Las ventanas fotovoltáicas han estado calentando agua en un apartamento de Bucarest durante dos años
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Un proyecto piloto de dos años en Bucarest utiliza ventanas fotovoltaicas semitransparentes para calentar directamente el agua doméstica en corriente continua, convirtiendo un tanque de agua ordinario en un sistema de almacenamiento térmico sin necesidad de inversor solar ni batería.
Por Adrian Băisan, PhotoVoltaic Windows SRL
Para quienes viven en edificios de apartamentos, utilizar energía solar no es tan sencillo como para los propietarios que tienen acceso a sus propios techos.
Millones de residentes de apartamentos no cuentan con un área de techo utilizable propia. En muchos casos, las únicas superficies a su disposición son los balcones, las barandillas y las ventanas.
Los sistemas fotovoltaicos de balcón tipo plug-in se han convertido en una solución importante para este problema. Pero también plantean otra pregunta: ¿qué pasa con la electricidad solar cuando se produce en un momento en que el apartamento no la necesita?
Durante más de dos años, hemos estado probando un enfoque diferente en un apartamento real en Bucarest, Rumanía.
En lugar de suministrar la electricidad fotovoltaica a la instalación eléctrica del apartamento, las ventanas fotovoltaicas semitransparentes suministran directamente un calentador de agua eléctrico convencional en corriente continua.
La idea es sencilla: utilizar el propio calentador de agua como almacenamiento de energía.
La electricidad solar producida a lo largo de varias horas durante el día se convierte directamente en calor y se almacena como agua caliente para su uso posterior.
No existe batería fotovoltaica ni inversor solar entre los acristalamientos fotovoltaicos y el elemento calefactor. El lado fotovoltaico funciona fuera de la red eléctrica y no inyecta electricidad a la red pública.
Cuando la energía solar es insuficiente, el controlador conecta el mismo calentador de agua a la red eléctrica convencional después del atardecer para que pueda alcanzar el punto de ajuste del termostato.
Dos años de funcionamiento real en un hogar
El sistema está instalado en un balcón acristalado orientado al sur en Bucarest.
El acristalamiento fotovoltaico tiene una capacidad nominal instalada de aproximadamente 845 Wp y suministra agua caliente para un hogar de cuatro personas, con uso diario de agua caliente, incluyendo una ducha por persona al día.
La documentación del proyecto anterior indicaba una capacidad nominal de 683 Wp, basada en la hoja de datos del fabricante de 2021 disponible cuando se solicitó el acristalamiento en 2022. El fabricante ha confirmado desde entonces que el acristalamiento entregado corresponde a modelos más recientes y de mayor potencia. Al volver a calcular la misma configuración de 11 ventanas con la hoja de datos actual, se obtiene aproximadamente 845 Wp. Esta corrección modifica la clasificación nominal STC, pero no afecta la energía medida suministrada al calentador de agua ni la cobertura de agua caliente indicada a continuación.
Hemos monitoreado el sistema durante dos períodos consecutivos de octubre a septiembre.
Durante 2023–2024, las ventanas fotovoltaicas suministraron 446 kWh al calentador de agua y cubrieron el 46,7% de la demanda energética para agua caliente sanitaria del hogar.
Durante 2024–2025, suministraron 462 kWh y cubrieron el 43,7% de la demanda energética para agua caliente sanitaria.
En ambos períodos, la familia estuvo fuera durante aproximadamente un mes, lo que significa que cada período de medición de octubre a septiembre representa en realidad unos 11 meses de uso real en el hogar.
Estos resultados son importantes porque el objetivo del sistema no es obtener la máxima producción fotovoltaica instantánea. El objetivo es utilizar tanta energía solar disponible como sea posible dentro del apartamento.
La potencia nominal corregida de la placa de las placas fotovoltaicas tampoco afecta los análisis separados de ahorro de agua y refrigeración que se presentan más adelante en este artículo: el cálculo del consumo de agua se basa en el caudal medido y el tiempo de espera, mientras que el modelo de refrigeración se basa en el área de acristalamiento y las características de ganancia de calor solar, y no en la potencia eléctrica nominal de las placas fotovoltaicas.
