Artículo
de revisión
Análisis cienciométrico sobre los
avances, desafíos y perspectivas de los sistemas fotovoltaicos/térmicos (PV/T)
Scientometric Analysis of the Advances, Challenges, and
Perspectives of Photovoltaic/Thermal (PV/T) Systems
Williams Sergio Almanza Quispe[1]
https://orcid.org/0000-0003-0812-7834
Recibido:
15/01/2025
Aceptado:
24/04/2025
Publicado:
06/05/2025
Resumen
El crecimiento demográfico y la urbanización
generaron una mayor demanda energética en todo el mundo, destacando a la
energía solar como una de las principales alternativas sostenibles para
enfrentar este desafío. El objetivo del estudio fue mapear los avances,
desafíos y perspectivas de sistemas fotovoltaico-térmicos (PV/T), mediante un
análisis bibliométrico y de las publicaciones más relevantes de la base de
datos de Scopus. Aplicando criterios de exclusión e inclusión, se procesaron 1077
documentos en Biblioshiny, una interfaz basada en el software R y VosViewer.
Los países con mayor producción y colaboración internacional fueron China,
India e Irán, mientras que la institución más destacada fue la Universidad de
Ciencia y Tecnología de China. La revista más prominente fue Solar Energy
de Reino Unido. Las investigaciones más citadas indican avances en materiales
inorgánicos, orgánicos y nanomateriales para mejorar la eficiencia de
conversión y el rendimiento del sistema. No obstante, persisten desafíos en la
integración económica y técnica de estos sistemas en diversos contextos
climáticas y geográficos. Además, se subraya la importancia de desarrollar
tecnologías híbridas, combinando inteligencia artificial y técnicas de
aprendizaje automático junto a la economía circular para lograr mayor
eficiencia, así como la necesidad de políticas que apoyen la investigación y la
implementación de estos sistemas.
Palabras
clave: energía renovable; desarrollo sostenible; sistema
fotovoltaico térmico.
Abstract
Population growth and urbanization generated a greater
global energy demand, positioning solar energy as one of the main sustainable
alternatives to address this challenge. The aim of this study was to map the
advances, challenges, and perspectives of photovoltaic-thermal (PV/T) systems
through a bibliometric analysis and a review of the most relevant publications
from the Scopus database. Applying predefined inclusion and exclusion criteria,
a total of 1077 documents were processed using Biblioshiny, an R-based
interface, and VosViewer. The countries with the highest scientific production
and international collaboration were China, India, and Iran, with the
University of Science and Technology of China standing out as the most
influential institution. The most prominent journal was Solar Energy, based in
the United Kingdom. The most frequently cited studies highlight significant
advances in inorganic, organic, and nanomaterial-based technologies aimed at
improving conversion efficiency and overall system performance. Nevertheless,
challenges persist regarding the economic and technical integration of these
systems across diverse climatic and geographic contexts. Additionally, the
importance of developing hybrid technologies is emphasized, combining artificial
intelligence and machine learning techniques with circular economy principles
to achieve greater efficiency, along with policies that support research and
large-scale implementation of these systems.
Keywords:
renewable
energy; sustainable development; photovoltaic-thermal system.
1. Introducción
La energía es un recurso fundamental en el
desarrollo humano, económico y social. Su consumo per cápita es un indicador
del nivel de desarrollo de un país; los mayores niveles de consumo se
encuentran en naciones como Estados Unidos, Canadá y algunos países europeos,
mientras que los países en desarrollo y subdesarrollados presentan cifras más
bajas (Tawalare, 2021). Este consumo creciente está impulsado por el aumento de
la población y la mejora de las condiciones económicas, lo que hace de la
energía un factor indispensable para la generación de riqueza y el
mantenimiento de los estándares de vida (Al-Waeli et al., 2017; Pastuszak y
Węgierek, 2022). Las fuentes convencionales de energía han sido, históricamente,
los combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural (Kazemian
et al., 2023; Tawalare, 2021). Estos recursos han sido el motor principal del
desarrollo industrial y económico durante más de un siglo debido a su alta
densidad energética y disponibilidad. Sin embargo, el uso intensivo de
combustibles fósiles ha provocado problemas graves y crecientes. Por un lado,
estos recursos no son renovables y están siendo consumidos a un ritmo mucho
mayor del que pueden ser repuestos naturalmente, lo que lleva al agotamiento de
las reservas disponibles (Madurai Elavarasan et al., 2022). Por otro lado, la
combustión de estos combustibles libera grandes cantidades de dióxido de
carbono (CO2) y otros contaminantes a la atmósfera, contribuyendo
significativamente al cambio climático, el calentamiento global y la
degradación de la capa de ozono (Hasan et al., 2023). Además, los métodos
tradicionales de producción de energía son responsables de la contaminación del
aire y otros peligros ambientales, como derrames de petróleo y desechos tóxicos
(Pastuszak y Węgierek, 2022).
