Silicio [30] Figura 3.1.2.1 Efecto Fotovoltaico Análisis Bibliográfico 18 La respuesta espectral está limitada a largas longitudes de onda por la incapacidad del semiconductor de absorber fotones con energía inferior a la banda prohibida. Este límite es el mismo que se encuentra en las curvas de eficiencia cuántica. Sin embargo, al contrario de la forma cuadrada de las curvas de eficiencia cuántica, la respuesta espectral decrece a pequeñas longitudes de onda. En estas frecuencias, cada fotón tiene una gran energía pero sólo libera un electrón, por tanto, el ratio de fotones frente a potencia se ve reducido. Cualquier energía por debajo o por encima de la banda prohibida no es utilizada por la célula solar sino que hace que se caliente. La incapacidad de aprovechar completamente la alta energía incidente y de absorber la baja energía representa una considerable pérdida de potencia en el dispositivo. La respuesta espectral es importante ya que es lo que se puede medir en una célula. A partir de ella se calcula la eficiencia cuántica sustituyendo la potencia de la luz a una longitud de onda particular por el flujo de fotones a esa longitud. Esto es: Donde: λ = Longitud de onda de la luz (m) q = Carga del electrón (1.602176565 x C) h = Constante de Plank (6.62606957 x J x s) c = Velocidad de la luz (2.99792458 x m/s) Apuntar que la eficiencia cuántica puede ser mayor del 100% en casos como las células de múltiple excitación, MEG por sus siglas en inglés (Multiple Excitation Generation), que consiguen que los fotones incidentes con energía mayor del doble de la banda prohibida generen dos o más pares de portadores electrón-hueco por fotón. A longitudes de onda cortas, por debajo de 400nm, el vidrio absorbe la mayoría de la luz y la respuesta de la célula es muy baja. A longitudes de onda intermedias, la célula se aproxima a la ideal. A longitudes de onda largas, la respuesta cae a cero porque la radiación tiene menos energía de la necesaria para atravesar la banda prohibida. El silicio es un semiconductor de banda prohibida indirecta, por lo que no hay un descenso brusco en la longitud de onda correspondiente a la banda prohibida (Eg = 1.12 eV, λ =1107 nm). Figura 3.1.2.3 Respuesta Espectral de una Célula Solar de Silicio Bajo Vidrio [3] 19 19 Tipos de eficiencia cuántica:  Eficiencia Cuántica Externa: EQE por sus siglas en inglés, es el ratio entre el número de portadores de carga generados por la célula solar y el número de fotones incidentes de una cierta energía.  Eficiencia Cuántica Interna: IQE, por sus siglas en inglés, es el ratio entre el número de portadores de carga generados por la célula solar y el número de fotones absorbidos de una cierta energía. IQE siempre es mayor que EQE, ya que no tiene en cuenta los fotones reflejados ni los transmitidos por la célula. Una IQE baja indica que la capa activa de la célula es incapaz de hacer buen uso de los fotones que absorbe, es decir, que genera calor en lugar de electricidad. Para cuantificar la IQE, primero se mide la EQE del dispositivo, después se miden reflexión y transmisión, y se combinan los datos para obtener IQE. Figura 3.1.2.4 Eficiencia Cuántica Interna y Externa [23] Análisis Bibliográfico 26 A continuación podemos ver gráficamente cómo afecta la temperatura a los diferentes parámetros de la curva I-V de las células: Figura 3.3.3 Efecto de la Temperatura II Figura 3.3.2 Efecto de la Temperatura I 27 27 La temperatura del panel es una función que depende de la irradiancia, la temperatura ambiente, la velocidad y dirección del viento, los materiales y el entorno. Cuanto mayor es la cantidad de luz que llega al panel, mayor es la temperatura que este alcanza. Una manera común aproximar la temperatura del panel según la irradiancia viene dado por la siguiente ecuación: Donde,  : Temperatura del panel  : Temperatura ambiente  : Temperatura Operativa Nominal de la Célula. Es aquella que el panel alcanza cuando está en unas condiciones fijas de 800 W/m2 de irradiancia, 20ºC de temperatura ambiente y una velocidad de viento perpendicular de 1 m/s. Es una característica que se puede encontrar en la ficha técnica de cada módulo  : Irradiancia solar incidente Por otra parte, es aceptable hacer la estimación de que la irradiancia incidente es directamente proporcional a la potencia máxima del panel. Es decir, el doble de irradiancia provoca el doble de potencia máxima aproximadamente. Además, la tensión de circuito abierto aumenta ligeramente. Figura 3.3.4 Efecto de la Irradiación Análisis Bibliográfico 28    Aquí podemos ver la ficha técnica de un módulo real, el Kyocera KD70SX-1P: Se deduce que el aumento de la radiación incidente sobre nuestro panel fotovoltaico tiene dos efectos contrapuestos: por un lado aumenta proporcionalmente la potencia de trabajo, pero también aumenta la temperatura, que tiene el efecto secundario de reducir esta misma potencia. Debemos estudiar hasta qué punto es conveniente aumentar la concentración en las células manteniendo una situación favorable. Para esto debemos realizar los siguientes cálculos, utilizando como datos los obtenidos de la ficha técnica del modelo Kyocera KD70SX-1P nombrado previamente: Se toman los siguientes datos:    Modificación de la Pmax debido al cambio de irradiancia (I): Estimamos que la Pmax es directamente proporcional a la I. Modificación de la Pmax a causa del cambio en la temperatura del panel (Tp): La potencia máxima una vez afectada por la irradiancia y la temperatura quedaría: Figura 3.3.5 Ficha Técnica Panel [17] 29 29 Gráficamente podemos observar que hay un punto a partir del cual no interesa seguir concentrando radiación sobre el panel, ya que el descenso de la potencia debido al calentamiento es superior al incremento debido a la mayor cantidad de luz solar. En nuestro caso, este punto se alcanza cuando concentramos una potencia radiante de 3100 W/m2 sobre el panel, que estaría a una temperatura de 137ºC y generando una potencia aproximada de 107W. Figura 3.3.6 Curvas de Pmax (W) y Tp (ºC) en función de la Irradiancia (W/m2) [32] Análisis Bibliográfico 30 3.4 Preselección de Materiales 3.4.1 Propiedades Para saber qué materiales nos pueden ser útiles para nuestro objetivo debemos estudiar las siguientes características: o Espectro de Reflexión o Emisividad o Durabilidad o Coste o Disponibilidad o Información Espectro de Reflexión Es la propiedad más importante a la hora de seleccionar un material u otro. La reflexión no solo debe ser alta, sino también coincidir con el espectro de absorción de nuestro panel fotovoltaico. Para obtener un aprovechamiento máximo del material debemos realizar un estudio de su espectro de reflexión y, así, asegurarnos de que la reflectividad es alta en la banda óptima de longitudes de onda. En caso de que los espectros no fueran coincidentes, los fotones de la radiación incidente no podrían transformarse en electricidad, en cambio, lo único que harían sería calentar el panel, reduciendo la eficiencia del sistema. La elección de superficies de colores claros, son las decisiones disponibles más obvias e inmediatas para incrementar el rendimiento. Sin embargo, es importante tener en cuenta que solo una fracción de la radiación solar que nos llega está dentro del espectro visible, por lo que también es posible lograr buenos funcionamientos con colores más oscuros. Si bien es cierto que las superficies de colores claros tienden a tener también buena reflectividad en el infrarrojo cercano, podría darse el caso de la existencia de un material que tuviera una reflectividad promediada alta pero, sin embargo, tuviera una reflectividad baja en las longitudes de onda más favorables para el panel. Es el caso de las superficies selectivas, aquellas que reflejan una gran porción de la radiación solar infrarroja pero absorben parte de la luz visible. Pueden ser de colores oscuros y seguir teniendo alta reflectividad solar. Este fenómeno se ilustra con mayor claridad inspeccionando el espectro de reflexión de la pintura negra acrílica y el espectro de esta misma pintura pero con un recubrimiento selectivo. En un día claro, más del 40% de la radiación incidente es infrarroja cercana. Consecuentemente, añadir el recubrimiento selectivo incrementa en un 28% la reflectividad media de la superficie. Esto demuestra que es posible desarrollar materiales que sean altamente reflectantes en la banda del infrarrojo cercano y tengan una amplia gama de colores. 