El problema del autoconsumo solar en balcones
La Umweltbundesamt de Alemania, o UBA —la Agencia Ambiental Alemana, la autoridad federal ambiental de Alemania— ofrece un punto de referencia interesante.
Para un sistema fotovoltaico de 800 W montado verticalmente y orientado al sur en un balcón, la UBA estima una producción anual de aproximadamente 532 kWh. También calcula que, sin batería, alrededor de 240 kWh al año —aproximadamente el 45%— pueden consumirse directamente en el apartamento.
La razón es fácil de entender.
Un sistema fotovoltaico convencional con conexión externa suministra la cantidad de energía eléctrica que se necesita en el momento en que el sol está generando electricidad.
Si el sistema fotovoltaico produce 500 W mientras el apartamento solo consume 150 W, la familia no puede utilizar los 500 W al mismo tiempo, a menos que se active otra carga, se almacene energía o se exporte el excedente.
Nuestro enfoque cambia esta relación.
En lugar de intentar que la generación solar se adapte a la demanda eléctrica instantánea del apartamento, lo conectamos a una carga que puede absorber energía a lo largo del tiempo.
Un calentador de agua funciona, en efecto, como una batería térmica.
Puede recibir 100 W, 300 W o 500 W durante varias horas, acumular esa energía en forma de calor y proporcionar agua caliente almacenada más tarde ese día.
Esto permite que la producción solar y su uso real tengan lugar en momentos diferentes, sin necesidad de una batería electroquímica.
Por qué las ventanas fotovoltaicas son eléctricamente diferentes de los dos paneles convencionales para balcones
Hay otra parte importante del concepto que es fácil pasar por alto.
El sistema funciona especialmente bien no solo porque los paneles fotovoltaicos están conectados a un calentador de agua, sino porque el acristalamiento fotovoltaico puede ser una opción eléctrica mucho más adecuada para la calefacción de agua en corriente continua que un sistema fotovoltaico típico de uno o dos paneles para balcones.
Un calentador de agua eléctrico cuenta con un elemento calefactor resistivo fijo.
Tomemos como ejemplo un calentador de agua estándar de 3 kW y 230 V. El mismo principio eléctrico se aplica a los calentadores de agua con otras potencias nominales; el valor de 3 kW se utiliza aquí únicamente como ejemplo claro para la comparación.
Si los módulos fotovoltaicos se conectan directamente a esa resistencia de calefacción, sin un inversor ni un convertidor DC/DC MPPT activo, el punto de operación depende de la relación entre el voltaje del array fotovoltaico y la resistencia del elemento calefactor.
Esto significa que la potencia indicada en el módulo fotovoltaico no es automáticamente la potencia que llega al calentador.
Considérese dos módulos fotovoltaicos convencionales modernos con una capacidad nominal combinada de aproximadamente 800 Wp.
Con las características de los módulos utilizadas en nuestra comparación, al conectar esos dos módulos directamente al elemento calefactor de un calentador de agua de 3 kW y 230 V, la potencia transferida máxima es solo de alrededor de 300 W, a pesar de la capacidad nominal de aproximadamente 800 Wp del par.
La cifra exacta depende de las características de corriente-tensión de los módulos, pero el problema subyacente sigue siendo el mismo: dos módulos convencionales funcionan a una tensión continua relativamente baja en comparación con la tensión necesaria para lograr una buena compatibilidad con la resistencia de un calentador de agua convencional de 230 V.
Por lo tanto, su capacidad nominal de 800 W no puede utilizarse de manera eficiente simplemente conectándolos directamente al elemento calefactor.
Nuestra instalación de ventanas fotovoltaicas se comporta de manera diferente.
Aunque la capacidad nominal instalada corregida es aproximadamente de 845 Wp, hemos medido un pico de 499 W entregados directamente al calentador de agua.
Esto no significa que el vidrio fotovoltaico sea intrínsecamente más eficiente que los módulos convencionales de silicio cristalino. Significa que la configuración eléctrica está mejor adaptada a la carga.