En este escenario, la necesidad de nuevas
fuentes amigables con el medio ambiente se ha vuelto urgente. Las energías
renovables, en particular, han aumentado su atractivo debido a su capacidad
para proporcionar electricidad de forma sostenible y limpia (Hasan et al.,
2023; Kazem et al., 2023). Las energías renovables incluyen la eólica, geotérmica,
hidroeléctrica y solar, todas ellas inagotables y con un impacto ambiental
mucho menor en comparación con los combustibles fósiles (Yazdanifard y Ameri,
2018). La energía solar, en particular, se destaca por su abundancia y
accesibilidad. Cada día, la Tierra recibe una inmensa cantidad de energía del
sol, mucho más de lo que la humanidad consume. Aprovechar esta fuente de
energía de manera eficiente puede resolver muchos de los problemas asociados
con las fuentes de energía convencionales (Tawalare, 2021).
Entre las tecnologías solares, la energía
solar fotovoltaica ha ganado un protagonismo considerable. Esta tecnología
utiliza células fotovoltaicas para convertir la luz solar directamente en
electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. Las celdas fotovoltaicas,
fabricadas principalmente de silicio, generan electricidad cuando los fotones
de la luz solar excitan a los electrones en el material, creando un flujo de
corriente eléctrica (Madurai Elavarasan et al., 2022; Hasan et al., 2023; Shah
et al., 2023). Aunque las celdas fotovoltaicas han mejorado en eficiencia, una
parte significativa de la energía solar recibida se pierde como calor, lo que
puede disminuir la eficiencia eléctrica y reducir la vida útil de las celdas.
Para superar estas limitaciones, se han desarrollado sistemas híbridos
fotovoltaicos-térmicos (PV/T), que combinan la generación de electricidad y
calor, que buscan optimizar el aprovechamiento de la energía solar y mejorar su
eficiencia (Lazaroiu et al., 2023; Oni et al., 2024). De modo que el objetivo
de la investigación fue mapear los avances, desafíos y
perspectivas emergentes en el área temática.
2. Metodología
Los datos fueron recopilados de la base de datos de Scopus, por
considerarse la fuente que registra el mayor número de revistas de impacto a
nivel global. Además, utiliza criterios consistentes para la inducción de
artículos en su índice. De acuerdo a la
temática de estudio se creó la siguiente ecuación de búsqueda avanzada en el
campo Title-Abs-Key, utilizando operadores booleanos And y Or: (("Photovoltaic-Thermal
Systems" OR "PV/T systems") AND ("solar energy" OR
"solar power") AND (efficiency OR performance OR optimization)). Para mayor relevancia del estudio, solo se
consideraron artículos originales y de conferencia que se encontraban en el
idioma inglés. No se aplicaron restricciones temporales.
La información obtenida se exportó al programa Microsoft Excel 2016.
Luego, se empleó por una parte el paquete Biblioshiny, una interfaz web de
Bibliometrix basada en el software R y de acceso abierto para evaluar
cuantitativamente las publicaciones. Por otra parte, para analizar visualmente
y elaborar mapas del conocimiento científico se utilizó el software VOSviewer.
