Teulades solars que també escalfen
Un panell solar converteix una cinquena part de la llum del sol en electricitat i la resta en calor residual. Un col· lector fotovoltaic- tèrmic conserva aquesta calor. La física és simple; fer que pagui no ho és.
Andreas Siegemund (CC BY-SA 4.0)
Mireu un panell solar en un dia assolellat i la major part de l’energia que hi cau no fa res útil. Les cèl·lules converteixen del 15 al 20% de la llum en electricitat; del 65 al 70% es converteix en calor, que escalfa el panell i el fa menys eficient (IEA SHC Task 60, 2020). Un col·lector fotovoltaic-tèrmic (PVT) posa un intercanviador de calor darrere de les cèl·lules, transporta aquesta calor en aigua o aire i l’utilitza per a aigua calenta, calefacció d’espais o una bomba de calor.
L’honest resum: El PVT funciona, es ven avui i pot proporcionar dues o tres unitats de calor per cada unitat d’electricitat del mateix sostre, però només paga on hi ha un ús constant de la calor a baixa temperatura, i els seus costos mesurats encara són més alts que els panells i col·lectors separats en la majoria dels llocs. Aquesta pàgina explica el perquè, amb les xifres.
Què és
Un col·lector PVT és un panell solar i un col·lector solar tèrmic en un marc. Hi ha tres famílies principals (IEA SHC Task 60, 2020):
- Col·lectors d’aigua descoberts Es veuen com panells ordinaris amb un intercanviador de calor pla enganxat a la part posterior. Corren freds, el que s’adapta a les cèl·lules, i perden calor fàcilment al vent. Són el 61% de la capacitat tèrmica PVT instal·lada a tot el món i s’utilitzen més sovint com a font de calor per a una bomba de calor.
- Col· lector cobert (vidrat) afegir una segona fulla de vidre i un espai d’aire aïllant davant les cel·les. Arriben als 50 a 60 °C que necessita l’aigua calenta domèstica, però el vidre extra reflecteix una mica de llum i les cèl·lules funcionen més calentes, de manera que produeixen menys electricitat.
- Col· lector d’aire bufa aire darrere dels panells i l’utilitza per escalfar o ventilar un edifici. Són el 33% de la capacitat instal·lada PVT.
Existeixen dissenys de tubs concentrats i evacuats, però juguen un paper menor (IEA SHC, Solar Heat Worldwide 2025).
Com funciona
El pressupost de llum. En un dia clar, uns 1.000 W de llum solar arriben a cada metre quadrat d’un panell orientat al sol; 800 W és una hora més típica de llum. Una cel·la de silici converteix la part de l’espectre que pot utilitzar en electricitat. La resta es reflecteix, passa a través o es converteix en calor a la cèl·lula.
La calor fa que les cèl·lules empitjorin. L’eficiència elèctrica d’una cel·la de silici cristal·lí cau gairebé linealment amb la seva temperatura: η_el = η_ref × (1 − β × (T_cell − 25 °C)), on β és aproximadament del 0,4% per kelvin (l’interval mesurat és del 0,2 al 0,5%). En paraules senzilles: un panell etiquetat com a 20% d’eficiència a 25 °C produeix al voltant del 18,4% quan les seves cèl·lules estan a 45 °C, el que és normal en un dia assolellat (Skoplaki i Palyvos, 2009).
Col·lecció de la calor. La calor que un col·lector lliura segueix l’equació en l’estàndard d’assaig EN ISO 9806: η_th = η_0 − a_1 (T_m − T_a) / G − a_2 (T_m − T_a)² / G. Aquí η_0 és la part de llum solar que es converteix en calor útil quan el fluid està a temperatura d’aire (al voltant del 61% és típic per PVT), T_m és la temperatura mitjana del fluid, T_a la temperatura de l’aire, G la llum solar en W per m², i a_1, a_2 descriuen com de ràpid s’escapa la calor. En paraules senzilles: com més calenta vulgueu l’aigua, menys calor recollireu, i un col· lector descobert, sense cap tapa de vidre per a mantenir el vent fora, perd calor molt més ràpid que un cobert.
