O desenvolvimento histórico da tecnologia Térmica Fotovoltaica (PVT): Do conceito à comercialização

Introdução

A estrutura energética global sofreu alterações significativas ao longo do último meio século. Os sistemas integrados fotovoltaicos e solares térmicos (PVT) surgiram gradualmente como uma solução inovadora capaz de satisfazer simultaneamente as duas exigências energéticas básicas: eletricidade e energia térmica. O sistema PVT integra células fotovoltaicas e coletores solares numa única placa plana, não só maximizando o aproveitamento da radiação solar, mas também aumentando significativamente a eficiência global de conversão de energia.

Embora o Painel Solar PVT seja geralmente considerado um conceito técnico relativamente novo, a sua história pode ser rastreada até à década de 1950. Desde o protótipo experimental no início da década de 1970 até à aplicação comercial gradualmente amadurecida hoje, o processo de desenvolvimento do PVT reflete um caminho mais amplo para o desenvolvimento das energias renováveis ​​– incluindo a evolução coordenada dos avanços tecnológicos, do apoio político e do desenvolvimento do mercado. Este artigo tem como objetivo analisar o contexto histórico da tecnologia PVT e explorar como esta evoluiu gradualmente de um conceito teórico para uma solução energética abrangente e comercialmente viável.

Origem: década de 1970 - fase inicial do conceito

O estágio inicial da tecnologia PVT ocorreu na década de 1970. Durante este período, devido aos alertas sobre a segurança energética causados ​​pelas duas crises petrolíferas em 1973 e 1979, a ênfase global nas energias renováveis ​​aumentou acentuadamente. Os investigadores procuram ativamente alternativas aos combustíveis fósseis. A energia solar é considerada uma das direções mais promissoras devido à sua universalidade e sustentabilidade.

A utilização tradicional da energia solar divide-se em duas categorias principais: fotovoltaica e solar térmica. No entanto, os engenheiros notaram que, durante a operação da geração de energia fotovoltaica, o aumento da temperatura leva a uma redução da eficiência da geração de energia. Este fenómeno deu origem a uma ideia fundamental: será possível recuperar o calor residual durante o arrefecimento dos painéis fotovoltaicos e obter um aproveitamento eficiente da energia térmica? 

O conceito de PVT no início da década de 70 baseava-se principalmente nos sistemas de ar, visando a integração com os sistemas de aquecimento e ventilação dos edifícios. A estrutura básica consiste num painel fotovoltaico, atrás do qual existe um canal de fluxo de ar para captar e circular o ar quente. Embora a melhoria da eficiência não seja significativa, esta estabelece a base conceptual para o PVT como um sistema de dupla função.

Expansão e progresso tecnológico: décadas de 1980 e 1990 

As décadas de 1980 e 1990 foram períodos de progresso contínuo da tecnologia fotovoltaica e de crescente interesse académico. Com a popularização dos painéis fotovoltaicos de silício cristalino e a melhoria da relação custo-benefício, os investigadores começaram a estudar o arrefecimento líquido como um método de arrefecimento mais eficaz do que a circulação de ar.

O sistema fotovoltaico baseado no ar (PVT) foi melhorado através da melhoria do design da tubagem e da integração com o sistema de aquecimento ambiente.

Isto impulsionou o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos líquidos (PVT), que utilizam água ou anticongelante como meio de transferência de calor para absorver o calor de forma mais eficiente. Este método pode arrefecer os painéis fotovoltaicos de forma eficaz e atingir um nível mais elevado de produção de calor, tornando-o adequado para o aquecimento de água residencial ou aplicações industriais.

Durante este período, um grande número de estudos laboratoriais e instalações experimentais foram realizados em universidades da Europa, América do Norte e Ásia. Foram desenvolvidos modelos técnicos para analisar o fluxo de energia, prever o desempenho e otimizar o projeto. Embora os benefícios comerciais permaneçam limitados, a base académica da tecnologia fotovoltaica moderna está firmemente estabelecida.

