| Fotovoltaico |
Integrazione del fotovoltaico in architettura (parte 2)
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Arch. Lavinia Chiara Tagliabue
Materiali per celle fotovoltaiche
Per quanto riguarda il tipo di materiale utilizzato per la realizzazione delle celle fotovoltaiche, quello più comunemente diffuso è il silicio, sebbene vengano impiegati anche altri materiali quali, per esempio, l’arseniuro di gallio (GaAs), il telluriuro di cadmio (CdTe), il diseleniuro di indio e rame (CulnSe2), soprattutto per la realizzazione dei film sottili, che si differenziano sostanzialmente per il processo di produzione e di drogaggio. Sono in via di sperimentazione, inoltre, celle in plastica, con rendimento per il momento piuttosto limitato, ma che se migliorate risulterebbero competitive dal punto di vista economico.
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  Per quanto riguarda il tipo di materiale utilizzato per la realizzazione delle celle fotovoltaiche, quello più comunemente diffuso è il silicio, sebbene vengano impiegati anche altri materiali quali, per esempio, l’arseniuro di gallio (GaAs), il telluriuro di cadmio (CdTe), il diseleniuro di indio e rame (CulnSe2), soprattutto per la realizzazione dei film sottili, che si differenziano sostanzialmente per il processo di produzione e di drogaggio. Sono in via di sperimentazione, inoltre, celle in plastica, con rendimento per il momento piuttosto limitato, ma che se migliorate risulterebbero competitive dal punto di vista economico.
I moduli presenti sul mercato impiegati in edilizia sono composti principalmente da celle in silicio monocristallino, policristallino e amorfo.
Dal punto di vista costruttivo la differenza maggiore è ravvisabile tra le celle in silicio cristallino ed amorfo. Per quanto riguarda il primo settore, le celle in silicio monocristallino sono ricavate da un unico cristallo, mentre quelle in silicio policristallino provengono da un lingotto ricavato dalla solidificazione della massa fusa di silicio in un crogiolo di forma parallelepipeda.
La differenza tra i due tipi di celle, oltre all’aspetto estetico, è il diverso rendimento di conversione della radiazione solare e, dunque, di produttività elettrica: le prime hanno un'efficienza che può arrivare fino 20% (solitamente si attesta intorno al 15%), mentre le seconde raggiungono un'efficienza di circa uno o due punti percentuali inferiore.
Le celle in silicio amorfo, invece, vengono prodotte per deposizione di vapori di silicio su un opportuno substrato, sottovuoto o in atmosfera controllata. Questa tecnologia consente di utilizzare una quota molto minore di materiale rispetto al silicio cristallino e di realizzare dunque celle che sono chiamate a “film sottile”. È sufficiente, infatti, uno strato di pochi micron per riprodurre il fenomeno della conversione fotovoltaica; il rendimento medio stabilizzato, tuttavia, risulta decisamente inferiore, intorno al 6 - 9%. Bisogna sottolineare come il silicio amorfo sia soggetto ad un effetto di deterioramento prestazionale nei primi mesi d’esposizione alla radiazione (effetto Staebler-Wronsky) stabilizzandosi successivamente e, tuttavia, comportando una riduzione dell’efficienza di conversione iniziale che può raggiungere il 30 - 40%. In fase di operatività il pannello raggiunge elevate temperature (anche 40-45°C più alte della temperatura ambientale) che comportano un trascurabile decremento della prestazione di conversione fotoelettrica. Sul lungo periodo, tuttavia, si verifica un effetto di rigenerazione dell’efficienza dei moduli al silicio amorfo documentato da dati sperimentali.
Un’ulteriore osservazione riguarda la realizzazione delle celle a film sottile. Tale processo richiede un minor consumo di risorse energetiche rispetto a quello necessario per la produzione dei wafer in silicio cristallino comportando un costo ridotto, a livello economico ed energetico, delle celle amorfe rispetto alle celle cristalline per le quali, tuttavia, a parità di potenza, il paragone risulta in ogni caso favorevole. Questo è conseguenza, come già detto, della minor quantità di materiale occorrente; il rapporto tra il materiale necessario per le celle in silicio amorfo rispetto a quello necessario per le celle in silicio cristallino è di 1 a 150 - 200 a favore del primo, in ragione anche del fatto che i processi di produzione di wafer in silicio cristallino patiscono il problema degli scarti di prodotto, con conseguente innalzamento dei costi del prodotto finito. Inoltre, la temperatura necessaria ai processi produttivi del silicio amorfo è intorno ai 300°C, molto inferiore rispetto ai 900 - 1000°C necessari per la produzione del silicio cristallino.