31 31 Emisividad La emisividad es una propiedad que indica la facilidad que tiene un material para liberar energía en forma de calor a través de la emisión de radiación. Se define como el ratio de energía radiada por un objeto a una temperatura dada con respecto a un radiador perfecto o “cuerpo negro” a la misma temperatura y se mide de 0 a 1. A igualdad de reflectividad, un material de baja emisividad libera menos energía en forma de radiación de onda larga, por lo tanto mantiene una mayor temperatura de equilibrio que uno de alta emisividad. El funcionamiento de los paneles se ve afectado negativamente por la temperatura, por lo que buscamos un bajo intercambio radiante. La ecuación que rige el intercambio de calor a través de radiación es la ley de Stefan-Botlzmann: Observándola nos damos cuenta de que la importancia de la temperatura es mucho mayor que la de la emisividad porque está elevada a la cuarta. Así deducimos que para obtener un menor intercambio radiantes es mejor que la emisividad sea lo más alta posible. De esta manera, nuestros paneles fotovoltaicos recibirán menos energía de los materiales reflectantes cercanos, pudiendo mantener una temperatura más baja. Ejemplos de materiales conocidos por tener baja emisividad son los metales que, por este motivo, alcanzan una alta temperatura cuando se ven expuestos a la radiación solar. Debemos entender que ésta no es una propiedad que tenga un gran efecto final sobre el rendimiento, por lo que tiene una importancia relativa a la hora de la selección del material. Sin embargo, sí debe conocerse y considerarse un aspecto más a sumar en la determinación de materiales óptimos, concluyendo que aquellos con alta emisividad resultan más favorables. Figura 3.4.1.1 Respuesta Espectral con Recubrimiento Selectivo [15] Análisis Bibliográfico 32 Durabilidad No sólo debe tenerse en cuenta la capacidad inicial de reflejar luz solar, sino también su disminución a lo largo de su vida útil. Factores como el deterioro progresivo o el ensuciamiento afectarán a las propiedades de los materiales, lo que provocaría que, con mayor o menor rapidez, no se mantengan en su punto óptimo de funcionamiento. Estos reflectantes han de estar pensados para permanecer a la intemperie, por lo que deben de ser capaces de resistirla sin deteriorarse en gran medida. La durabilidad debe ser alta, ya que los paneles tienen una vida útil de entre veinte y cuarenta años. En caso de que estos componentes se deterioren en menos tiempo, el coste de reemplazarlos debe ser bajo para que sea rentable. En este trabajo se utilizarán elementos de construcción usuales, ya que nos centramos en una aplicación de la fotovoltaica más orientada al campo de la integración en la edificación y porque estos materiales tienen una demostrada resistencia a la intemperie. En general, la mayoría de las superficies de colores claros, son similares en precio a las oscuras, pero duran más tiempo. Esto se debe a que son menos susceptibles a los daños provocados por la radiación solar, los choques térmicos y las dilataciones. Por lo tanto, aumentos en el albedo afectan también a la vida útil de los materiales, es decir, repercutimos no sólo en mejoras de las características físicas, sino también económicas. Coste El coste es un factor clave. De él depende la viabilidad o no de la aplicación de materiales reflectantes a la integración fotovoltaica. El uso de estos materiales podría incrementar la inversión, pero también aumentaría la producción de energía, por lo que debería ser rentable. De manera general, se debe realizar un estudio de los costes de inversión y de mantenimiento. Disponibilidad Dentro de las diferentes posibilidades, se ha de tener en cuenta que los recursos necesarios sean accesibles fácilmente, a ser posible, que se puedan encontrar en un entorno local. De nada nos sirve un material con unas características perfectas pero que sea tan escaso o difícil de obtener que haga imposible su aplicación práctica y a gran escala. Información Igualmente, debemos decantarnos por aquellas opciones de las que podamos encontrar más información. Si el material ha sido poco estudiado o utilizado nos encontramos con que sus características y comportamiento presentan grandes incertidumbres y pocas garantías, por lo que se complica su aplicación. En primer lugar necesitamos una ligera orientación sobre qué materiales pueden ser más reflectantes que otros. Una buena propiedad para este propósito es el albedo, que se define como el porcentaje de radiación que una superficie refleja con respecto a la radiación que incide sobre ella. 33 33 Como era de esperar, las superficies claras tienen mayor capacidad de reflejar la radiación que las oscuras. Otro factor importante es el contenido en agua o humedad, que hace decrecer el albedo. En nuestro caso, son dos los motivos por los que debemos centrarnos en materiales de construcción: porque Tabla 3.4.1.1 Albedos y Emisividades Típicas [13] TABLA DE AL B ED O Y EMISIVIDAD TÍ PICOS DE ALGUNOS MA TE RIALES USA DOS EN EDIFICA CIÓ N Y OTROS E XIST ENT ES EN EL ESPACIO URBANO ELEME NT O U RBAN O Calle Al bedo E mi si vida d Asfalto ( fresco 0.05 - anti guo 0 .2 ) Muros H orm i gón Piedra P iedra bl anq u eada Má r mo l bl an co L adrillo color ead o claro L adrillo rojo L adrillo osc ur o P iedra cali za Grovo Cub iert as Asfalto liso Al qui t rán con grava B aldosas 0.05-0.2 0.10-0.35 0.20-0.40 0.8 0.55 0 .3 0-0.50 0.20-0.30 0.2 0.30-0.45 0.7? 0.07 0.08-0. 18 0.10-0.35 Pizarra 0.1 P aja 0. 15 -0.20 Acero cor r ugad o 0. 10 -0. 16 Cub ierta alta r efle xi ón desp ués de un ti empo de instalada 0.6-0 .7 0.95 0.94 0.9 O. ?il Tejas de Cemen to 0.63 Concr et o 0.10-0.37 0 .71 - 0.91 Ac e ro Galvanizado Brillante 0.35 O. 13 Papel de Aalumin io Brillante Pi nturas Bla nca, des l avada Roj o, ca fé, verde N egro Pi nt ura Alum inio Pi nt ura negra sobre alum i nio Pi nt ura blanca sobre alum i no Pigmento Bla nco Pigmento Gris Pi gmento Verd e Ur ba no , med io Otros Cobe rtura de arena cl ara 0.85 0.50-0.90 0.20-0.35 0.02-0.15 0.8 0.04 0.8 0.85 0.03 0.73 0.15 0.40-0.60 0.04 0.27-0.67 0.88 0.91 0.96 0.87 0.95 ELEM EN TO UR BANO Pasto seco Pasto Pasto l argo a corto Suelo promedio Su elo h úmedo a seco Are na seca Su elo are noso Plantas hoja ca d uca B osqu e hoja c adu ca Bos ques , con í fe ras Suelo c ul ti vado Ar ena húm e da Ro~CJ<JP. ele c:onfier o~ Madera (roble) Madera (Nueva Plant ación) S ue lo cultivado ( noche) Pasto ar t ificia l Hierb a y paja de hojas Ni eve Fresca Ni eve vieja Hi elo Ag ua Prof unda Agua Arci lla H úm eda Ar cilla Sec a Nubes grue sas N ubes finas Cal Yeso Granito Pi edr as Duna , Arena Alg odó n Grama ve r de Al be do Emisi vidad 0 .3 0.1 6- 0.26 0.90-0.95 0.1 6- 0.26 0.3 0.9 - 0.95 0. 05 - 0 .4 0.98-0.90 0.20-0.30 76 0.2-0.25 0.20-0.30 0.15-0.20 0.97 - 0. 98 0.05-0. 15 0.2 0.10-0 . 20 O.I0-0.1S 0.1 0.07-0.10 0.05-0.10 0.05 0.75-0.9 0.35-0 .7 0.6 0.05-0 .2 0.03 - 0.1 0.92- 0.97 0.16 0.23 0.70-0.95 0.2-0.65 0.45 0.55 0.1 :.1 - ü.lél 0.2-0.3 0.2-0.45 0.20-0.22 0.26 Tab la 2. 