O início do século XXI foi um ponto de viragem crucial para o desenvolvimento das energias renováveis ​​globais. Durante este período, a Europa e o Japão lideraram a realização de pesquisas de grande escala e demonstrações de aplicação da tecnologia de energia solar. O sistema fotovoltaico e solar térmico integrado no edifício (BIPVT) surgiu neste contexto. O BIPVT não só integra coletores fotovoltaicos como parte do invólucro exterior do edifício, como paredes exteriores, claraboias ou componentes do telhado, como também realiza a integração integrada de geração de energia, aquecimento, estética arquitetónica e desempenho de isolamento, melhorando significativamente a eficiência energética e o apelo visual do edifício.

A Europa está a explorar ativamente a integração da geração de energia fotovoltaica nos sistemas energéticos urbanos através de projetos de demonstração no Plano de Energias Renováveis ​​da UE. O Japão incorporou a sua investigação fotovoltaica na sua estratégia nacional para aumentar a sua taxa de auto-suficiência energética e reduzir a sua dependência de combustíveis importados. Entretanto, a energia fotovoltaica começou a tentar acoplar-se a diversas tecnologias, como bombas de calor, armazenamento sazonal de calor e redes de aquecimento urbano, para formar um sistema energético híbrido. Embora ainda fosse uma aplicação de nicho na altura, o seu potencial de integração entre domínios atraiu inicialmente a atenção dos decisores políticos e da indústria.

Ao entrarmos na década de 2010, com a queda significativa dos custos da energia fotovoltaica, a crescente urgência das questões climáticas e o reforço dos incentivos políticos, a implantação global das energias renováveis ​​entrou num ritmo acelerado. A tecnologia PVT também está gradualmente a sair do laboratório e a caminhar para a fase inicial de comercialização. Muitas empresas da Europa, Israel e Ásia lançaram sucessivamente diversos produtos PVT, abrangendo coletores de placa plana, tipos envidraçados/não envidraçados e sistemas de concentração. Os fatores importantes que impulsionam a comercialização nesta fase incluem:

• Avanços na tecnologia de materiais, como permutadores de calor de alta eficiência, revestimentos de absorção seletiva e processos de embalagem de longa duração;

• A eficiência energética global do sistema foi melhorada, com benefícios abrangentes a excederem geralmente os 70%, o que é particularmente vantajoso em cenários com espaço limitado.

•  A procura por soluções de energia distribuída nos setores residencial, comercial e industrial continua a crescer.

• Casos reais confirmaram também os múltiplos benefícios do sistema PVT, incluindo a redução dos custos energéticos, o aumento da taxa de autoconsumo de energia solar e a melhoria do retorno do investimento no contexto da utilização combinada de eletricidade e calor.

Desde 2020, impulsionada pela meta da "neutralidade do carbono" e por políticas climáticas cada vez mais rigorosas, a transição energética global entrou numa nova fase. Muitos países estabeleceram metas de emissões líquidas zero para meados do século, trazendo amplas perspetivas para a tecnologia integrada de energia fotovoltaica e solar térmica. As tecnologias solares integradas, como a energia fotovoltaica fotovoltaica (PVT), gozam agora de oportunidades de desenvolvimento sem precedentes.

A pandemia de COVID-19 evidenciou ainda mais a importância da resiliência energética e da produção localizada de energia limpa. Por isso, a PVT tem sido cada vez mais aplicada nas seguintes áreas: 

• As residências e as famílias procuram sistemas eficientes para satisfazer as suas exigências de eletricidade e água quente.

• Os edifícios comerciais, beneficiados pela integração do BIPVT, reduziram os seus custos operacionais de energia. 

• Nos processos industriais, especialmente nas indústrias de processamento de alimentos, têxtil e química, o calor de média e baixa temperatura é de vital importância. 

Entretanto, a inovação tecnológica expande constantemente as possibilidades: 

• A combinação de PVT e bombas de calor proporcionou um aquecimento e arrefecimento eficientes durante toda a estação. 

