Los colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos, a veces conocidos como sistemas PV / T híbridos o PVT, son sistemas que convierten la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Estos sistemas combinan una célula solar, que convierte la luz solar en electricidad, con un colector solar térmico que captura la energía restante y elimina el calor residual del módulo fotovoltaico. y por lo tanto ser más eficientes energéticamente en general que la energía solar fotovoltaica (PV) o térmica solar sola. Una gran cantidad de investigación se ha dedicado al desarrollo de la tecnología PVT desde la década de 1970.

Las células fotovoltaicas sufren una caída en la eficiencia con el aumento de la temperatura debido a una mayor resistencia. Dichos sistemas pueden diseñarse para alejar el calor de las células fotovoltaicas, enfriando así las células y mejorando así su eficacia al disminuir la resistencia. Aunque este es un método efectivo, causa que el componente térmico tenga un rendimiento inferior en comparación con un colector solar térmico.

Principios
Los elementos fotovoltaicos (células fotovoltaicas, típicamente dopado con silicona) transforman la luz solar (rango visible) en diferencia de potencial y corriente eléctrica, mientras que la parte del sensor térmico (absorbedor o «concentrador» …) recupera la energía calórica emitida por el sol (en particular el la radiación infrarroja generalmente se pierde en forma de calor disperso por el panel) a través de un refrigerante (aire o agua / glicol, inyectado por una bomba cuya operación funciona con electricidad).

La electricidad producida se puede usar localmente inmediatamente o después del almacenamiento (batería), o se puede inyectar en la red eléctrica (reventa / compra).

El calor producido se puede conectar a cualquier instalación térmica convencional, que se utiliza para calentar o precalentar el aire o el agua doméstica (agua caliente sanitaria, piscina, …), una unidad de secado, …

Tipos de sistema
Un número de colectores PV / T en diferentes categorías están disponibles comercialmente y se pueden dividir en las siguientes categorías:

Colector de líquido PV / T
Colector de aire PV / T
PV / Ta Líquido y colector de aire
Concentrador PV / T (CPVT)

Colector de líquido PV / T
El diseño básico refrigerado por agua utiliza un canal para dirigir el flujo de fluido utilizando tuberías de diversos materiales o placas unidas a la parte posterior de un módulo fotovoltaico. La disposición del flujo de fluido a través del elemento de enfriamiento determinará a qué sistemas son más adecuados los paneles.

En un sistema estándar basado en fluidos, un fluido de trabajo, típicamente agua, glicol o aceite mineral, se canaliza a través de estas tuberías o enfriadoras de placas. El calor de las celdas fotovoltaicas se conduce a través del metal y es absorbido por el fluido de trabajo (suponiendo que el fluido de trabajo está más frío que la temperatura de funcionamiento de las celdas). En sistemas de circuito cerrado, este calor se agota (para enfriarlo) o se transfiere a un intercambiador de calor, donde fluye hacia su aplicación. En sistemas de bucle abierto, este calor se usa o se agota antes de que el fluido regrese a las células fotovoltaicas. También es posible dispersar nanopartículas en el líquido para crear un filtro de líquido para aplicaciones PV / T. La ventaja básica de este tipo de configuración dividida es que el colector térmico y el colector fotovoltaico pueden operar a diferentes temperaturas.

Colector de aire PV / T
El diseño básico refrigerado por aire utiliza una carcasa metálica hueca y conductora para montar los paneles fotovoltaicos (PV). El calor se irradia desde los paneles hacia el espacio cerrado, donde el aire circula en un sistema HVAC de un edificio para recapturar energía térmica, o se eleva y se ventila desde la parte superior de la estructura.

Si bien la transferencia de energía al aire no es tan eficiente como un colector de líquidos, la infraestructura requerida tiene un menor costo y complejidad; básicamente una caja de metal poco profunda. La colocación de paneles fotovoltaicos puede ser vertical o en ángulo.

Concentrador PV / T (CPVT)
Un sistema concentrador tiene la ventaja de reducir la cantidad de células fotovoltaicas (PV) necesarias, de modo que se pueden utilizar células fotovoltaicas de uniones múltiples algo más caras y eficientes que maximizarán la relación entre la potencia eléctrica producida de alto valor y la térmica de menor valor poder. Una de las principales limitaciones de los sistemas de alta concentración (es decir, HCPV y HCPVT) es que mantienen su ventaja sobre los colectores convencionales de c-Si / mc-Si solo en regiones que permanecen consistentemente libres de contaminantes de aerosoles atmosféricos (por ejemplo, nubes claras, smog, etc. ) El rendimiento del sistema concentrador se degrada especialmente porque 1) la radiación se refleja y se dispersa fuera del ángulo de aceptación pequeño (a menudo menos de 1 ° -2 °) de la óptica de la colección, y 2) la absorción de componentes específicos del espectro solar causa uno o más uniones en serie dentro de las células MJ a bajo rendimiento.