11 Al bedo típi co de materia l es de uso urbano y de zonas urbanas . ruenle : Oke, 1903; Martin , 1989; Br etz, 1992; Stull, 2000; Ga rr ea ud y Meruane, 2005. Se observa los valo res menores de al bedo par a algu nos ma terial es de edifi cación como as fa lto y ho r migón . En té rminos generales el alb e do de los ma te riales us ados en edifica ció n fl uc túa ent re 0 .0 5 y 0.3. Análisis Bibliográfico 34 queremos favorecer la integración de la fotovoltaica en la edificación y porque poseen las características necesarias de durabilidad, información y disponibilidad que podrían hacer atractiva la aplicación a otros sectores. En cuanto a la determinación de los valores de reflectividad solar, es poca la información contrastada que podemos encontrar. Los fabricantes, si es que miden la reflectividad, la suelen medir únicamente en el espectro visible para realizar estudios de color. Sin embargo, más de la mitad de la energía contenida en la luz solar se encuentra en las bandas del espectro del infrarrojo y el ultravioleta. Estamos interesados en encontrar “materiales fríos”. Se entiende por “material frío”, aquel que tiene alta reflectividad y alta emisividad. Esto podría parecer que es imposible ya que se demuestra que las propiedades ópticas de las superficies cumplen la siguiente ley: Donde: α = Absortividad: Capacidad de un material de absorber la radiación incidente sobre él. ρ = Reflectividad: Capacidad de un material de reflejar la radiación incidente sobre él. τ = Transmisividad: Capacidad de un material de transmitir la radiación incidente sobre él. Esta propiedad siempre será cero en nuestro caso, ya que trabajaremos con materiales opacos. Por la ley de Kirchhoff se demuestra que la emisividad es igual a la absortividad: Por tanto, queda que: Es decir, la reflectividad y la emisividad no pueden ser altas al mismo tiempo. Los materiales fríos sí son capaces de tener altas reflectividades y emisividades debido a que se evalúan en diferentes longitudes de onda. La reflectividad es alta en el espectro solar, que es donde nos interesa reflejar la luz. En cambio, la emisividad es alta en el espectro térmico, ya que el material alcanza temperaturas relativamente bajas y emite radiación en longitud de onda larga. Debido a que el espectro de la radiación térmica (4-80 micras) no se solapa con el espectro de la radiación solar (0.3-2.5 micras), la emisividad térmica es independiente de la reflectancia solar. Esta es la razón por la que distinguimos ambas propiedades cuando definimos los “materiales fríos”. La emisividad infrarroja de los materiales de construcción no ha sido estudiada en detalle. Una estrategia Figura 3.4.1.2 Distribución Energía Solar [16] 35 35 común para los no metales y los metales con revestimiento opaco es asumir que la emisividad es independiente de la longitud de onda e igual a 0.9, que es lo más habitual. Aún así, son necesarias más medidas para confirmar que esta regla general se cumple en la mayoría de los casos. Las superficies de metal desnudo y los revestimientos con pigmentos de aluminio suelen tener menor emisividad y esta es variable con la longitud de onda. A continuación una tabla con las emisividades más comunes: Tabla 3.4.1.2 Emisividades Comunes 2.-E MISI V ID AD ES NOR MAL ES METAL ES Estado superficie Temperatura E mi sividad NO METALES Estado superficie Temperatura Emisividad (•C) (OC) Aluminio 1 placa pulida 25 0.040 Amianto en canón 37 0,960 Al tuninio 1 placa pulida 200-600 0,038-0,06 Amianto en papel 37 0,930 Aluminio oxidado 100-500 0.20-0.33 Ladrillo magnesita refractru 1000 0.380 Al tuninio 1 placa mate 25 O.ü7 0 Ladrillo ro·o. rugoso 20 0,930 Antimonio 1 pulido 37-260 0,28-0.31 Ladrillo gris , sa tinado 1100 0,750 Latón oxidado 200-500 0.600 Ladrillo s íli ce 540 0.800 Latón 1 pulido 20 -300 0, 05 -0.032 Carbón, ftlamento 1050-1400 0,526 Latón 1 pl aca us ada 50-3 50 0.220 Carbón, carbonilla bu jías 95-270 0,953 Latón mate so 0. 202 Carbón_ ne2ro de humo 20 0.930 Cromo 1 pulido 37-11 00 0.058 C erámic a alfarería, satinado 20 0,900 Cobre negro oxidado 37 0.780 C erámic a 1 p or celana 22 0,920 Cobre ligeramente mate 25 0.037 C erámic a refractaria, negra 93 0,940 Cobre 1 pulido 37-260 0,04-0.05 Ar cil la c al de ada 70 91 Cobre 1 pul i do e lec tr olíticc 80 0.018 Hormigón ru¡!;OSO 37 0,94 Oro no pulido 20 0.470 Vidrio liso 22 0,940 Oro 1 pulido 37-260 O.ü2 0 Vidrio 1 Pvrex. plomo. sosa 260-530 0.95-0.85 Hierro oxidado 100 0.740 Hielo liso o 0,966 Hierro es meri la do 20 0.240 Hielo rugoso o 0,985 Hierro 1 pulido 425-1025 0, 14-0.38 Mármol 1 grano fino pulido 22 0,93 Hierro 1 pul i do e lec tr olíticc 175- 22 5 0,052-0,064 Mica 37 0,75 Hierro todo oxidado 20 0, 69 Mampostería emp last ec i da o 0,930 Hierro laminado 925-1100 0,87- 0, 95 Pa pel ordinario 20 0.8-0 ,9 Fundición mecanizada 22 044 Paoel amia nt o 20 o 950 Fundición oxidada a 600°C 200-600 0,64-0.78 Paoel alquitran ado 20 0.910 Plomo oxidado a 2oo•c 200 0,63 Papel ordinario 95 0,920 Plomo oxida do gris 23 0,280 Ye so blanco ru2osa 20 0,930 Plomo pulido 130-260 0.08-0.056 Porcelana vidriada 20 0.930 Magnesio oulido 37-260 0,07-0,13 Cuarzo fundido rugo so 20 0,930 Magnesio oxidado 275-825 0.55-0.2 Goma blanda gris 25 0.860 Molibdeno para filamentos 700-2600 0,10-0.20 Goma dura negra rugosa 25 0.950 Molibde no pu lido 150-480 0,02-0.05 M ader a de haya láminas 25 0.935 Monel pulido 37 0.170 M ad era de encina láminas 25 0,885 Níquel oxidado a 6 oo•c 260-540 0,37-0,48 Tierra 37 0,950 Níaue l oulido 100-260 o 045-0 07 PINTURAS Ní auel electrolítico 37-260 0.04-0,06 Aluminio bronce de 100 0.300 Platino electrolítico 260-540 0,06-0,1 Aluminio esmaltado rugoso 20 0,390 Platino placa pulida 260-540 0,06-0,1 Al umi nio pintado calent ad o a 325°C 150-300 0,350 Platino oxidado a 600•c 260-540 0.07-0. 11 Aluminio Al lO %. laca 22% 100 0.520 Platino filamento 26-1225 0,04-0.19 Aluminio Al 26%, laca 27% 100 0.300 Plat a oulida, pura 22 5-625 0,02-0,03 La ca blanca 100 0,925 Plat a oulida 37-370 o 02-0 03 Laca n~ra mate 80 0970 Acero pulido 23 0.160 Aceite pi ntura 20 0.89-0.97 Estaño bri llant e 225-265 0,02-0,03 Aceite pintura todos los colo r es 100 0.92-0.96 Estaño oulido 37-370 0,070 Ba que lit a esmaltada 80 0,935 T nni!.Steno oara filamentos 3300 0,390 Esmalte blanco ru2o so 20 0,900 Ttutgsteno filamento envejecí 25-3300 o 03-0.35 Esmalte negro brillante 25 0.876 Ci nc oxidado 20 0.250 Pi ntura al ac eite 1-200 0.885 Ci nc pulido 225-325 0,05-0,06 Imprimación minio 20-1100 0,930 Análisis Bibliográfico 42 Tabla 3.4.3.2 Enumeración de Texturas y Colores [5] S IP 13 Ru latoTrav Terracota 0.35 0. 94 Gmeso (rg) S IP 14 Ru latoTrav Gme so (rg) S IP I S Ru lato Gmeso ( rg ) S IP 16 Ru latoT rav Gmeso ( rg ) S IP I 7 Llaneado Fi no (lf) S IP 18 Lla neado Fi no (lf) S IP 19 Lla neado Fi no (lf) S IP 2 O Lla neado Fi no (lf) S IP 21 Lla neado Fi no (lf) S IP 22 Lla neado Fi no (lf) S IP2 3 Lla neado Fi no (lf) S IP24 Llane ado Fi no (lf) S IP2 5 Lla neado Gme so (lg) Gris Perla Verde H onnigón Gris Plomo 0.51 0. 95 0.42 0. 95 0.34 0. 95 Blanco 0.82 0. 80 Marfil 0.53 0. 85 Piedra 0.90 0. 90 París Ocre 0.83 0. 90 Terracota 0.43 0. 95 Gris Perla 0. 77 0. 90 Verde 0.41 0. 95 H onnigón Gris 0. 26 0. 95 Plomo Blanco 0.83 0. 85 69 38 CW53 60 56 CW5 4 65 46 CWSS 69 38 CW56 42 91 CW57 60 55 CW58 35 100 CW59 40 95 CW60 64 48 CW6 1 44 87 CW6 2 65 45 CW63 74 29 CW6 4 40 94 CW65 Texturabl eTrav TetTacota 0.48 0. 95 ettino (tt) TexturableTrav et1ino (tt) Tex t ura bl eT r av ettino (tt) Tex t ura bl eTrav et1ino (tt) Gris Perla Verde Hormigón Gl"is Plom o 0.70 0. 90 0.54 0. 90 0.50 0. 