Esta metodología agrupa, procesa y resume grandes cantidades de datos,
proporcionando así a los investigadores información valiosa para la toma de
decisiones y la identificación de áreas de interés (Aria y Cuccurullo, 2017;
van Eck y Waltman, 2010). Además, se
analizaron los resultados científicos anuales, los autores, las revistas,
instituciones y las palabras clave de alta frecuencia en esta área de
investigación. La relación entre las palabras claves, los países que más
contribuyen y las afiliaciones más productivas se resumió mediante un gráfico
de tres campos. También, se identificaron las 10 revistas y artículos más
citados. Así mismo, se evaluaron los indicadores como el factor de impacto
(FI), el número de citas y el índice H. El FI de cada publicación se obtuvo del
indicador SCImago Journal Rank [SJR] 2023. La clasificación en el SJR se basó
en el FI de las revistas en el año, y las revistas se clasificaron en 4
regiones: Q1, Q2, Q3 y Q4, en ese orden: Q1 > Q2 > Q3 > Q4 (Q: Cuartil
en categoría). El estudio no requirió la aprobación del comité de ética, ya que
se trató de un análisis cienciométrico retrospectivo de documentos publicados
previamente.
El área temática Energy concentró el
mayor número de publicaciones, con un total de 762 documentos, lo que evidencia
el claro enfoque energético de esta tecnología híbrida. Le siguen Engineering
(454 publicaciones) y Materials Science (209 publicaciones),
disciplinas que reflejan la importancia del diseño de materiales avanzados y la
optimización de componentes para mejorar la eficiencia y viabilidad de estos
sistemas (Figura 1a). En cuanto a la producción científica anual (Figura 1b),
se aprecia una tendencia ascendente a partir del año 2010, con un incremento
sostenido desde 2017. Este comportamiento refleja una creciente atención de la
comunidad científica hacia los sistemas PV/T, posiblemente motivada por los compromisos
globales de transición energética y mitigación del cambio climático.
Mientras que la Figura 2a visualiza las
relaciones entre los tópicos más recurrentes (izquierda), los países con mayor
producción (centro) y las instituciones académicas líderes (derecha). Donde
China lidera la producción científica, destacando instituciones como la University of Science
and Technology of China, Shanghai University of Electric Power y Southwest
Jiaotong University, que
concentran gran parte de la actividad investigativa. Otros países relevantes
incluyen Malasia, India, Irán, y en menor medida, Estados Unidos, Italia, Reino
Unido y Turquía.
|
Figura 1 Áreas
temáticas y producción científica anual |
|
|
En esa línea, los tópicos más frecuentes,
predominan los términos photovoltaic/thermal, solar energy, efficiency,
nanofluid, thermal efficiency y exergy, lo cual refleja las prioridades investigativas actuales, enfocadas
en la mejora de la eficiencia térmica y eléctrica. Por su parte, el mapa
temático (Figura 2b) clasifica los tópicos en cuatro cuadrantes según su
centralidad y densidad. No se identifican Motor Themes, lo que indica la ausencia de áreas
plenamente consolidadas. En Basic Themes se agrupan conceptos estructurales como solar energy, thermal
efficiency y nanofluid. En Niche Themes destaca photovoltaic thermal
systems,
desarrollado, pero con escasa conexión temática. Finalmente, en Emerging or Declining
Themes se
sitúan tópicos como thermal energy storage y phase change materials, áreas en consolidación o con necesidad de
mayor integración interdisciplinar.
La red de colaboración entre países (Figura
3a) evidencia que China, India, Irán, Malasia y Turquía se posicionan como
nodos centrales en la producción académica. China lidera con amplia ventaja, no
solo en cantidad de publicaciones, sino también como eje articulador de
colaboraciones internacionales. Los
colores en la red reflejan el promedio de año de publicación, observándose que
la mayor intensidad investigativa se ha dado entre 2020 y 2022 (colores entre verde
y rojo), especialmente en las colaboraciones de China con India, Malasia y
Turquía. Otros países como Estados Unidos, Reino Unido, Arabia Saudita y Egipto
participan activamente, aunque con menor centralidad en la red.