El compromís. L’aigua freda ajuda dues coses: les cèl·lules funcionen més fredes i produeixen una mica més d’electricitat, i el col·lector recull més calor. L’aigua calenta fa mal dues vegades. És per això que PVT i les bombes de calor són socis naturals: una bomba de calor vol una font a 5 a 20 °C, exactament on un col·lector PVT descobert és més eficient. Quan el fluid és més fred que l’aire, un col·lector descobert fins i tot extreu calor de l’aire, dia i nit, el que li permet reemplaçar la unitat exterior d’una bomba de calor de font d’aire o recarregar el terra al voltant de bomba de calor de font de terra forats. L’ explicador de dalt us permet provar- ho.
La proporció. Com que més de la llum es converteix en calor que l’electricitat, “dues o més unitats d’energia tèrmica es generen per cada unitat d’energia elèctrica, depenent de l’eficiència cel·lular i el disseny del sistema” (IEA SHC Task 60, 2020).
Els límits
Teòricament. La llum solar proporciona com a màxim 1 kW per metre quadrat al migdia i, de mitjana durant un any, de 100 a 300 W per m² depenent de la latitud i el temps. Cap col·lector pot lliurar més energia que la que cau sobre ell (excepte la calor de l’aire d’un col·lector descobert quan corre més fred que l’aire, que és física de bomba de calor, no llum solar extra). L’electricitat és limitada per la cèl·lula: aproximadament una cinquena part de la llum del silici comercial. La calor està limitada per la temperatura que necessiteu: a 60 °C un col·lector ja perd una gran part del que recull.
Pràctic.
- La calor ha de tenir un ús proper. La calor a baixa temperatura no es pot vendre a una xarxa com l’electricitat. En una tarda assolellada de juliol, una casa amb un tanc d’aigua calenta ple no té on posar més calor, així que el col·lector deixa de recollir (“estagnació”) i s’escalfa com un panell ordinari. Dimensionar el costat de la calor a la demanda real importa més que qualsevol detall del col·lector.
- Límits de temperatura. La majoria dels panells estan certificats per a temperatures cel·lulars fins a uns 85 °C. Un col·lector cobert deixat estancat a l’estiu pot aproximar-se a això, que envelleix l’encapsulant i les juntes de soldadura.
- Dues feines sota un mateix sostre. PVT necessita un electricista i un fontaner, dos conjunts d’estàndards (IEC 61215 i 61730 per al costat elèctric, EN ISO 9806 per al costat tèrmic) i, fins fa poc, cap estàndard de prova propi. Els experts de l’IEA enumeraren el cost, les proves i les habilitats d’instal·lador, no la física, com a barreres (IEA SHC Task 60 position paper).
- Competència de panells barats. Els panells ordinaris es van fer tan barats que un sostre sovint pot tenir panells fotovoltaics separats i un petit col·lector solar tèrmic, o panells fotovoltaics més una bomba de calor d’origen aeri, per menys diners que un sistema PVT.