90 Sa lpi crateSalpic Blanc.o 0.81 0. 85 (ss) Sa lpi crateSalpic Marfil 0.80 0. 90 (ss) Sa lpi crate Salp ic Piedra 0.68 0. 90 (ss) París Sa lpicrateSalpic Ocre 0.58 0. 95 (ss) Sa lpi crateSalpic TetTacota 0.60 0. 90 (ss) Sa lpi crateSalpic Gr is Pe rla 0.72 0. 85 (ss) Sa lpicrateSalpic Verde 0.52 0. 90 (ss) Honnigón SalpicrateSalpic Gris 0.39 0. 90 (ss) Plom o Sal pi crate Blanco 0.84 0. 80 Planchado (sp) 61 53 49 78 59 58 61 54 42 91 42 91 50 76 55 65 55 66 48 79 60 56 68 41 40 94 Tabla 3 - Enumeración de los revestimientos v ertica l es estudiados con sus respect iv os cód igos asignados, d enominaciones , temperaturas superficiales (Ts) en grados Celsius, al bedo ( a) , emisiv idad (E), y Índ ice de Refl ec t ancia Solar (SR I) en porcentajes (continuación) RL V. ACRÍLIC O Cod. D eno m. Colol' S IP2 6 Llaneado Marfil 0.75 0.85 Grueso (lg) S IP2 7 Llaneado Pi edra 0.58 0.85 Gmeso (lg) Pal"is S IP2 8 Llam,allu Ocn' 0. 74 0. 90 Gmeso (lg) S IP 29 Llaneado Terracota 0.50 0. 95 Gme so (lg) S IP 30 Llaneado Gri s Perla 0. 74 0. 90 Gmeso (lg) S IP 31 Llaneado Grue so (lg) S IP 32 Llaneado Grueso (lg) S IP 33 Granitex Medio (g m) Verde Honnigón Gri s Plomo Bl anco 0.36 0. 95 0.30 0. 95 0. 86 0. 85 S IP 34 Granitex Marftl 0. 77 0.85 Medio (g m) SU '35 Uranitex Pi edra 0. 6/ U. ll) Medio (g m) Pal"is SIP 36 Granitex Ocre 0. 72 0. 90 Medio (g m) SIP37 Grani t ex Terracota 0.44 0. 95 Medio (g m) SIP38 Gr ani t ex Gri s Pe rla 0.50 0. 92 Me di o (gm) SIP39 Gr ani t ex Verde 0.39 0. 95 Me di o (g m) Horm i gón SI P4 0 Gr ani t ex Gri s 0.32 0. 95 Me di o (g m) Plomo Ts S RI Cod. CW66 57 62 CW67 46 83 CW68 60 56 CW69 46 83 CW70 68 39 CW7 1 72 33 CW72 39 98 CW73 45 86 CW7 4 13 CW75 47 81 CW76 63 49 CW77 61 54 CW78 66 43 CW79 70 35 cwso RL V. CE:II E:'\T JC IO Deno m. Co lol' Salpicrate Marfil Planchado (sp) Salpicrate Pie dra Planchado (sp) París Salp i mtl~ Ocr~ Planchado (sp) 0. 75 0.85 0.63 0.85 0. 52 0. 95 Salpicrate Terracota 0.48 0. 95 Planchado (sp) Salpicrate Gris Perla 0.67 0.85 Planchado (sp) Verde Honnigón Gris Plom o Blanco 0.50 0.90 0.36 0.95 0. 82 0.85 Ts SR! 54 68 59 58 61 54 51 73 61 54 68 40 41 92 Salpicrate Planchado (sp) Salpicrate Planchado (sp) Granitex Med io (gm) Granitex Med io (gm) Uranitex Med io (gm) Marfil 0. 77 0.85 45 85 Gra ni te x Med io (g m) Granitex Med io (g m) Granitex Med io (g m) Gra ni tex Med io (g m) Gran i tex Med io (gm) Pie dra u.n U.YU 41 H:l París Oc.re 0. 53 0. 90 59 57 Terracota 0. 53 0. 90 59 57 Gris Perla 0. 72 0.80 48 78 Verde 0.49 0.90 61 53 H ormigón Gris 0.71 0.95 47 80 Plomo 43 43 Máximos niveles de albedo Los niveles de albedo (â) en el total de las muestras oscilan entre 0.90 y 0.29. Los materiales que poseen mayor reflectancia solar son los acrílicos RulatoTravertino fino blanco -SIP02- y el Llaneado fino piedra parís- SIP19-, en donde â es igual a 0.90. Los altos valores de albedo de ambos materiales, corresponden con las menores temperaturas registradas en el total de las muestras. Gráficamente se pueden observar los resultados del estudio con mayor claridad. Figura 3.4.3.2 SRI para varias Texturas y Colores [5] Análisis Bibliográfico 44 3.4.4 Deterioro y ensuciamiento Las propiedades reflectantes de los materiales empleados en construcción pueden variar por diferentes causas:  Acumulación de suciedad y polvo.  Formación de pátinas de envejecimiento de orígenes diversos.  Uso de materiales diferentes con distinta evolución a lo largo del tiempo.  Deterioro natural del material. Hay que tener en cuenta, también, la orientación en el edificio ya que los fenómenos meteorológicos no actúan de igual modo en todas las fachadas.  Uso de productos de restauración y protección. Muchos cambios que se producen en piedras u otros materiales de construcción llevan asociados procesos químicos de disolución, de formación y destrucción de minerales, biológicos, debidos a la presencia de microorganismos y antropogénicos, por contaminación ambiental. Se llaman pátinas a aquellas capas que aparecen sobre la superficie de algunos materiales por causas naturales tan diversas como reacciones químicas, colonización biológica o formación de costras a causa de la atmósfera contaminada. Se puede formar una pátina negra de suciedad o verdosa, debida a microorganismos que, incluso, pueden a llegar a alterar la naturaleza inicial de los materiales sobre los que se deposita. Para los tejados blancos, el albedo típicamente decrece con el tiempo, especialmente en los tejados planos, que son más susceptibles a la acumulación de suciedad que los tejados inclinados. Dependiendo de la cantidad de suciedad que se acumule, podría ser rentable incluir limpiezas periódicas de los tejados de alta reflectividad como parte de un programa de mantenimiento. Los materiales oscuros suelen aumentar su albedo con el paso del tiempo debido a la acumulación de suciedad o la oxidación. En cambio, el albedo de materiales más reflectantes se reduce conforme se acumula suciedad sobre la superficie. Un estudio realizado a 25 muestras de revestimientos de alta reflectividad concluyó que, en general, el albedo caía un 15% en el primer año, seguido por un 2% anual en los años siguientes, aunque depende del material. Este mismo estudió mostró que los recubrimientos de cemento son una opción particularmente atractiva por su bajo coste y una menor reducción de la reflectividad con el paso del tiempo. 3.4.5 Costes El coste de cambiar el albedo de un edificio es cero si el cambio se incluye en la rutina del mantenimiento. El repintado por ejemplo se realiza cada ciertos años. De la misma manera, el albedo del tejado se puede incrementar con un recubrimiento blanco durante las reparaciones. El albedo urbano puede ser aumentado gradualmente y sin coste si se seleccionan superficies de alta reflexión en lugar de superficies oscuras en el momento de reparación o sustitución. La mayoría de los materiales están disponibles en colores claros por un precio similar. Además, los materiales con alto albedo tienen una vida más larga porque no se ven tan dañados por los efectos de la radiación ni las dilataciones térmicas, por lo que los costes anuales se verían reducidos. En cada zona geográfica habría que realizar un estudio económico similar al que se muestra a continuación, llevado a cabo en California en 1992. En él se comparan materiales convencionales de baja reflectividad con su alternativa de alta reflectividad. Se revisan el albedo, el coste y la vida útil de cada material. De esta manera se puede decidir con criterio a la hora de seleccionar el material a utilizar. 