Los sistemas de concentración también requieren sistemas de control confiables para rastrear con precisión el sol y proteger las células fotovoltaicas de condiciones de sobrecalentamiento dañinas. En condiciones ideales, aproximadamente el 75% de la potencia del soles que incide directamente sobre tales sistemas se puede recoger como electricidad y calor. Para obtener más información, consulte la discusión sobre CPVT en el artículo sobre fotovoltaica concentrada.

Estructura de un colector PVT
Como se mencionó, un colector PVT es una asociación de un colector fotovoltaico y un intercambiador de calor. El colector fotovoltaico es casi siempre del tipo glaseado, para reducir la pérdida de calor.

Coleccionistas con cámara de aire frontal
Explotan el efecto invernadero. Se usan casi exclusivamente para el intercambio de calor con aire.

Colectores sin cámara de aire
El tipo más común. Aquí el intercambio de calor se lleva a cabo en la parte posterior del colector fotovoltaico; es una estructura obligatoria en el caso del enfriamiento líquido, ya que el intercambiador enmascararía las células fotovoltaicas, y en cualquier caso tiene la ventaja de una ubicación posterior de las tuberías de suministro y extracción de fluido, lo que de otro modo plantearía problemas de sombreado.

Colectores de líquidos
Comparado con un colector de PV normal, en un colector de líquido existe la adición de un intercambiador de calor y su aislamiento. Este intercambiador puede ser de diversas formas; en los casos más frecuentes se compone de tubos de cobre adherentes, con varias tecnologías, a la lámina de respaldo o, más efectivamente, consiste en un intercambiador de rollo de aluminio que permite una mejor transmisión del calor. El intercambio de calor con el colector de líquido es muy eficaz para enfriar las células fotovoltaicas, aumentando su rendimiento.

Colectores de concentración
Al abandonar el uso de células de silicio y la introducción de la tecnología de película delgada, es posible diseñar un panel híbrido que vea el uso de la concentración solar. Una aplicación interesante ve la presencia de un concentrador CPC (del concentrador parabólico Compuesto inglés) en cuyo incendio se coloca un tubo en cuya superficie lateral se coloca una película de células de película delgada (por ejemplo, CIS o CIGS). Esta configuración permite obtener mayores rendimientos de células fotovoltaicas (gracias a la concentración) pero al mismo tiempo una eliminación de calor más efectiva (dado que la célula completa está en contacto con el fluido de transferencia de calor).

Instalación
La instalación de paneles PV-T incluye:

como cualquier panel solar, paneles de fijación (generalmente, en el techo)
como cualquier panel fotovoltaico, la instalación de cables eléctricos y equipos aguas abajo (inversor, …),
como cualquier panel térmico, un circuito de ventilación, si está refrigerado por aire, o un circuito hidráulico con un acumulador de agua caliente (si el panel PV-T está directamente conectado a un sistema de agua caliente disponible en el grifo (y no para el único calentamiento), es obligatorio conectar, a la salida de la reserva, una válvula mezcladora termostática de seguridad, para que no se pueda quemar con agua demasiado caliente.

Sistema de comercio
Varios fabricantes franceses ofrecen paneles híbridos: DualSun, Sillia (con un absorbedor de cobre), ABCD Intl, así como Cogen’air (refrigeración por aire) y Systovi.

Ventajas
La eficiencia energética general es significativamente más alta que la de los paneles fotovoltaicos (12-20%), principalmente debido al componente térmico (que también valora la irradiación IR no explotada solo en PV: 46% del total).

Además, la captura térmica tiene dos efectos favorables en la producción de electricidad:

Las células fotovoltaicas funcionan mejor. De hecho, su color oscuro porque se calientan al sol, o su eficiencia de generación de energía disminuye con el calor, especialmente por encima de 45 ° C. En un panel PV-T, el colector de calor captura las calorías solares, que enfría las células fotovoltaicas y aumenta su producción especialmente durante los picos de insolación. El calor se inyecta en un acumulador (circuito cerrado agua / glicol en general) gracias a la corriente producida por las células fotovoltaicas; esto mejora significativamente la producción de electricidad (alrededor del 15% en la región de París según los fabricantes).

El enfriamiento permanente de los paneles mejora su vida útil y su eficiencia (aumento del COP de las bombas de calor cuando se asocia una bomba de calor).

Estas ventajas son particularmente evidentes para paneles en una posición central en un techo.

El costo equivalente de instalar un panel híbrido es reducido en comparación con el de un panel solar fotovoltaico y un panel solar térmico.

Un panel PV-T híbrido puede funcionar más rápido en caso de nieve (o escarcha o neblina) que lo oscurece: esto puede eliminarse haciendo circular el fluido de transferencia de calor en la dirección opuesta. El panel PV-T también participa durante el clima cálido para reducir el calor en el ático de la casa, al enfriar el techo.