• Integrado no armazenamento de energia térmica, obteve-se uma melhor gestão de carga. 

• O sistema de controlo inteligente melhorou a correspondência da procura e a interação com a rede.

Hoje em dia, a PVT já não é considerada uma tecnologia experimental, mas tornou-se um forte concorrente no mercado das energias renováveis, apoiada por dezenas de fornecedores comerciais e cada vez mais popular em todo o mundo.

As vantagens de promover a popularização

Existem várias razões pelas quais a PVT é reconhecida como uma solução de energia solar altamente valiosa:

• Alta eficiência abrangente: A eficiência abrangente dos sistemas fotovoltaicos e solares térmicos (PVT) integrados pode atingir mais de 70%, enquanto a eficiência dos sistemas fotovoltaicos independentes é de aproximadamente 20%. A eficiência de utilização da energia solar térmica situa-se geralmente entre os 40% e os 60%.

• Desempenho e durabilidade fotovoltaicos superiores: O sistema PVT pode reduzir o stress térmico dos módulos fotovoltaicos através da dissipação de calor eficaz, prolongar a sua vida útil e melhorar a estabilidade da geração de energia. 

• Utilização eficiente do espaço: o sistema PVT pode gerar simultaneamente energia elétrica e térmica na mesma área, o que é particularmente importante em cenários de aplicação urbanos ou com espaço limitado. 

• Amplos campos de aplicação: pode ser amplamente utilizado em vários cenários, tais como residenciais, comerciais, industriais e agrícolas. 

• Em linha com os objectivos de desenvolvimento sustentável: a tecnologia PVT ajuda a reduzir as emissões de carbono, promove a integração de energias renováveis ​​na rede e apoia a implementação de estratégias de energia distribuída

Desafios e desafios 

Embora a geração de energia fotovoltaica (PVT) tenha progredido, também enfrenta muitos desafios:

• Comparado com a geração independente de energia fotovoltaica ou solar térmica, o custo inicial é mais elevado. 

• Os requisitos para o projeto e manutenção do sistema são complexos. 

• Comparado com a geração de energia solar fotovoltaica tradicional, a compreensão atual do mercado sobre a tecnologia de integração térmica fotovoltaica (PVT) é ainda relativamente limitada. 

• O actual sistema de apoio às políticas não tem, muitas vezes, totalmente em conta as características destas tecnologias híbridas, resultando em inúmeras restrições para que estas solicitem medidas de incentivo. 

• Ultrapassar estes estrangulamentos é de fundamental importância para promover a aplicação em larga escala de sistemas fotovoltaicos e solares térmicos e libertar totalmente o seu potencial energético.

Conclusão 

Olhando para o desenvolvimento da tecnologia PVT, desde a proposta conceptual na década de 1970 até à sua gradual comercialização nos dias de hoje, esta tecnologia passou por quase cinco décadas de evolução. Não só marca a mudança dos métodos de utilização da energia solar de "geração única de energia" ou "produção única de calor" para um modelo integrado de "fornecimento combinado de calor e eletricidade", como também reflete a tendência geral da indústria das energias renováveis ​​para passar da exploração experimental para a aplicação no mercado. 

No contexto dos esforços conjuntos globais em prol da neutralidade carbónica, a tecnologia PVT, com a sua conversão de energia composta altamente eficiente, cogeração estável de calor e energia e excelente adaptabilidade do sistema, demonstra uma perspetiva de aplicação única. Não só é aplicável a diversos cenários de consumo de energia, como também satisfaz melhor os múltiplos requisitos do futuro sistema energético de limpeza, baixo teor de carbono, flexibilidade e alta eficiência. 

O historial de desenvolvimento da PVT não é apenas um processo de maturação de uma tecnologia, mas também um exemplo vívido do efeito conjunto de mecanismos inovadores, apoio político e procura do mercado para impulsionar a transformação energética. No futuro, espera-se que a PVT desempenhe um papel mais significativo na construção de um novo sistema energético dominado pelas energias renováveis.