En lugar de uno o dos módulos de potencia relativamente alta que operan a baja tensión y alta corriente, el acristalamiento fotovoltaico ofrece un mayor número de elementos generadores de menor potencia.
Estos pueden conectarse eléctricamente de modo que el conjunto alcance una tensión continua mucho más útil, mientras la potencia total instalada se mantiene moderada.
Potencia moderada + tensión continua adecuada + calefacción resistiva + almacenamiento térmico.
Esa combinación se adapta especialmente bien a un elemento de calefacción de agua resistivo.
Por qué un MPPT activo no es esencial aquí
Un convertidor MPPT activo podría aumentar la potencia instantánea transferida al calentador bajo ciertas condiciones de irradiación, manteniendo la matriz fotovoltaica más cerca de su punto de máxima potencia exacto.
No obstante, el aumento en la potencia instantánea no se traduciría de manera directa en más energía útil anual. El tanque de agua tiene una capacidad térmica finita, y una vez que se alcanza el punto de ajuste del termostato, el calentador deja de recibir energía. Por lo tanto, la potencia adicional durante el mediodía puede hacer que el tanque alcance su temperatura de corte antes, en lugar de aumentar proporcionalmente el autoconsumo anual.
En nuestra configuración, el array fotovoltáico y la resistencia de calefacción ya están suficientemente bien adaptados entre sí, por lo que no es necesario contar con una etapa MPPT activa para alcanzar el objetivo del diseño. Cualquier ganancia adicional útil también debe sopesarse en relación con el consumo propio del convertidor, las pérdidas de conversión, el costo adicional y la complejidad añadida.
La potencia máxima medida de 499 W en un sistema fotovoltáico con ventana de aproximadamente 845 Wp demuestra que ya es posible transferir energía útil directamente al calentador con una arquitectura muy simple.
Esto es diferente del ejemplo de los dos paneles convencionales. Con dos módulos convencionales que suman alrededor de 800 Wp, la peor compatibilidad en voltaje con un elemento calefactor de 3 kW/230 V hace que la conversión activa de energía sea mucho más importante si el objetivo es obtener una potencia cercana a la potencia fotovoltáica disponible de los módulos.
Otra opción es conectar varios módulos convencionales en serie para aumentar la tensión del array.
Pero una vez instalados varios módulos fotovoltaicos convencionales de alta potencia, la potencia total disponible se vuelve mucho mayor. En ese caso, utilizar un inversor y alimentar múltiples cargas eléctricas domésticas suele ser más sensato que dedicar todo el array a un solo calentador de agua.
Por eso consideramos que los acristalamientos fotovoltaicos y la calefacción por corriente continua directa constituyen una combinación especialmente adecuada.
Ventanas fotovoltaicas → corriente continua directa → elemento calefactor → agua caliente almacenada.
Esto no es un argumento en contra de los sistemas fotovoltaicos convencionales para balcones
Los sistemas fotovoltaicos convencionales para balcones son una solución excelente y han ayudado a que la generación solar esté al alcance de quienes no poseen techo.
Tampoco estamos diciendo que los módulos convencionales no puedan utilizarse para la calefacción por corriente continua directa. Pueden hacerlo.
Con suficientes módulos en serie, una resistencia de calefacción adecuadamente seleccionada o electrónica de potencia DC/DC activa, los módulos convencionales también pueden calentar agua de manera eficiente.
La diferencia es que un sistema típico para balcones, compuesto por uno o dos módulos convencionales de alta potencia, no está naturalmente adaptado a un elemento calentador de agua estándar de 230 V.
Los acristalamientos fotovoltaicos ocupan un nicho eléctrico diferente.
Una fachada o balcón puede contener varios elementos de acristalamiento fotovoltaico, proporcionando el voltaje necesario para la calefacción directa sin crear simultáneamente un array fotovoltaico de varios kilovatios.
Esto hace que el concepto sea especialmente interesante para los apartamentos.
Almacenar energía en agua en lugar de en una batería
El tanque de agua también cambia la forma en que debemos pensar sobre el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.