45 45 Tabla 3.4.5.2 Estudio Económico Modelo II [14] Tabla 3.4.5.1 Estudio Económico Modelo I [14] Análisis Bibliográfico 46 3.4.6 Conclusiones El espectro de reflexión es la más importante de las seis propiedades que debemos evaluar, ya que debe coincidir con el espectro que el panel es capaz de absorber. Buscamos materiales de construcción que puedan ser considerados “materiales fríos”, es decir, con alta reflectividad y alta emisividad. Éstos pueden ser utilizados en tejados, muros e incluso pavimentos. Los resultados obtenidos confirman la importancia de catalogar energéticamente los materiales disponibles para la aplicación a envolventes y, así poder transferir esta información a los responsables del desarrollo del hábitat en nuestra región. Está en proceso la creación de bases de datos de “materiales fríos” que incluirán tablas de reflectividades solares y emisividad infrarrojas de materiales de construcción y una lista de fabricantes. Estarán acompañadas de análisis que interpretarán los datos y aconsejarán acerca de su uso. (Base de datos de pigmentos: http://coolcolors.lbl.gov/LBNL-Pigment-Database/database.html). Las prestaciones energéticas de los revestimientos se deben asociar al comportamiento simultáneo de la textura, color y composición. Las gráficas que derivan de este análisis funcionan como un ábaco de fácil entendimiento y aplicación. Pueden servir para seleccionar el revestimiento más adecuado que al mismo tiempo satisfaga sus necesidades estéticas, aumente las ganancias fotovoltaicas y disminuya las temperaturas urbanas. Las propiedades de las superficies se deterioran con el tiempo y la intemperie, por lo que se debe tener en cuenta que algunos materiales necesitarán un cierto mantenimiento. Tabla 3.4.5.3 Estudio Económico Modelo III [11] 47 47 Se debe realizar un estudio de los costes de instalación y de mantenimiento que tenga en cuenta este deterioro progresivo de la capacidad de reflexión. Aunque, se ha comprobado que muchos de los materiales están disponibles sin ningún coste adicional a los tradicionales más oscuros. Gracias a esta preselección, se identifican varios materiales que son interesantes para estudiarlos en mayor profundidad debido a que, además de tener una alta capacidad de reflexión, tienen otras propiedades características que los hacen atractivos para nuestro objetivo:  Cemento blanco: Por su gran durabilidad que hace que necesite un mantenimiento prácticamente nulo y tenga un ciclo de vida muy largo.  Pintura blanca acrílica: Por su bajo precio, gracias al cuál es rentable aunque la superficie deba ser repintada periódicamente.  Pintura blanca de dióxido de titanio: Por bajo precio y por ser una de las pinturas más utilizadas y conocidas.  Aluminio blanco lacado: Como representación de los metales, ya que tiene una elevada reflectividad y un precio bajo comparado con los demás metales.  Aluminio anodizado: Como segunda muestra de aluminio pero con un acabado superficial diferente. De estos materiales se comprobarán sus reflectividades espectrales para todas las longitudes de onda, de manera que podamos decantarnos por uno u otro en función de la tecnología fotovoltaica a la que deseemos aplicarlos. Muestras Relacionadas 48 4 MUESTRAS RELACIONADAS 4.1 Ensayos Una vez realizada la selección definitiva de los materiales, se procede a ensayar las muestras con el objetivo de confirmar de una manera precisa los datos del análisis bibliográfico. Se opta finalmente por cinco materiales:  Aluminio Lacado  Aluminio Anodizado  Pintura Blanca de Dióxido de Titanio  Pintura Blanca Acrílica  Cemento Blanco Necesitamos cuantificar la reflectividad en función de la longitud de onda y, así, saber qué material se ajusta mejor a cada tecnología fotovoltaica. Para ello contamos con un espectrorradiómetro, el Licor LI-1800. Espectrorradiómetro Licor LI-1800 y esfera integradora: - Componentes y montaje: El equipo consta de los siguientes componentes: 1. Licor 1800 2. Esfera integradora 3. Lámpara iluminadora 4. Fuente de alimentación y batería de la lámpara 5. Receptor coseno (fibra óptica) 6. PC con el programa 7. Dos cables para conectar el Licor 1800 al PC (RS-232 que por un extremo es hembra con 9 pin y por el otro es macho con 25 pin) 8. Tres manuales: resumen actual en español, resumen del software y completo 49 49 Figura 4.1.1 Espectrorradiómetro Licor LI-1800 [33] Muestras Relacionadas 50 En primer lugar, se debe enchufar el LI-1800 y el PC a la corriente. Después se conecta el LI-1800 con el PC a través del cable RS-232, se conecta una batería a la fuente de iluminación y, por último, se conecta el iluminador a la fuente. Para la obtención de buenos resultados es recomendable encender la lámpara 30 segundos antes de tomar los datos, para que se estabilice, y moverla lo menos posible puesto que está compuesta por un filamento que vibra con facilidad. Es conveniente también, apagar la batería de la lámpara mientras no se use, de manera que aumente su durabilidad. Respecto a la fibra óptica, si queremos obtener buenos resultados, se debe mantener lo más recta posible y, sobre todo, en una configuración parecida en todas las medidas. La referencia estándar es la parte más delicada del equipo (cilindro blanco de la foto ensamblado en la esfera integradora). Es de fundamental importancia su conservación y su adecuada restauración ya que cuanto mayor sea la calidad de la referencia mayor será la calidad de las medidas. - Bases: El espectrorradiómetro LI-1800 está diseñado para obtener rápida y fácilmente datos del espectro de radiación. La esfera integradora recolecta la radiación que ha sido reflejada desde o transmitida a través del material muestra. El interior de la esfera está recubierto de un material reflectante y difuso (sulfato de bario) y tiene cinco entradas: los puertos A, B y C (convenientemente marcados en la esfera), el puerto de la fibra óptica y el de la referencia estándar. El receptor de radiación (receptor coseno o fibra óptica) no está en el mismo plano que la fuente de iluminación o la muestra, sino que su campo de visión es la pared de la esfera integradora. El monocromador (dentro de la consola del LI-1800) tiene una serie de filtros en su entrada que al transmitir la radiación policromática la dispersa en sus componentes espectrales, es decir, la dispersa en estrechas bandas de frecuencias que son las que llegan al detector en el LI-1800. El equipo es capaz de medir reflectividad en el espectro desde 400 nm hasta 1100 nm de longitud de onda cada 5 nm. Estos límites de medición son adecuados para nuestro estudio, ya que las diferentes tecnologías fotovoltaicas tienen una respuesta espectral (SR) muy pequeña por debajo de 400 nm y por encima de 1100 nm. En la realidad se obtendrá una reflexión ligeramente superior a la obtenida en este estudio pero la diferencia será pequeña. 51 51 Los archivos son creados en formato binario (.dat) y no pueden leerse, por lo que el programa los transforma a texto (.prn). Una vez generados los archivos en formato texto, se pueden exportar a Excel y generar tablas y gráficos. Cuando la batería del iluminador se está agotando, suena un pitido como aviso. Para realizar el ensayo de los diferentes materiales, la superficie que se desea medir debe estar mirando hacia el interior de la esfera integradora. - Mantenimiento: El LI-1800 requiere poco mantenimiento. Si el instrumento se usa en entornos donde el vapor de agua pueda condensarse dentro, los paquetes desecantes deberán secarse periódicamente. Usar sólo alcohol o soluciones detergentes suaves para limpiar el exterior. Funcionalmente, el único punto que requiere limpieza es la superficie difusora. No usar disolventes fuertes o basados en petróleo. Si se usa el instrumento en condiciones en las que pueda mojarse o exista pulverización, mantener el nivel del instrumento inclinado con el panel receptor hacia abajo. No permitir que el agua permanezca en los paneles, ya que podría dañar los conectores. El uso de la maleta con el final de la tapa cerrada con la cremallera hacia abajo sobre ambas caras protegerá el panel de la pulverización directa y protegerá la caja del instrumento del desgaste. La caja blanca está precintada para mantener la limpieza interior. Con este fin, los puertos de entrada óptica estarán siempre cubiertos o con el receptor coseno instalado, incluida la junta. Limpiar el fondo de estos puntos antes de instalarlos pero mantener una delgada capa de grasa de silicona sobre la junta. Los equipos motores no requerirán lubricación a menos que hayan sido limpiados, en cuyo caso, sólo una alta temperatura requiere el uso de grasa de baja volatilidad. No es necesario realizar ningún ajuste mecánico. Figura 4.1.2 Respuesta Espectral por Tecnología I [26] [31] Muestras Relacionadas 58  Silicio Amorfo El aluminio lacado es el que mejor se adapta a la tecnología de silicio amorfo, dejando en segundo lugar a la pintura de dióxido de titanio, aunque con una diferencia de sólo 1.26 A/m2. Es la tecnología con menor rendimiento de las estudiadas, por lo que ninguno de los materiales alcanza una diferencia mayor de 7.23 A/m2. En la elección final del material, deberían tener más peso que la reflectividad, aspectos como el precio o la durabilidad.  