Projectes reals, mesurats
| Projecte | Què és | El que es va mesurar o informar | Font |
|---|---|---|---|
| 26 sistemes d’exemple en la tasca 60 de l’IEA SHC (Europa i més enllà, 2020) | Aigua calenta domèstica, bomba de calor i sistemes industrials, controlats durant un any. | Covered PVT for hot water: up to about 700 kWh of heat per m² a year; uncovered: about 400. Electrical performance ratio 0.66 for covered and 0.75 for uncovered collectors (ordinary PV: 0.7 to 0.85). Heat pump systems using uncovered PVT as their only source reached a seasonal performance factor of about 3 in Switzerland | Schubert i Zenhäusern, 2020 |
| Nou Ajuntament, Friburg, Alemanya (2017) | Col·lectors PVT per a aigua calenta en un edifici d’oficines net-plus-energy | Designed to deliver 22 MWh of heat a year against a hot water demand of 145 MWh. The measured demand was only 24 MWh a year, so the collector field was far too large, ran hotter and delivered less heat per m². Solar fraction 29.6%; electrical output as expected | Tasca 60 de l’IEA SHC, Sistemes PVT existents |
| Carrosserie Pfister, Herisau, Suïssa | PVT descobert en un edifici industrial | 106 kWp elèctrics i 324 kW de capacitat tèrmica (potència nominal, no mesurada) | IEA SHC, Calor solar a tot el món 2025 |
| Nova arena esportiva, Àustria | 1.130 m² de PVT amb 80 sondes de terra i una bomba de calor de 540 kW | Dissenyat per satisfer una demanda de calor d’1,4 GWh a l’any sense combustible fòssil (figura de disseny) | IEA SHC, Calor solar a tot el món 2025 |
| Mercat mundial, 2024 | 46 fabricants informen | 37,5 MW tèrmics i 18,6 MW elèctrics instal·lats el 2024; França (629.136 m²), Alemanya i els Països Baixos lideren | IEA SHC, Calor solar a tot el món 2025 |
El cas de Friburg és la lliçó més útil d’aquesta pàgina: els col·lectors van funcionar, però no va ser així la predicció de quanta aigua calenta consumiria l’edifici. Les dades publicades i mesurades independentment per als sistemes PVT encara són escasses; la majoria de les xifres provenen de projectes pilot.
Quant costa
| Opció | Cost per kWh | Any i font |
|---|---|---|
| PVT, sistemes ben dimensionats en la mostra de la Tasca 60 | electricitat aproximadament 0,20 €; calor per sota de 0,10 € | 2020, Schubert i Zenhäusern |
| PVT, mitjana de la mostra de la tasca 60 | electricitat 0,10 € a 0,15 €; calefacció 0,25 € (cobert) a 0,45 € (descobert) | 2020, mateixa font (dependrà de com es repartisquen els costos entre calor i energia) |
| PVT, modelat | electricitat 0,20 €; calor 0,22 € | Lämmle (2019), citat en el mateix informe |
| Punt de referència: panells solars al terrat del mateix edifici | about $0.19 central | el nostre model de paret de ventiladors |
| Solars comercials i comunitaris als terrats, Estats Units | $0.09 to $0.20 | Juny 2026, Lazard LCOE+ versió 19 |
| Aigua calenta solar tèrmica, Europa | 0,03 € (sud) a 0,19 € (centre i nord) per kWh de calor | 2015, ESTIF, citat per Schubert i Zenhäusern |
| Calor d’una caldera de gas, llars de la UE | aproximadament 0,14 € per kWh de calor (només combustible: gas a 0,1228 € per kWh, caldera amb un 90% d’eficiència) | segona meitat del 2025, Eurostat |
El que diu la taula: els millors sistemes PVT ja produeixen calor per menys del que costa el combustible d’una caldera de gas a Europa i l’electricitat al preu dels panells solars, però el sistema pilot mitjà no. La diferència és enorme perquè el valor de la calor depèn completament de si s’utilitza o no. Els experts de l’AIE han establert l’objectiu de reduir els costos del col·lector PVT en un factor d’1,5 a 2 mitjançant el volum i la tecnologia (Task 60 position paper).
On pot guanyar, i on no pot
Pot guanyar:
- Edificis amb demanda de calor durant tot l’any i un sostre petit: blocs d’apartaments, hotels, hospitals, piscines, bugaderies, sales esportives. Cada metre quadrat fa dues feines.
- Com a font de calor per a una bomba de calor. La PVT descoberta pot substituir una unitat exterior sorollosa o recarregar un camp de forats per tal que no es refredi amb els anys, d’on ha vingut la majoria del creixement recent.
