Un diseño optimizado de invernadero fotovoltaico semitransparente aumenta un 20,1% la producción de energía

Un grupo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Catar ha propuesto un nuevo diseño para un invernadero fotovoltaico semitransparente (STPV). Los investigadores optimizaron la geometría del invernadero para aumentar la generación de electricidad manteniendo restricciones como la superficie total del suelo y la cobertura STPV.

“Este estudio presenta un novedoso diseño de invernadero que se centra en maximizar la captación de energía solar en las secciones y superficies de las paredes orientadas al sur, adaptado específicamente a las condiciones climáticas de Catar”, señalaron los investigadores. “El nuevo diseño se evalúa y compara con configuraciones comunes de invernaderos, manteniendo restricciones como una superficie total de suelo y un área STPV iguales. Esto garantiza que el diseño propuesto optimice eficazmente la recepción de energía solar sin comprometer los requisitos de espacio”.

Los científicos evaluaron el rendimiento energético de cinco geometrías de invernadero: de dos vertientes iguales, de dos vertientes desiguales, tipo parral, de arco modificado y su diseño propuesto, que asigna una mayor proporción de la superficie STPV a las secciones del techo orientadas al sur y a las paredes verticales.

Modelaron las cinco configuraciones utilizando los mismos módulos fotovoltaicos semitransparentes bifaciales de vidrio doble, tipo p y 280 W. Cada invernadero tenía una superficie de suelo de 24 m² y una superficie STPV efectiva instalada de 71 m².

Los investigadores evaluaron los cuatro diseños convencionales de invernadero utilizando geometrías fijas y no optimizadas y compararon su rendimiento con el de la configuración propuesta. Luego optimizaron el nuevo diseño mediante un algoritmo mejorado de optimización de mapeo de media-varianza (IMVMO), un método de optimización metaheurístico.

El algoritmo modificó la longitud, la anchura, la altura máxima y los ángulos de inclinación del techo y las paredes del invernadero, con el objetivo de maximizar la generación anual de electricidad.

Los diseños adicionales. | Imagen: Qatar University, Energy Reports, CC BY 4.0

“Este estudio hace avanzar el algoritmo de optimización de mapeo de media-varianza (MVMO) mediante el desarrollo de una versión mejorada (IMVMO)”, explicaron los investigadores. “El algoritmo mejorado introduce mecanismos para evitar la convergencia prematura y caer en óptimos locales, una limitación común en muchos métodos metaheurísticos. Esta mejora hace que IMVMO sea más robusto y eficiente para resolver problemas complejos de optimización, garantizando un rendimiento superior en la optimización de diseños de invernaderos”.

En términos de producción total de energía, el diseño propuesto superó sistemáticamente a las cuatro configuraciones convencionales de invernadero con las mismas dimensiones estructurales. En comparación con el diseño tipo parral, logró una ganancia energética del 56,86%. Las ganancias frente a los diseños de dos vertientes iguales y de arco modificado fueron del 25,14% y del 24,60%, respectivamente, mientras que la mejora frente a la configuración de dos vertientes desiguales fue del 6,03%.

Los investigadores señalaron que las paredes desempeñaron un papel significativo en la generación de electricidad con el nuevo diseño, al aportar 7.518,3 kWh, frente a los 5.493,5 kWh del techo. La configuración no optimizada medía 6 m de largo y 4 m de ancho, con una altura máxima de 3 m y un ángulo de inclinación del techo de 50 grados. Tras la optimización, las dimensiones cambiaron a 4 m por 6 m, con una altura máxima de 2,5 m y un ángulo de inclinación del techo de 26 grados. La geometría optimizada aumentó la producción anual de energía un 20,1%.

“Este enfoque de optimización pone de relieve la importancia de la selección estratégica de parámetros para lograr diseños de invernaderos energéticamente eficientes”, concluyó el equipo. “En general, este estudio destaca la posibilidad de que la optimización del diseño mejore significativamente la eficiencia energética de los invernaderos, ofreciendo conocimientos prácticos para integrar soluciones de energía renovable en la agricultura moderna”.

Los investigadores presentaron sus resultados en “Optimizing semi-transparent PV-integrated greenhouse: A novel design for enhanced solar energy harvesting” (Optimización de un invernadero integrado con fotovoltaica semitransparente: un diseño novedoso para mejorar la captación de energía solar), publicado en Energy Reports. El equipo de investigación incluyó científicos de la Universidad de Catar, la Universidad BRAC de Bangladesh y la Universidad Marítima de Shanghái, en China.