Con un sistema eléctrico convencional, los usuarios suelen centrarse en alcanzar la mayor potencia instantánea posible.
En el caso del calentamiento de agua solar directo, eso no es necesariamente deseable.
Si un gran conjunto fotovoltaico calienta por completo el tanque al mediodía, la energía producida posteriormente ya no puede ser utilizada por esa carga específica.
Un sistema fotovoltaico más moderado, en cambio, puede suministrar energía durante muchas horas; el calentador acumula lentamente esa energía.
Por lo tanto, la cantidad importante no es solo el pico de vatios, sino también los kilovatios-hora útiles almacenados durante el día.
Los resultados de Bucarest ilustran esto: el sistema de ventana fotovoltaica de aproximadamente 845 Wp, con un pico medido de 499 W en el calentador, suministró 446 kWh en el primer período de monitoreo y 462 kWh en el segundo.
Eso fue suficiente para cubrir el 46,7% y el 43,7%, respectivamente, de las necesidades energéticas de agua caliente sanitaria de un hogar de cuatro personas.
También hay una ventaja en cuanto al ahorro de agua
El experimento reveló además otra ventaja que tiene poco que ver con la eficiencia fotovoltaica.
Antes de utilizar el calentador de agua local, el apartamento dependía del agua caliente sanitaria suministrada centralmente.
Como ocurre en muchos edificios de apartamentos, los residentes tenían que dejar correr el agua mientras esperaban a que llegara agua lo suficientemente caliente al ducha.
En nuestro estudio de caso en Bucarest, una medición mostró un caudal de ducha de 6,7 litros por minuto y aproximadamente cinco minutos para alcanzar unos 43°C a finales de septiembre.
Sobre la base de esta medición y los períodos de espera extrapolados según las estaciones, que son de aproximadamente cinco a ocho minutos, el modelo de estudio estimó unos 62,1 metros cúbicos de agua por año que fluye durante esos períodos para un hogar de cuatro personas que toman una ducha cada uno al día.
Este no es un valor universal. Los tiempos de espera varían considerablemente según el edificio, la longitud de las tuberías, el sistema de circulación y las condiciones operativas.
Pero el mecanismo es universal.
Si el agua caliente se genera localmente y se almacena a poca distancia de la ducha, el tiempo de espera puede volverse prácticamente insignificante.
En nuestro caso, el calentador de agua local de 80 litros ofrece, por lo tanto, una ventaja adicional a la energía solar: reduce sustancialmente el agua desperdiciada mientras se espera la llegada del agua caliente centralizada.
Los acristalamientos fotovoltaicos también sirven como protección solar
Las ventanas fotovoltaicas tienen otra característica que los módulos PV opacos convencionales no poseen cuando se instalan simplemente en un balcón.
Se convierten en parte del revestimiento del edificio.
El mismo vidrio que genera electricidad también reduce la radiación solar que entra al apartamento.
Hemos modelado por separado este efecto para el apartamento de Bucarest.
La fachada acristalada orientada al sur cuenta con aproximadamente 12,9 m² de vidrio, incluyendo 7,92 m² de vidrio fotovoltaico semitransparente.
Bajo las suposiciones utilizadas en el estudio, reemplazar el vidrio transparente convencional por el vidrio fotovoltaico reduce la ganancia de calor solar a través de toda la fachada acristalada en aproximadamente un 40%.
Para el apartamento específico y las suposiciones sobre el funcionamiento del aire acondicionado utilizadas en el modelo, esto corresponde a una reducción estimada en el consumo de electricidad para refrigeración de aproximadamente 433–481 kWh por verano, con un valor central de unos 457 kWh.
Estas cifras son estimaciones calculadas, no ahorros reales medidos en el uso del aire acondicionado. La distinción es importante.
No obstante, el cálculo ilustra una característica clave de las fotovoltáicas integradas en edificios.
Los acristalamientos pueden generar electricidad y reducir al mismo tiempo la carga de refrigeración.