El mapa de colaboraciones internacionales
(Figura 3b) confirma esta tendencia, donde los trazos rojos indican relaciones
activas entre países. Las principales conexiones se concentran en el eje
Asia-Asia, seguido de Asia-Oriente Medio y Asia-Europa. El mapa resalta además
la escasa participación de países de América Latina y África Subsahariana. En esa misma dirección la Figura 3c presenta
producción científica por país, China lidera con más de 200 publicaciones,
destacando por su alta proporción de trabajos nacionales (SCP), aunque mantiene
una participación significativa en colaboraciones internacionales (MCP). India
e Irán presentan un equilibrio entre publicaciones nacionales y
multinacionales, reflejando su interés por integrarse en redes globales. En
contraste, países como Reino Unido, Estados Unidos, Canadá, Italia y Australia,
aunque con menor volumen total, exhiben una alta proporción de MCP,
evidenciando su estrategia de participación en proyectos colaborativos
internacionales.
|
Figura 2 Gráfica de tres campos y mapa temático |
|
|
|
Figura 3 Colaboraciones Internacionales y Producción
Científica por países |
|
|
|
Tabla 1 Métricas de 10 revistas más relevantes a nivel
global |
|||||
|
Revistas |
País |
Número de
documentos |
Cuartil |
Índice H |
SJR |
|
Solar Energy |
Reino Unido |
104 |
Q1 |
238 |
1,31 |
|
Renewable Energy |
Reino Unido |
90 |
Q1 |
270 |
2,08 |
|
Energy Conversion
and Management |
Reino Unido |
67 |
Q1 |
274 |
2,66 |
|
Energy |
Reino Unido |
52 |
Q1 |
274 |
2,21 |
|
Applied Thermal
Engineering |
Reino Unido |
50 |
Q1 |
224 |
1,58 |
|
Applied Energy |
Reino Unido |
43 |
Q1 |
323 |
2,90 |
|
Energies |
Suiza |
22 |
Q2 |
175 |
0,71 |
|
Case Studies in
Thermal Engineering |
Reino Unido |
21 |
Q1 |
87 |
1,06 |
|
Sustainable
Energy Technologies and Assessments |
Reino Unido |
20 |
Q1 |
98 |
1,61 |
|
Energy Sources, Part A: Recovery,
Utilization and Environmental Effects |
Estados Unidos |
17 |
Q2 |
71 |
0,54 |
En la Tabla 1, se presenta
las métricas de los 10 documentos más citados. La métrica de citas totales
representa la cantidad de veces que un documento ha sido referenciado por otros
estudios, lo que se interpreta como un indicador de su impacto, vigencia y
capacidad de servir como referencia conceptual o metodológica. En este sentido,
el artículo de Teo et al. (2012), con 738 citas, se posiciona como la
publicación más influyente, indicando su rol fundacional en el desarrollo de
líneas de investigación posteriores. El cuartil (Q) es otro criterio importante,
ya que clasifica a las revistas según su posición relativa en su categoría
temática, basada en métricas como el factor de impacto o el SJR. En este caso,
todas las revistas presentes se encuentran en Q1, lo que denota que los
trabajos más citados se han publicado en medios de alta calidad y prestigio
internacional. Es relevante destacar que, aunque el artículo
de Taylor et al. (2012) en Light: Science and Applications presenta un
menor número de citas (304) en comparación con otros documentos más citados, su
publicación se realizó en una revista con el mayor índice SJR (5,02) de la
lista. Esto evidencia que, más allá del volumen de citas, el prestigio de la
revista donde se publica aporta un valor adicional al reconocimiento y
visibilidad académica del trabajo. Los artículos más antiguos son los más
citados debido al tiempo que han tenido para acumular citas y muchos de ellos
describieron por primera vez las técnicas, teorías y metodologías que siguen
siendo fundamentales. Sin embargo, eso no quiere decir que no existan artículos
recientes de gran relevancia.