A livello sperimentale esistono anche altri materiali e tecnologie per la fabbricazione delle celle, che non trovano ancora sbocco sul mercato edilizio in quanto non ancora totalmente affidabili o poiché la produzione risulta estremamente costosa.
Fino ad oggi il silicio, utilizzato in sottili lastre di cristallo come nel caso del silicio monocristallino o policristallino, o deposto con particolari procedimenti come nel caso del silicio amorfo, ha dimostrato stabilità, efficienza, affidabilità nel tempo e costi di produzione che lo hanno reso preferibile rispetto agli altri materiali per la conversione fotoelettrica.
Sono in ogni caso sotto studio e sperimentazione anche componenti realizzati con altri materiali con caratteristiche fotoelettriche che prevedono processi produttivi per la realizzazione di film sottili: deposizione sotto vuoto per strati e trattamenti termici per il diseleniuro di indio e rame (CIS – Copper Indium Selenite) o anche con l’aggiunta di gallio (CIGS – con redimenti di laboratorio che possono arrivare fino al 18%), serigrafia e elettrodeposizione per il telluriuro di cadmio (CdTe), oppure ancora celle a eterogiunzione per il solfuro di rame (Cu2S) e il solfuro di cadmio (CdS).
Per quanto riguarda sempre i film sottili, gli strati policristallini di arseniuro di gallio (GaAs) e di arseniuro di gallio e alluminio (GaAlAs), per il momento ancora non competitivi per il settore edile a causa dei costi elevati, hanno tuttavia una grande affidabilità ed un alto potere di conversione (efficienza teorica di celle a giunzione singola del 30%, come il silicio monocristallino, migliorabile con celle multigiunzione).
Composizione del sandwich fotovoltaico, vincoli e opportunità
La stratificazione dei moduli fotovoltaici al silicio cristallino, comunemente diffusi sul mercato, prevede diversi strati di materiali sovrapposti a formare un sandwich che comporta, sul lato esposto al sole, una lastra di vetro ad altissima trasparenza e temprata, per garantire il massimo passaggio della radiazione solare ed un’ottima resistenza meccanica; successivamente viene posto un foglio di sigillante (EVA), le celle fotovoltaiche con i contatti elettrici, un altro foglio sigillante (EVA) ed un supporto posteriore che può essere anch’esso in vetro o di materiale polimerico leggero con buone capacità isolanti (come ad esempio il Tedlar®).
A volte gli strati esterni sono entrambi costituiti da lastre in materiale polimerico e il pannello può essere inserito o meno in un telaio con profili in alluminio estruso, che fungono da cornice di irrigidimento del pannello.
Differente è invece il caso delle celle al silicio amorfo, in cui il materiale viene depositato su diversi substrati: rigidi (ad esempio vetro) o flessibili (ad esempio lamine sottili anche trasparenti) senza la necessità del sigillante.
Le celle così ottenute possono anch’esse essere inserite in un sandwich come illustrato per i moduli in silicio cristallino oppure vengono laminate con materiali polimerici rigidi o flessibili come guaine (ad esempio Tefzel®, Sarnafil®).
A prescindere dalla natura delle celle, il tipo di assemblaggio del modulo risulta particolarmente importante poiché i materiali impiegati determinano il peso del componente, il campo di utilizzo e la sostituibilità nell’involucro edilizio di altri materiali, la resistenza agli agenti atmosferici, il comportamento termico, acustico e meccanico.
Le stratificazioni possibili, dunque, sono:
- moduli vetro-vetro (semitrasparenti);
- moduli vetro-Tedlar® (opachi);
- moduli flessibili a guaina (opachi o semitrasparenti).