CdTe En el caso de los paneles de teluro de cadmio, el aluminio lacado y la pintura de dióxido de titanio no tienen apenas diferencia (1.05 A/m2). Los siguientes materiales van empeorando su actuación hasta llegar al aluminio anodizado que posee una diferencia de 26.58 A/m2 con el aluminio lacado. Se encuentra en una posición intermedia entre el silicio amorfo y el resto de tecnologías en cuanto a su rendimiento global y la forma de su respuesta espectral. Por ello, a pesar de que el aluminio lacado es su material óptimo, la diferencia con la pintura blanca de dióxido de titanio es casi nula. Figura 4.1.11 CdTe Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Figura 4.1.10 Silicio Amorfo Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] 59 59  CIGS En este último caso, la pintura de dióxido de titanio vuelve a obtener la mejor posición, dejando al aluminio lacado en segunda posición con una diferencia de 3.03 A/m2. Los siguientes materiales empeoran la diferencia con el mejor hasta alcanzar los 41.82 A/m2, un valor que hace que la selección del material ya tenga que ser más cuidadosa. Con el CIGS se mantiene el mismo orden que con el monocristalino y con el silicio policristalino. Esto se debe a que las tres tecnologías son similares en cuanto a la forma de su respuesta espectral y la longitud de onda a la que tienen el máximo. Sus diferencias de ganancia, es decir, la producción que dejas de ganar por no elegir el material óptimo, también son parecidas en las tres tecnologías, debido a que tienen rendimientos globales similares. Otro análisis interesante sería fijar el material de nuestra superficie y decidir qué tecnología es la más adecuada para un máximo aprovechamiento. Esto se cuantifica de igual forma a través de la intensidad convertida por el panel, integrada en todo el espectro electromagnético. La principal utilidad de esta comparación es la de cuantificar la diferencia de ganancia entre tecnologías. Así, podríamos decidir si la diferencia de precio o durabilidad del panel merece la pena o no. Por ejemplo, nos permitiría detectar que una tecnología produce el doble que otra pero, sin embargo, cuesta cuatro veces más. Figura 4.1.12 CIGS Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Muestras Relacionadas 60  Aluminio Lacado Para todos los materiales el orden de las tecnologías que más intensidad convierten es el mismo. Esto se debe a que entre el silicio monocristalino, el silicio policristalino, el silicio amorfo, el CdTe y el CIGS, existe una variación considerable de rendimiento, que se mantiene a pesar de las diferencias que incluyen los distintos materiales. Sin embargo, la diferencia de ganancia entre el silicio monocristalino (el de mayor rendimiento) y las demás tecnologías sí varía según el material, ya que los espectros de absorción del panel y de reflexión de la superficie pueden ser más o menos coincidentes. El aluminio lacado, por ejemplo, tiene una alta reflectividad en longitudes de onda cortas y una menor reflectividad en longitudes de onda larga, lo que favorece al silicio amorfo y perjudica al monocristalino, haciendo que la diferencia entre ambos sea menor que con otros materiales. Es el material que mejor se adapta a la respuesta espectral del silicio amorfo y, ligeramente en menor medida, al CdTe. Es el caso en el que la elección del silicio amorfo estaría más justificada. Figura 4.1.13 Aluminio Lacado Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] 61 61  Pintura de Dióxido de Titanio En el caso de la pintura de dióxido de titanio, ocurre lo contrario que con el aluminio lacado. Posee una reflectividad baja para longitudes de onda corta y alta para longitudes de onda larga, lo cual favorece al silicio monocristalino y perjudica al silicio amorfo, haciendo que la diferencia entre ambos sea la mayor de todos los materiales. Cubriendo la superficie con esta pintura, lo óptimo sería elegir tecnologías con buena respuesta espectral en longitudes de onda larga, como son el silicio monocristalino, el silicio policristalino o el CIGS.  Pintura Acrílica La pintura acrílica alcanza sus máximos en las longitudes de onda de 430 nm a 500 nm y después de 700 nm a 900 nm aproximadamente. A partir de ahí comienza a decrecer hasta los 1100 nm. Además tiene un descenso en su reflectividad entre los 700 nm y los 900 nm. Estos cambios hacen que siga bien la curva de absorción de todas las tecnologías en un rango, pero después no sean compatibles durante otro rango. Por tanto, todas las tecnologías son igual de válidas, siendo las de mayor rendimiento las que más intensidad convertirían, como ocurre con todos los materiales. Figura 4.1.15 Pintura Acrílica Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Figura 4.1.14 Pintura Dióxido Titanio Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Muestras Relacionadas 62  Cemento Blanco El cemento blanco tiene un espectro de reflexión algo por debajo del de las pinturas y del aluminio lacado en la mayor parte del espectro estudiado. Este aumenta levemente hasta los 580 nm y después es bastante plano en el resto del rango. Esto hace que todas las tecnologías se comporten de manera muy similar y no exista una que sea claramente más favorable.  Cemento Blanco con Arena El cemento blanco mezclado con arena tiene un espectro de reflexión algo más bajo pero parecido en forma al cemento blanco puro. Las únicas diferencias son que se comporta ligeramente peor en longitudes de onda corta y que tiene un pequeño pico de bajada de tan solo 100 nm aproximadamente en la longitud de onda larga, con lo que ambos efectos se compensarían parcialmente y no habría una clara tecnología favorable. Figura 4.1.17 Cemento Blanco Arena Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Figura 4.1.16 Cemento Blanco Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] 63 63  Aluminio Anodizado El aluminio anodizado, como ya hemos visto, es el que tiene peor comportamiento. Su espectro de reflexión está siempre muy por debajo del resto, especialmente en las longitudes de onda corta. En el último tramo de longitudes de onda larga, su reflectividad sube bruscamente, aunque se mantiene por debajo de los demás materiales. Esto favorece un poco a las tecnologías de silicio monocristalino, silicio policristalino y CIGS pero, como balance general, no es un material que funcione bien con ningún tipo de panel. Conclusiones del análisis: La pintura blanca de dióxido de titanio y el aluminio lacado ocupan la primera o la segunda posición en el ranking de energía radiante convertida por el panel para las cinco tecnologías estudiadas, con una diferencia mínima entre ellos, entre 1.05 A/m2 y 3.03 A/m2. El resto de materiales mantienen siempre el mismo orden: pintura blanca acrílica en tercera posición (diferencia entre 1.88 y 6.73 A/m2 con la mejor opción), cemento blanco en cuarta (diferencia entre 2.82 y 15.02 A/m2), cemento blanco con arena en quinta (diferencia entre 4.12 y 24.87 A/m2) y aluminio anodizado en sexta posición (diferencia entre 7.23 y 53.85 A/m2). El orden de las tecnologías que más intensidad convierten es el mismo para todos los materiales debido a la diferencia de rendimiento global entre las tecnologías. Es decir, algunas tecnologías no tienen la forma de la curva de respuesta espectral óptima