|
Tabla 2 Métricas de los
10 documentos más citados a nivel global |
||||||
|
Autores y año |
Revistas |
País |
Citas totales |
Cuartil |
Índice H |
SJR |
|
(Teo et al.,
2012) |
Applied Energy |
Reino Unido |
738 |
Q1 |
323 |
2,90 |
|
(Tripanagnostopoulos
et al., 2002) |
Solar Energy |
Reino Unido |
554 |
Q1 |
238 |
1,31 |
|
(Chow et al.,
2009) |
Applied Energy |
Reino Unido |
512 |
Q1 |
323 |
2,90 |
|
(Kalogirou y
Tripanagnostopoulos, 2006) |
Energy Conversion
and Management |
Reino Unido |
483 |
Q1 |
274 |
2,66 |
|
(Joshi et al., 2009) |
International Journal of Thermal Sciences |
Francia |
330 |
Q1 |
155 |
1,16 |
|
(Khanafer y
Vafai, 2018) |
Renewable Energy |
Reino Unido |
319 |
Q1 |
270 |
2,08 |
|
(Tiwari y Sodha,
2006) |
Solar Energy |
Reino Unido |
316 |
Q1 |
238 |
1,31 |
|
(Sandnes y
Rekstad, 2002) |
Solar Energy |
Reino Unido |
313 |
Q1 |
238 |
1,31 |
|
Light: Science and Applications |
Reino
Unido |
304 |
Q1 |
174 |
5,02 |
|
|
(Tripanagnostopoulos, 2007) |
Solar Energy |
Reino Unido |
290 |
Q1 |
238 |
1,31 |
Las crecientes preocupaciones ambientales a
nivel mundial incentivan la búsqueda de fuentes de energía alternativas y
sostenibles. La generación de energía a partir de recursos renovables progresa
impulsada por la innovación tecnológica y una mayor conciencia ambiental en la
sociedad. En esa línea, las Naciones Unidas en el año 2015 adoptó 17 objetivos de
desarrollo sostenible (ODS). La ODS-7 pretende "Garantizar el acceso a una
energía asequible, segura, sostenible y moderna para todos". Esta
transición hacia energías renovables no solo es esencial para reducir la
dependencia de los recursos fósiles y mitigar los efectos del cambio climático,
sino también para garantizar la seguridad energética a largo plazo (Shin et
al., 2020). La energía no solo impulsa la industria y el transporte, sino que
también mejora la calidad de vida (Kazemian et al., 2023).
Países tanto
desarrollados como en desarrollo están invirtiendo en grandes proyectos
solares, reconociendo la necesidad de una transformación energética para lograr
un futuro sostenible (Hasan et al., 2023; Kazem et al., 2023). Hace
más de 20 años, Brabec (2004) evaluaba la energía fotovoltaica como una de las
tecnologías clave del futuro que abriría aplicaciones y mercados completamente
nuevos. No obstante, los esfuerzos para mejorar la eficiencia de conversión han
sido el eje central de las investigaciones en sistemas fotovoltaicos y, por
extensión, en los sistemas híbridos fotovoltaicos-térmicos (PV/T). Desde
entonces, se han evaluado diferentes materiales inorgánicos (Silicio,
Perovskitas, Telurio de Cadmio, Diseleniuro de Cobre, Indio y Galio), orgánicos
(polímeros conductores y fullerenos en células solares orgánicas) y
nanomateriales (grafeno, nanotubos de carbono y nanopartículas metálicas). Los
porcentajes de eficiencia varían significativamente según el tipo de material,
la tecnología y las condiciones de operación. En tecnologías fotovoltaicas
convencionales, las eficiencias eléctricas alcanzan entre 20-27 % en
laboratorio y 10-22 % en aplicaciones comerciales (Correa-Baena et al., 2017;
Cui, Wang, et al., 2019; Cho et al., 2018; D’Innocenzo et al., 2014; Jeon et
al., 2015; Lin et al., 2019; Meng et al., 2018; Zheng et al., 2022). En
sistemas PV/T, si bien la eficiencia eléctrica puede reducirse ligeramente por
el incremento térmico, la eficiencia combinada puede superar el 60 % en
condiciones controladas (Herrando et al., 2023; Kazem et al., 2022; Ramos et al.,
2017)). Los nanomateriales, por su parte, se utilizan principalmente como
aditivos o recubrimientos para mejorar la absorción de luz, el transporte de
carga y la transferencia térmica, potenciando así el rendimiento global de
estos sistemas (Tyagi y Kumar,
2021).