- Llocs càlids i assolellats amb demanda d’aigua calenta, on els col·lectors coberts poden satisfer la major part; un sistema Task 60 va aconseguir una quota solar del 70%.
- Calor industrial a baixa temperatura (rentat, assecatge, preescalfament), on hi ha un ús cada dia de l’any.
No pot guanyar:
- On la calor no té usuari. Una casa de vacances, una oficina amb poca aigua calenta o una casa ja escalfada per una bomba de calor amb la seva pròpia unitat exterior poden ser millor servides amb panells ordinaris.
- A temperatures elevades. El vapor i la calor de procés per sobre dels 80 °C estan més enllà del que les cèl·lules fotovoltaiques poden tolerar; concentrant energia solar tèrmica o emmagatzematge tèrmic Encaixa millor.
- En preu sol contra panells barats, fins que la instal·lació es converteixi en una rutina com el PV ordinari.
El que és provat, plausible i especulatiu
Provat: la pena de temperatura de les cel·les de silici; la física del col·lector d’EN ISO 9806; que els col·lectors PVT proporcionen tant electricitat com calor en edificis reals, amb rendiments mesurats d’aproximadament 400 a 700 kWh de calor per m² a l’any; que el PVT descobert pot servir com a única font per a una bomba de calor amb un factor de rendiment estacional proper al 3 a Suïssa; que sobredimensionar el costat de la calor redueix el rendiment.
Plausible: que la producció en volum i els kits estàndard podrien reduir els costos per un factor d’1,5 a 2; que les bombes de calor PVT més poden descarbonitzar blocs de ciutat densa on no hi ha espai per a unitats exteriors o forats; que un millor contacte tèrmic entre les cel·les i l’absorbent augmenta ambdós rendiments.
Especulatiu: Refrigeració radiativa nocturna impulsada per PVT a escala útil (demostrada en recerca, rarament en edificis); durabilitat a llarg termini de l’enllaç cel·la-absorbent durant 25 anys de ciclatge tèrmic; façanes PVT integrades en edificis a un preu competitiu.
Preguntes obertes de recerca
- Com envelleix la cèl·lula-a-absorber i els encapsulants sota cicles tèrmics diaris i estancament estival? Les dades de camp dels vint-i-cinc anys encara no existeixen.
- Quina és la divisió correcta entre PVT, PV ordinària i longitud de forat en un sistema de bomba de calor, i quant realment estén la regeneració PVT la vida del forat?
- Pot un estàndard de prova combinat i certificació reduir el cost i el temps d’introduir un producte PVT al mercat?
- Com haurien d’adaptar els instal·ladors el costat de la calor quan la demanda real d’aigua calenta és tan incerta, com va mostrar Freiburg?
- Poden els intercanviadors de calor de polímer de baix cost igualar als metàl·lics per a la transferència de calor i la vida útil?
El que necessitaria un prototip de treball
Per a un inventor amb un nou disseny PVT, l’evidència que compta és un col·lector mesurat al sol, amb sensors calibrats, durant prou temps com per veure tant els bons com els dolents dies.
| Fase | Treball | El que prova | Cost aproximat | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 0. Desk study | Model de transferència de calor del disseny, comparació amb les dades publicades del col· lector, estimació del cost | La idea supera el PVT existent sobre paper | $5k to $15k | 1 a 2 mesos |
| 1. Prova de banc i exterior d’un col· lector | Sortida elèctrica mesurada (corbes I- V) i eficiència tèrmica a diverses temperatures de fluid, seguint els mètodes EN ISO 9806 i IEC 60891, en un laboratori acreditat o una configuració universitària acurada | Real η_0, a_1 i la pena de temperatura elèctrica | $15k to $40k | 3 a 4 mesos |
| 2. Pilot de sistema petit | 10 a 20 m² alimentant un tanc d’aigua calenta real o bomba de calor, amb comptadors de calor, comptadors d’electricitat i estació meteorològica, un any | Rendiments estacionals, comportament d’estagnació, fiabilitat | $40k to $100k | 12 mesos |
| 3. Certification | IEC 61215 i 61730 (seguretat elèctrica i durabilitat), Solar Keymark (tèrmic), aprovacions d’edificis | Un producte que es pot vendre i assegurar | $60k to $150k | 9 a 12 mesos |
Les fases 0 a 2 costaven aproximadament $60,000 to $155.000. Aquestes són les nostres estimacions dels costos típics de laboratori i monitoratge, no comissions.