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In base al substrato e alla disposizione delle celle è possibile ottenere pannelli opachi o semitrasparenti.
La trasparenza nei moduli fotovoltaici può essere ottenuta utilizzando superfici di chiusura trasparenti e distanziando opportunamente le celle tra loro. Grazie all’evoluzione dei sistemi di produzione, alcune case costruttrici di moduli sono in grado di offrire al progettista la possibilità di disegnare personalmente la disposizione delle celle, consentendo la realizzazione di un componente custom versatile, capace di adattarsi alle differenti esigenze progettuali.
Altre tipologie di moduli prevedono, oltre alla trasparenza degli strati anteriore e posteriore, una particolare lavorazione della superficie delle celle che, fresate in modo da creare dei microfori, che consentono il passaggio della luce. Nei moduli opachi, più semplici e meno costosi, le celle, di tipo standard, risultano più ravvicinate ed il substrato posteriore è opaco, generalmente in Tedlar®.
Sono disponibili sul mercato numerose tipologie costruttive, con moduli di dimensioni differenti utilizzabili per vari scopi: si passa, infatti, da piccoli moduli con lato nell’ordine di qualche decina di centimetri a moduli di più di 2 metri quadrati, in modo tale da permetterne un ampio e flessibile impiego in ambito architettonico.
Con particolare riferimento ai moduli vetro-vetro o vetro-Tedlar®, si sottolinea come le loro caratteristiche di stabilità meccanica, di resistenza agli agenti atmosferici e alle temperature operative (da -50° a +90°), di sicurezza dal punto di vista elettrico, li abbiano resi perfettamente integrabili in sistemi di tamponamento, come ad esempio nelle facciate continue.
A questi tipi di facciate, ormai impiegate da anni in edilizia e, quindi, affidabili dal punto di vista prestazionale e caratterizzate da pratiche costruttive standardizzate, è possibile sostituire la chiusura in vetro con i moduli fotovoltaici opachi o semitrasparenti, utilizzando le stesse procedure d’installazione. Rispetto agli elementi di tamponamento tradizionali, per i pannelli fotovoltaici è necessario prevedere l’alloggiamento dei cavi e dei cablaggi elettrici in apposite sedi. Ad esempio, alcune ditte produttrici di facciate continue hanno studiato sistemi che prevedono l’inserimento dei collegamenti elettrici all’interno dei montanti strutturali.
Nel settore edilizio i moduli fotovoltaici vengono utilizzati per altri impieghi oltre a quello di tamponamento opaco in facciata o in copertura. Sono utilizzati, ad esempio come protezione solare mediante il loro inserimento in elementi parasole o, nel caso di moduli semitrasparenti, possono fungere da elementi finestrati che filtrano la luce solare (aperture, lucernari, facciate).
Terminologia dell’integrazione fotovoltaica
È doveroso specificare che spesso il termine “integrazione” viene impropriamente utilizzato per indicare un qualsiasi tipo d’installazione dei componenti fotovoltaici nell’involucro edilizio, mentre, nella trattazione generale, sarebbe più opportuno parlare di rapporto del fotovoltaico con l’involucro edilizio. Sono possibili, infatti, diverse modalità di interazione tra i due sistemi e di applicazione del componente tra cui l’integrazione compare come una delle possibili varianti.
La stessa differenza è riscontrabile negli acronimi inglesi PVIB (photovoltaics in building) e BIPV (building-integrated photovoltaics) utilizzati nella letteratura di settore, per indicare il diverso rapporto esistente tra generatore fotovoltaico ed edificio:
- PVIB - photovoltaics in building: si riferisce a tutti i possibili ancoraggi del fotovoltaico all’edificio, sia in interventi di retrofit su edifici esistenti o su superfici di nuove costruzioni. In generale questi interventi non presuppongono la rispondenza dei moduli fotovoltaici ai requisiti tecnologici richiesti ai materiali tradizionali costituenti l’involucro edilizio. I moduli vengono fissati con diverse modalità alla costruzione e svolgono principalmente la funzione energetica o di elementi accessori.