Así mismo, Tonui y
Tripanagnostopoulos (2007) señalaron que los sistemas fotovoltaicos convierten
solo una pequeña fracción de la radiación solar en electricidad, mientras que
el resto se convierte en calor residual, lo que reduce la eficiencia del
módulo. La tecnología fotovoltaica/térmica (PV/T) recupera parte de este calor
para aplicaciones prácticas, aumentando así la eficiencia total del sistema.
Los principales materiales utilizados en este último sistema, son los
recubrimientos selectivos y nano fluidos con el objetivo de mejorar la transferencia
de calor, pero no tienen un valor de eficiencia aislado específico. Pueden
contribuir a una eficiencia total del sistema, que incluye tanto la energía
eléctrica como la energía térmica producida. Pero lo materiales inorgánicos
mencionados anteriormente también pueden ser utilizados en sistemas PV/T
combinados con tecnologías para la recuperación de calor (Praveen kumar
et al., 2018).
Estas innovaciones
no solo aumentan la eficiencia, sino que también mejoran la durabilidad y la
vida útil de los sistemas. Ndiaye et al. (2013) destacaron que los módulos
fotovoltaicos pueden tener garantías de hasta 25 años. Sin embargo, las averías
que causan la degradación del módulo a menudo no se consideran. La vida útil de
los sistemas fotovoltaicos depende del rendimiento energético y de los
diferentes modos de degradación, siendo la corrosión y la decoloración del
encapsulante los principales problemas. La temperatura y la humedad también
influyen en la degradación. Pero cabe señalar que los usuarios siempre tendrán
en cuenta las cuestiones económicas.
Bandaru et al.
(2021) y Shahee et al. (2024) indican que, a pesar de los avances
tecnológicos, la adopción a gran escala de estos sistemas enfrenta desafíos
económicos, estructurales, técnicos y socioculturales que requieren soluciones
innovadoras. La colaboración entre investigadores y la industria será esencial
para acelerar la transición de estos materiales desde el laboratorio hasta el
mercado. Además, el uso de inteligencia artificial y
técnicas de aprendizaje automático puede facilitar la optimización en tiempo
real de estos sistemas. Algoritmos avanzados pueden predecir patrones de
consumo energético y ajustar el funcionamiento del sistema para maximizar la
eficiencia y reducir costos operativos (Ganesan et al., 2024; Kenfack
et al., 2024; Mateo Romero et al., 2022). También, la exploración de
la economía circular puede promover una transición energética más sostenible
(De Simone, 2024; Rabaia et al., 2024).
4. Conclusiones
La
cienciometría revela un incremento en la producción científica sobre sistemas híbridos
desde 2010, con un pico notable entre 2023 y 2024. Este aumento puede
atribuirse a la creciente concienciación sobre el cambio climático y la
necesidad de energías limpias. El mapa de colaboración internacional evidencia
un fuerte grado de cooperación entre países como China, India e Irán. Estos
países no solo lideran en términos de producción científica, sino que también
muestran redes de colaboración densa, lo que subraya la importancia de las
asociaciones globales en el avance de la tecnología solar.
La
creciente colaboración entre naciones y la formación de redes de investigación
internacional favorecen el intercambio de conocimientos, lo que a su vez
impulsa el desarrollo de innovaciones tecnológicas en el campo.
A pesar de los
avances significativos, persisten desafíos económicos y técnicos que afectan su
adopción a gran escala. La investigación muestra que la integración de
tecnologías avanzadas, como los nanomateriales y los sistemas fotovoltaicos térmicos,
ofrece mejoras en la eficiencia y la vida útil de los módulos, pero la
implementación comercial sigue enfrentando barreras económicas y estructurales.
La colaboración entre investigadores y la industria, junto con la adopción de
inteligencia artificial para la optimización de sistemas y la economía
circular, representa una oportunidad importante para superar estos desafíos.
W. S. Almanza: Conceptualización,
análisis formal, investigación, desarrollo metodológico, curación de datos,
visualización, validación y redacción – revisión y
edición del manuscrito.
Conflictos de interés
No
existen conflictos de interés vinculados a esta investigación.
Al-Waeli, A. H. A., Sopian, K., Kazem, H. A., y Chaichan, M. T. (2017). Photovoltaic/Thermal (PV/T) systems: Status and future prospects. Renewable
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