La energía fotovoltaica en azoteas podría exacerbar ‘involuntariamente’ el calor urbano

Imagen: Liutao Chen, Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han investigado el impacto de los sistemas fotovoltaicos en tejados en los microclimas y temperaturas urbanos y han descubierto que estas instalaciones, a pesar de su potencial para mejorar la sostenibilidad energética, podrían “inadvertidamente” exacerbar el calor urbano.

La investigación se llevó a cabo en el campus subtropical húmedo de HKUST, que alberga varios sistemas fotovoltaicos desde 2020. La iniciativa implicó la instalación de más de 8000 paneles solares en 50 ubicaciones del campus, generando hasta 3 millones de kWh de electricidad.

“Durante una visita a los tejados equipados con paneles fotovoltaicos, los investigadores observaron que los paneles estaban extremadamente calientes, tan calientes que parecían freír un huevo”, declaró Chen Liutao, autor principal de la investigación, a pv magazine . “Esta observación inspiró al equipo a instalar sensores ambientales en varios tejados para monitorear las temperaturas del aire y de la superficie e investigar los posibles impactos térmicos de los sistemas fotovoltaicos en tejados”.

Los resultados revelaron que las azoteas equipadas con sistemas fotovoltaicos experimentaron temperaturas ambiente más elevadas en comparación con las azoteas convencionales. Durante el mes de julio, el más caluroso, la temperatura del aire sobre las azoteas fotovoltaicas fue, en promedio, 1,3 °C más alta que la de las azoteas convencionales sin aire acondicionado (AA), y 0,7 °C más alta que la de las azoteas con AA. En promedios de 15 minutos, la diferencia de temperatura alcanzó los 5,2 °C al mediodía.

Los académicos también examinaron el comportamiento térmico de los propios paneles fotovoltaicos, descubriendo que, bajo una intensa radiación solar durante las olas de calor, las superficies de los paneles fotovoltaicos podían alcanzar temperaturas de hasta 65,8 °C, con promedios mensuales 9,7 °C más altos que las superficies de hormigón. Este efecto de calentamiento se atribuyó a la alta capacidad de absorción solar y la baja inercia térmica de los paneles. El calor se disipaba al aire circundante por convección. Por la noche, los paneles fotovoltaicos se enfriaban más rápido que los tejados convencionales, reduciendo ligeramente la temperatura del aire circundante en menos de 1 °C.

Para comprender mejor cómo los cambios microclimáticos inducidos por la energía fotovoltaica afectan la demanda energética de los edificios, el equipo de investigación realizó simulaciones EnergyPlus en un espacio de oficinas en la última planta, bajo un techo equipado con energía fotovoltaica. Si bien una cobertura fotovoltaica del 50 % podría compensar el 71 % del consumo energético del edificio mediante la generación de electricidad, el calentamiento ambiental causado por los paneles fotovoltaicos contrarrestó los beneficios del sombreado. En julio, esto resultó en un aumento neto de la demanda de energía para refrigeración del 1,5 %.

Más allá del impacto energético, el estudio destacó los riesgos críticos para la salud derivados del calor durante los cortes de electricidad. El calentamiento inducido por la energía fotovoltaica prolongó los períodos de exposición al calor de «Peligro Extremo» en un 29,8 %, lo que incrementó el riesgo para los ocupantes de los edificios durante las olas de calor. Los investigadores enfatizaron que el uso selectivo de la energía fotovoltaica para la refrigeración durante los períodos de mayor peligro podría transformar estos sistemas de amplificadores pasivos de calor en activos de resiliencia.

El estudio también sugirió la necesidad de diseños innovadores de sistemas fotovoltaicos para mitigar los efectos adversos del microclima. Entre las soluciones prometedoras se incluyen sistemas híbridos de techos verdes y fotovoltaicos, materiales de cambio de fase y sistemas térmicos integrados con la energía fotovoltaica. Estas tecnologías podrían reducir simultáneamente la temperatura superficial de los paneles y mejorar la eficiencia de la conversión energética, equilibrando la producción de energía con la mitigación del calor urbano.

“Los sistemas fotovoltaicos en azoteas no son solo infraestructura energética; son participantes activos en los sistemas microclimáticos urbanos”, afirmó Liutao. “Su integración exitosa requiere una doble optimización: maximizar el potencial de generación y gestionar inteligentemente los impactos ambientales localizados”.

Los hallazgos también destacaron la variabilidad de los efectos térmicos de los sistemas fotovoltaicos en función de factores como los ángulos de inclinación de los paneles, la separación entre los paneles y las propiedades de referencia de la cubierta. Los investigadores solicitaron más simulaciones y experimentos en diversos climas y configuraciones para comprender mejor y abordar estos desafíos.

“Es importante destacar que, si bien estos hallazgos resaltan importantes consideraciones sobre la resiliencia urbana, no deben restarle valor a los beneficios más amplios de los sistemas fotovoltaicos para la sostenibilidad energética y la reducción de carbono”, concluyó Liutao. “El objetivo de este estudio es fundamentar mejores diseños y estrategias de implementación, garantizando que los sistemas fotovoltaicos en azoteas puedan ofrecer beneficios ambientales y sociales sin contrapartidas imprevistas”.

Los resultados completos del estudio se detallan en el documento “ La paradoja de la resiliencia de la energía fotovoltaica en azoteas: penalizaciones por refrigeración de edificios y riesgos de calor ”, que se publicó recientemente en Building and Environment.

En octubre, otro grupo internacional de científicos presentó un nuevo modelo para la evaluación de la energía fotovoltaica en azoteas en microclimas urbanos . El modelo demostró que los sistemas fotovoltaicos en azoteas pueden tener consecuencias imprevistas en las temperaturas de los entornos urbanos.

Según datos recopilados en India, los sistemas de tejados pueden aumentar la temperatura diurna del aire cerca de la superficie hasta en 1,5 °C, ya que absorben aproximadamente el 90 % de la energía solar, convirtiendo hasta un 20 % en electricidad, mientras que el resto contribuye a su calentamiento. Por otro lado, durante la noche, la cobertura fotovoltaica urbana completa puede reducir la temperatura máxima nocturna del aire cerca de la superficie hasta en 0,6 °C. En las horas de calor pico, la temperatura de la superficie del tejado aumentaría hasta 3,2 °C y se enfriaría de media 1,4 °C por la noche.

“Nuestro estudio también revela que los paneles solares fotovoltaicos instalados en azoteas alteran significativamente los balances energéticos de la superficie urbana, los campos meteorológicos cercanos a la superficie, la dinámica de la capa límite urbana y las circulaciones de la brisa marina”, dijo el grupo de investigación en ese momento.