Energía solar fotovoltaica integrada en la edificación: modelizado y análisis del efecto del sombreado en la captación de irradiación

Resumen

La evolución tecnológica de la energía fotovoltaica y el abaratamiento de los materiales fotovoltaicos, así como la imperiosa necesidad de obtener energía no contaminante, sin riesgos para la salud y sin agotar los recursos naturales, hacen prever que las cubiertas y las fachadas de los edificios estén, en un futuro próximo, revestidas de materiales captadores de energía solar térmica y fotovoltaica con tres funciones: aislamiento (eficiencia pasiva), fuente de calor (agua caliente) y energía eléctrica (eficiencia activa). En esta Tesis se desarrolla una metodología que permite determinar la localización y orientación más apropiadas de los elementos fotovoltaicos sobre la envolvente de los edificios, para así obtener un aprovechamiento óptimo de la irradiación solar. Los modelos son extrapolables a cualquier envolvente de cualquier edificio y ubicación geográfica, pudiendo evaluar diferentes soluciones que permiten disponer de instalaciones solares fotovoltaicas eficientes en función de las necesidades de los usuarios. La metodología propuesta es soportada por modelos matemáticos que simulan la generación eléctrica de los elementos fotovoltaicos en función de la captación de irradiación solar. Uno de las aportaciones más importantes es la incorporación del efecto de sombreado de obstáculos propios del edificio, de edificios contiguos, urbanos y orográficos, en la incidencia de la irradiación solar en diferentes entornos. Los resultados obtenidos se presentan en series temporales, de tal forma que es posible analizar de forma anual o estacional cada punto de la envolvente del edificio. Una vez construido el escenario, los modelos desarrollados buscan todos los objetos posibles que pueden producir sombra dependiendo del vector solar, a lo largo de todo el año, y obtienen las curvas iso-radiantes en la envolvente. Esta metodología también permite analizar la ganancia o pérdida de irradiación sobre los elementos integrados en la fachada, tradicionalmente diseñados para proteger el interior de un exceso de radiación solar (paramentos, toldos, lamas horizontales o verticales); calcula la orientación ideal para elementos fijos y cuantifica la mejora de la eficiencia si se dota a los elementos de seguimiento solar (giro zenital, giro azimutal o desplazamiento lineal sobre la fachada). Adicionalmente, se proponen modelos para la estimación de la irradiación solar en cada punto de la envolvente de los edificios de una urbanización, combinando mapas de puntos LiDAR (Laser Detection and Ranging) con datos de irradiación solar. Los métodos y resultados obtenidos han sido validados en diferentes instalaciones solares fotovoltaicas existentes. Esta Tesis presenta una metodología muy útil para avanzar en la integración arquitectónica de este tipo de energía en entornos urbanos (BIPV). El uso de fachadas para captar energía solar es una de las más prometedoras soluciones para la integración fotovoltaica en los edificios de las ciudades.