pero, aún así, esta curva está por encima de otra que sí tienen una forma más adecuada. La diferencia de energía convertida, entre cada material y el material óptimo, se hace mayor cuanto más alto es el rendimiento de la tecnología fotovoltaica. Esto quiere decir que cuanto mayor es el rendimiento del panel, más cuidadoso se debe ser a la hora de seleccionar el material reflectante. Como ejemplo, para el silicio amorfo sólo se dejarían de ganar 7.23 A/m2 al seleccionar el aluminio anodizado, que es la peor opción desde el punto de vista óptico, haciendo que los factores determinantes en la elección del material sean otros, tales como el precio o la durabilidad. La variación en el material modifica ligeramente el espectro de radiación que llega al panel, haciendo que materiales con mayor reflectividad en el rango de longitudes de onda corta ( aluminio lacado y pintura blanca acrílica ), sean más compatibles con el silicio amorfo y el CdTe; y materiales con mayor reflectividad en longitudes de onda larga( pintura blanca de dióxido de titanio, cementos y aluminio anodizado ), sean más compatibles con el silicio monocristalino, silicio policristalino y CIGS. La mejor combinación de todas es tener un panel de silicio monocristalino y una superficie con pintura blanca de dióxido de titanio, lo que obtendría una intensidad convertida integrada de 298 A/m2. Figura 4.1.18 Aluminio Anodizado Ranking Intensidad Convertida Integrada [33] Conclusiones 64 5 CONCLUSIONES La energía fotovoltaica urbana es ya una realidad en algunos lugares del mundo y se prevé que en el futuro sufra un gran desarrollo a escala global. Su generalización tendría grandes beneficios como el aumento de la generación renovable, la disminución de la contaminación, la mejora de la salud de los ciudadanos, el fomento del empleo local, el desarrollo regional y la mejora del acceso a la energía, entre otros. Además, la utilización de superficies altamente reflectantes tendría otros efectos secundarios favorables, como son la reducción de demanda de refrigeración, el aumento de la vida útil de los elementos y el mejor aprovechamiento de la luz natural en el interior de los edificios. Este proyecto tiene como objetivo comparar diferentes materiales característicos de la construcción para averiguar cual puede favorecer más la integración fotovoltaica en la edificación. Se buscan materiales con una alta capacidad de reflexión que haga que los paneles reciban, además de la radiación incidente, la reflejada por las superficies cercanas, provocando una mayor generación a un bajo coste. Cada tecnología fotovoltaica tiene un espectro de absorción distinto, es decir, podría tener asociada un material reflectante óptimo diferente. Esto es importante porque los fotones que no son absorbidos calientan el panel, provocando el efecto no deseado de reducir su rendimiento. También se debe tener en cuenta que la concentración de radiación no sea excesivamente alta, ya que llega un punto en el que el efecto negativo del aumento de temperatura pesa más que el efecto positivo del aumento de radiación. Este punto es característico de cada tecnología fotovoltaica y de la calidad de fabricación. Los materiales reflectantes deben cumplir unos requisitos de reflectividad espectral, emisividad, durabilidad, coste, disponibilidad e información. Ya existen materiales con variedad de tonos que pueden tener un buen desempeño en esta aplicación, lo que los hace comercialmente más atractivos, y que se pueden adquirir a un coste similar a los tradicionales. Es muy importante su caracterización y catalogación, de manera que los responsables de desarrollo de las distintas regiones puedan impulsar la utilización de estos materiales. Los materiales estudiados en este proyecto han sido:  Aluminio Lacado  Aluminio Anodizado  Pintura Blanca de Dióxido de Titanio  Pintura Blanca Acrílica  Cemento Blanco La caracterización de sus espectros de reflexión ha sido posible gracias al espectrorradiómetro Licor LI-1800, capaz de cuantificar la reflectividad para cada longitud de onda. Todas las tecnologías tienen la tendencia general de presentar poca diferencia entre los tres mejores materiales reflectantes e ir incrementando progresivamente esta diferencia con los tres siguientes. El orden es prácticamente idéntico en todas las tecnologías (pintura blanca de dióxido de titanio, aluminio lacado, pintura 65 65 blanca acrílica, cemento blanco puro, cemento blanco con arena y aluminio anodizado), con la única variación en el primer y segundo puesto, siempre por poca diferencia. Cuanto mayor sea el rendimiento de la tecnología fotovoltaica, más cuidadoso se debe ser a la hora de seleccionar el material a aplicar sobre la superficie reflectante, ya que tendrá un efecto mayor. Como conclusión general, podemos decir que el aluminio anodizado favorece ligeramente las tecnologías de silicio monocristalino, silicio policristalino y CIGS. Sin embargo, se muestra como la peor opción para todas las tecnologías por tener una baja reflectividad en todo el rango de longitudes de onda estudiado. Esto pone de manifiesto la tremenda importancia que tiene el acabado superficial de los materiales y su potencial de desarrollo y perfeccionamiento. Las pinturas blancas tienen un magnífico resultado para todas las tecnologías como reflectantes, tanto la acrílica como la de dióxido de titanio, ambas a un coste muy bajo. La pintura blanca de dióxido de titanio es la que más favorece al silicio monocristalino, silicio policristalino y CIGS, mientras que la pintura blanca acrílica, no tiene una tecnología a la que favorezca claramente. De este mismo orden de bondad es el aluminio lacado. Es el que tiene la forma de la curva de reflexión más compatible con el silicio amorfo. Tiene una emisividad más baja por ser metálico pero es una característica que no afecta en exceso al resultado final. Su elección frente a las pinturas dependerá de los factores de durabilidad, coste, disponibilidad e información. Los cementos tienen una reflectividad ligeramente inferior pero, a cambio, tiene una durabilidad extraordinariamente superior. No favorecen especialmente a ninguna tecnología. Debemos remarcar el gran efecto de los agregados del cemento, que pueden cambiar totalmente sus propiedades, haciendo de este un campo con grandes posibilidades de mejora. Líneas de trabajo Futuro 66 6 LÍNEAS DE TRABAJO FUTURO 1. Creación de una Base de Datos de materiales “fríos” y altamente reflectantes, en la que se pueda encontrar información detallada sobre sus propiedades. 2. Mejora en las Propiedades de los materiales: reflectividad, durabilidad, disponibilidad y coste. 3. Fomento de los Materiales Reflectantes, no sólo como impulsores de la generación solar urbana sino también como medida de ahorro y eficiencia en la demanda de refrigeración. 67 67 7 BIBLIOGRAFÍA 1. CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas). Curso de Caracterización de la Radiación Solar como Recurso Energético. España: Ministerio de Ciencia e Innovación. 2. CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas). 