En los apartamentos con grandes áreas acristaladas orientadas al sur, este o oeste y que sufren un sobrecalentamiento significativo en verano, este beneficio secundario puede ser especialmente relevante.
Las ventanas y las barandillas son superficies que los residentes de los apartamentos pueden utilizar realmente
El techo no es el único lugar donde un edificio recibe radiación solar. Las fachadas de los apartamentos también la reciben.
Los acristalamientos fotovoltaicos pueden integrarse en secciones fijas de ventanas, cerramientos de balcones o barandillas acristaladas.
Por lo tanto, se aprovechan superficies que ya tienen una función arquitectónica.
Esto no significa que los acristalamientos fotovoltaicos sean adecuados para todas las fachadas. Se deben considerar la orientación, la sombreado, la transparencia, el aspecto arquitectónico y los costos económicos.
Pero en los apartamentos con grandes superficies acristaladas expuestas al sol, la fachada puede convertirse en una superficie productora de energía sin necesidad de acceder al techo.
Y cuando esa electricidad se utiliza localmente para el agua caliente sanitaria, el sistema no necesita depender del consumo eléctrico simultáneo de la vivienda.
Mantener una arquitectura sencilla
Uno de los objetivos de nuestro proyecto piloto fue evitar componentes innecesarios.
En el lado fotovoltaico no hay batería ni inversor solar. La electricidad fotovoltaica se utiliza directamente en corriente continua por medio de un elemento calefactor resistivo.
Cuando la energía solar es insuficiente, el controlador cambia automáticamente al calentador a la red de corriente alterna después del atardecer para que pueda alcanzar la temperatura establecida por el termostato de la caldera.
El concepto de conmutación automática entre el suministro de red DC fotovoltaico y el de CA también ha sido incluido en una solicitud de patente rumana publicada por la Oficina Estatal Rumana de Invenciones y Marcas.
Pero la parte más importante del concepto es más sencilla que el sistema de conmutación en sí.
Se trata de la combinación de un generador fotovoltaico integrado en la fachada con características eléctricas DC adecuadas, una carga resistiva sencilla y un sistema de almacenamiento térmico económico que las familias ya necesitan a diario.
Los apartamentos deberían formar parte de la transición solar
La mayoría de las discusiones sobre los sistemas fotovoltaicos residenciales aún comienzan por el techo.
Eso funciona bien para las casas independientes. Pero para millones de personas que viven en edificios de apartamentos, no resuelve el problema.
Los balcones solares ya han demostrado que los residentes de apartamentos desean tener acceso a su propia generación renovable de energía.
La siguiente pregunta es cómo se puede utilizar de la manera más eficaz la limitada superficie solar a su disposición.
Nuestro proyecto piloto en Bucarest sugiere un enfoque posible.
Durante dos períodos de medición consecutivos, las ventanas fotovoltaicas suministraron 446 kWh y 462 kWh directamente al agua caliente sanitaria, cubriendo el 46,7% y el 43,7% de la demanda energética de agua caliente del hogar.
El hogar está formado por cuatro personas que utilizan agua caliente a diario.
La misma instalación también proporciona sombreado solar, mientras que la producción local de agua caliente puede reducir las pérdidas de agua asociadas a la espera del agua caliente centralizada.
Lo más importante es que el sistema demuestra que la electricidad fotovoltaica no siempre tiene que ser convertida a corriente alterna, almacenada en una batería o exportada a la red antes de ser útil.
A veces, el sistema de almacenamiento más eficaz ya se encuentra dentro del apartamento.
Se trata de un tanque de agua.
Y en el caso de los acristalamientos fotovoltaicos, la combinación de una mayor tensión continua útil, potencia moderada y almacenamiento térmico puede hacer que la corriente continua directa sea una de las formas más naturales de utilizar la electricidad que generan.
El kilovatio-hora solar más valioso podría no ser el producido por el sistema más grande; podría ser el generado en el balcón, almacenado como agua caliente y utilizado por la misma familia unas horas después.
Las mediciones mensuales y los cálculos detallados de apoyo están disponibles por solicitud del autor.