Qui necessitem
- Enginyer tèrmic solar amb experiència en proves EN ISO 9806.
- Enginyer de mòduls PV que entengui encapsulants, cicles tèrmics i IEC 61215.
- Enginyer de serveis d’edificis (HVAC) per mesurar el costat de la calor i integrar bombes de calor i emmagatzematge.
- Especialista en monitoratge per dissenyar mesuradors de calor i electricitat calibrats.
- Soci de fabricació capaç de laminació i enllaç d’intercanviadors de calor a volum.
- Instal·ladors i fontaners disposats a provar una instal·lació combinada i informar del temps real de treball.
Tens una idea millor?
Potser tens un millor absorbent, una manera més barata d’unir-ho, o una manera més intel·ligent d’utilitzar la calor. Alguns membres de la Fundació Local Solar System poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeixi energia i calor, mesurada en un instrument, no reclamada. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i no podem prometre finançament, rendibilitat o introduccions.
Per a PVT, la mesura més barata que compta com un model de treball és un col·lector a l’aire lliure al costat d’un panell ordinari idèntic, amb les temperatures de l’aigua d’entrada i sortida, el flux i la producció elèctrica dels dos panells registrats durant unes quantes setmanes assolellades. Això mostra la calor guanyada i l’electricitat guanyada o perduda. Envieu-la a través del formulari de contribució, i veure com PVT es compara amb altres idees en el radar d’idees.
Fonts
- L’Ametlla, M. i al. (2020). Conceptes bàsics de tecnologies col·lectors PVT, àrees d’aplicació i mercat. IEA SHC Task 60, Informe D5.
- Skoplaki, E. i Palyvos, J.A. (2009). La seva funció és la de controlar el flux d’aire a través del sistema de ventilació: un mecanisme de control de l’eficiència. Solar Energy 83(5), 614-624..
- AEE INTEC i IEA SHC (2025). Solar Heat Worldwide, edició de 2025, capítol 5.4, Sistemes fotovoltaics-tèrmics.
- IEA PVPS (2025). Snapshot of Global PV Markets 2025.
- IEA SHC Task 60 (2020). Document de posició sobre la tecnologia PVT.
- Schubert, M. i Zenhäusern, D. (2020). Avaluació de rendiment d’exemples de sistemes PVT. IEA SHC Task 60, Informe D2.
- IEA SHC Task 60 (2020). Sistemes i solucions PVT existents, incloent el full de dades del nou ajuntament de Freiburg (després de Réhault et al., 2019).
- 2017 (anglès). ISO 9806:2017, Energia solar: col·lectors solars tèrmics, mètodes de prova.
- Chow, T.T. (2010). A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology (en anglès). Applied Energy 87(2), pàg. 365–379..
- Herrando, M., Markides, C.N. i Hellgardt, K. (2014). Assessment of hybrid PV and solar-thermal systems for domestic heating and power: system performance (en anglès). Applied Energy 122, 288-309.
- Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19: comunitat i C&I solar $88 to $197 per MWh.
- Eurostat (2026). Estadístiques de preus del gas natural: mitjana de la UE €0.1228 per kWh, segona meitat del 2025.
- Local Solar System Foundation (2020, model actualitzat 2026). The Fan Wall: model obert, punt de referència solar del terrat.