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California: Lawrence Berkeley Laboratory, University of California, 1992 Anexo A 74 750 0,7338 0,7298 0,5771 0,7566 0,6821 0,7042 755 0,7340 0,7291 0,5755 0,7568 0,6826 0,7043 760 0,7341 0,7281 0,5729 0,7576 0,6829 0,7047 765 0,7337 0,7275 0,5713 0,7580 0,6836 0,7052 770 0,7341 0,7266 0,5706 0,7585 0,6846 0,7054 775 0,7341 0,7262 0,5701 0,7588 0,6855 0,7057 780 0,7339 0,7255 0,5676 0,7596 0,6859 0,7065 785 0,7336 0,7247 0,5653 0,7597 0,6870 0,7072 790 0,7337 0,7240 0,5635 0,7602 0,6881 0,7076 795 0,7333 0,7232 0,5627 0,7608 0,6891 0,7082 800 0,7332 0,7224 0,5621 0,7611 0,6893 0,7087 805 0,7331 0,7213 0,5601 0,7616 0,6906 0,7093 810 0,7329 0,7204 0,5575 0,7617 0,6910 0,7095 815 0,7330 0,7195 0,5566 0,7621 0,6919 0,7100 820 0,7325 0,7188 0,5568 0,7626 0,6931 0,7106 825 0,7322 0,7181 0,5581 0,7631 0,6931 0,7110 830 0,7322 0,7176 0,5579 0,7633 0,6940 0,7114 835 0,7321 0,7164 0,5572 0,7637 0,6953 0,7123 840 0,7321 0,7156 0,5574 0,7643 0,6959 0,7123 845 0,7317 0,7151 0,5593 0,7645 0,6966 0,7128 850 0,7315 0,7140 0,5620 0,7650 0,6971 0,7135 855 0,7314 0,7139 0,5657 0,7653 0,6974 0,7136 860 0,7311 0,7127 0,5675 0,7656 0,6985 0,7140 865 0,7306 0,7116 0,5691 0,7660 0,6985 0,7146 870 0,7298 0,7111 0,5724 0,7658 0,6994 0,7148 875 0,7299 0,7107 0,5761 0,7669 0,6992 0,7151 880 0,7293 0,7099 0,5814 0,7668 0,7000 0,7148 885 0,7298 0,7098 0,5867 0,7668 0,7006 0,7156 75 75 890 0,7293 0,7086 0,5905 0,7674 0,7004 0,7161 895 0,7290 0,7078 0,5930 0,7677 0,7010 0,7164 900 0,7287 0,7068 0,5957 0,7681 0,7008 0,7162 905 0,7278 0,7058 0,5997 0,7680 0,7019 0,7167 910 0,7274 0,7055 0,6049 0,7685 0,7020 0,7168 915 0,7266 0,7052 0,6103 0,7675 0,7015 0,7168 920 0,7267 0,7044 0,6152 0,7680 0,7019 0,7173 925 0,7267 0,7046 0,6185 0,7682 0,7023 0,7176 930 0,7269 0,7044 0,6217 0,7683 0,7022 0,7175 935 0,7295 0,7065 0,6234 0,7713 0,7042 0,7198 940 0,7284 0,7038 0,6273 0,7696 0,7011 0,7180 945 0,7287 0,7031 0,6320 0,7692 0,6982 0,7192 950 0,7282 0,7031 0,6365 0,7683 0,6960 0,7182 955 0,7268 0,7027 0,6402 0,7700 0,6925 0,7165 960 0,7277 0,7022 0,6435 0,7701 0,6900 0,7154 965 0,7274 0,7021 0,6444 0,7702 0,6858 0,7154 970 0,7271 0,7015 0,6460 0,7696 0,6892 0,7154 975 0,7272 0,7002 0,6476 0,7697 0,6919 0,7168 980 0,7268 0,7000 0,6505 0,7697 0,6924 0,7181 985 0,7275 0,6999 0,6543 0,7691 0,6934 0,7183 990 0,7269 0,6989 0,6580 0,7693 0,6946 0,7184 995 0,7265 0,6981 0,6607 0,7696 0,6953 0,7191 1000 0,7259 0,6972 0,6623 0,7691 0,6961 0,7196 1005 0,7249 0,6958 0,6628 0,7694 0,6973 0,7204 1010 0,7245 0,6953 0,6631 0,7695 0,6992 0,7197 1015 0,7247 0,6943 0,6626 0,7689 0,6997 0,7200 1020 0,7231 0,6934 0,6648 0,7680 0,6996 0,7197 1025 0,7223 0,6927 0,6684 0,7672 0,7009 0,7198 Anexo A 76 1030 0,7222 0,6920 0,6710 0,7687 0,7022 0,7202 1035 0,7213 0,6916 0,6737 0,7681 0,7036 0,7214 1040 0,7211 0,6914 0,6747 0,7685 0,7053 0,7208 1045 0,7210 0,6906 0,6750 0,7692 0,7054 0,7203 1050 0,7204 0,6896 0,6755 0,7697 0,7068 0,7216 1055 0,7198 0,6890 0,6736 0,7686 0,7069 0,7212 1060 0,7193 0,6881 0,6742 0,7691 0,7073 0,7221 1065 0,7192 0,6871 0,6756 0,7692 0,7070 0,7214 1070 0,7186 0,6871 0,6785 0,7707 0,7066 0,7220 1075 0,7186 0,6868 0,6826 0,7703 0,7077 0,7214 1080 0,7185 0,6861 0,6831 0,7707 0,7077 0,7208 1085 0,7164 0,6875 0,6831 0,7704 0,7096 0,7213 1090 0,7170 0,6835 0,6857 0,7714 0,7083 0,7228 1095 0,7163 0,6841 0,6844 0,7711 0,7064 0,7226 1100 0,7161 0,6825 0,6849 0,7693 0,7085 0,7244 Tabla 4.1.1 Ensayo Reflectividad Espectral 77 77 Anexo B A continuación se mostrará gráficamente en el eje izquierdo una comparativa entre la radiación que proviene del sol (rojo) y la reflejada por cada material (verde). En el eje derecho se muestra la reflectividad (azul) en función de la longitud de onda (µm). Tenemos dos gráficas para cada material porque la primera representa las magnitudes para cada longitud de onda y la segunda la integral bajo cada curva. Anexo B 78  Pintura Acrílica: Figura B.2 Pintura Acrílica Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.1 Pintura Acrílica Irradiancia Reflejada [33] 79 79  Aluminio Lacado: Figura B.4 Aluminio Lacado Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.3 Aluminio Lacado Irradiancia Reflejada [33] Anexo B 80  Aluminio Anodizado: Figura B.6 Aluminio Anodizado Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.5 Aluminio Anodizado Irradiancia Reflejada [33] 81 81  Pintura de Dióxido de Titanio: Figura B.8 Pintura Dióxido Titanio Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.7 Pintura Dióxido Titanio Irradiancia Reflejada [33] Anexo B 82  Cemento Blanco con Arena: Figura B.10 Cemento Blanco Arena Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.9 Cemento Blanco Arena Irradiancia Reflejada [33] 83 83  Cemento Blanco Puro: Figura B.12 Cemento Blanco Puro Irradiancia Reflejada Integrada [33] Figura B.11 Cemento Blanco Puro Irradiancia Reflejada [33] Anexo C 90  Cemento Blanco Puro: Figura C.13 Silicio Monocristalino-Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.12 Silicio Monocristalino-Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida [33] 91 91 Silicio Policristalino Figura C.14 Silicio Policristalino-Intensidad Convertida [33] Anexo C 92  Pintura Acrílica: Figura C.16 Silicio Policristalino-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.15 Silicio Policristalino-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida [33] 93 93  Aluminio Lacado: Figura C.18 Silicio Policristalino-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.17 Silicio Policristalino-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida [33] Anexo C 94  Aluminio Anodizado: Figura C.20 Silicio Policristalino-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.19 Silicio Policristalino-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida [33] 95 95  Pintura de Dióxido de Titanio: Figura C.22 Silicio Policristalino-Pintura de Dióxido de Titanio -Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.21 Silicio Policristalino-Pintura de Dióxido de Titanio -Intensidad Convertida [33] Anexo C 96  Cemento Blanco con Arena: Figura C.24 Silicio Policristalino -Cemento Blanco con Arena-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.23 Silicio Policristalino-Cemento Blanco con Arena-Intensidad Convertida [33] 97 97  Cemento Blanco Puro: Figura C.26 Silicio Policristalino-Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.25 Silicio Policristalino -Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida [33] Anexo C 98 Silicio Amorfo Figura C.27 Silicio Amorfo [33] 99 99  Pintura Acrílica: Figura C.29 Silicio Amorfo-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.28 Silicio Amorfo-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida [33] Anexo C 106  Pintura Acrílica: Figura C.42 CdTe-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.41 CdTe-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida [33] 107 107  Aluminio Lacado: Figura C.44 CdTe-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.43 CdTe-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida [33] Anexo C 108  Aluminio Anodizado: Figura C.46 CdTe-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.45 CdTe-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida [33] 109 109  Pintura de Dióxido de Titanio: Figura C.48 CdTe-Pintura de Dióxido de Titanio -Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.47 CdTe-Pintura de Dióxido de Titanio -Intensidad Convertida [33] Anexo C 110  Cemento Blanco con Arena: Figura C.50 CdTe-Cemento Blanco con Arena-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.49 CdTe-Cemento Blanco con Arena-Intensidad Convertida [33] 111 111  Cemento Blanco Puro: Figura C.52 CdTe-Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.51 CdTe-Cemento Blanco Puro-Intensidad Convertida [33] Anexo C 112 CIGS Figura C.53 CIGS [33] 113 113  Pintura Acrílica: Figura C.55 CIGS-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.54 CIGS-Pintura Acrílica-Intensidad Convertida [33] Anexo C 114  Aluminio Lacado: Figura C.57 CIGS-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.56 CIGS-Aluminio Lacado-Intensidad Convertida [33] 115 115  Aluminio Anodizado: Figura C.59 CIGS-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida Integrada [33] Figura C.58 CIGS-Aluminio Anodizado-Intensidad Convertida [33]