- BIPV - building-integrated photovoltaics: si riferisce all’effettiva integrazione del fotovoltaico nell’edificio, più spesso di nuova realizzazione, in cui il fotovoltaico ha una seconda funzione come parte dell’edificio stesso, ovvero come componente di involucro che deve poter svolgere le stesse funzioni tecnologiche con risultati assimilabili a quelli dei normali materiali costruttivi.
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Prestazione termica di involucro ottenibile
L’impiego dei moduli fotovoltaici come tamponamento esterno degli edifici comporta la necessità di valutare le effettive prestazioni di isolamento termico ottenibili per mezzo del componente installato in quanto, a fronte di obiettivi di risparmio energetico nel comparto edilizio, deve essere soddisfatto il requisito del contenimento delle dispersioni termiche per trasmissione.
Risulta determinante, infatti, che l’inserimento di dispositivi di generazione energetica nelle costruzioni, venga realizzato in modo tale da garantire caratteristiche fisiche e termiche atte alla riduzione del fabbisogno di energia di gestione, al fine di poter abbinare correttamente tecnologie impiantistiche per l’uso delle fonti rinnovabili (ad esempio: pompa di calore per la climatizzazione invernale ed estiva – sistemi fotovoltaici per la produzione elettrica necessaria al funzionamento di tali dispositivi).
La determinazione delle caratteristiche termiche dei moduli fotovoltaici è legata alla stratificazione del pannello ed alla conducibilità dei materiali utilizzati. L’installazione dei moduli fotovoltaici come elemento della parete esterna non comporta particolari problematiche, in quanto la limitata resistenza termica è in ogni caso aggiunta a pacchetti tecnologici che delegano la funzione di coibentazione ad altri materiali presenti nella stratificazione di parete.
I casi in cui deve essere valutata nel dettaglio la prestazione termica del fotovoltaico sono, soprattutto, quelli che prevedono l’impiego di moduli semitrasparenti nel ruolo di chiusura esterna di involucro, realizzata tramite sistemi di fissaggio solitamente metallici, che possono essere assimilati a serramenti (anche a taglio termico) nel caso di strutture di fissaggio a curtain wall, utilizzate per facciate, atri vetrati, etc.
Nel caso di soluzioni che prevedono la ventilazione dei moduli e, dunque, la presenza di un’intercapedine per la realizzazione di una facciata fredda trasparente, tuttavia, non risulta significativo l’apporto della resistenza termica dei componenti fotovoltaici e deve essere considerata piuttosto la trasmittanza dello strato interno per il soddisfacimento del requisito di termoisolamento.
Nel caso delle doppie pelli con strato esterno fotovoltaico (generalmente semitrasparente) sono rilevabili alcuni vantaggi in periodo invernale con una riduzione delle dispersioni termiche per mezzo della creazione di uno spazio tampone tra interno ed esterno.
In ogni caso, per il calcolo della resistenza termica del fotovoltaico come tamponamento d’involucro, si ritiene rilevante solo il caso delle facciate calde o assimilabili, ovvero dotate di una intercapedine d’aria ferma. Come è noto le porzioni vetrate dell’involucro edilizio sono soggette alla maggior quota di dispersioni termiche e per questo motivo non risulta consigliabile la realizzazione di ampie superfici trasparenti in zone climatiche caratterizzate da inverni rigidi.
Per una valutazione delle prescrizioni relative ai valori di trasmittanza e della compatibilità di installazione dei moduli in sostituzione delle chiusure trasparenti si riporta una tabella riassuntiva dei valori definiti dal Decreto Legislativo 19 agosto 2005 n. 192 “Attuazione della direttiva 2002/91/CE relativa al rendimento energetico nell’edilizia” e sui successivi aggiornamenti (D. Lgs 311/06, DPR 59/09). Vengono definiti i valori di trasmittanza limite per l’involucro edilizio in relazione alla zona climatica del sito derivante dal numero di gradi giorno per il riscaldamento.
I valori prescritti vanno da 5,5 – 5,0 W/m2K a 2,4 - 2,2 W/m2K; si riportano a titolo esemplificativo, i dati per tre località rappresentative della variabilità delle condizioni climatiche del territorio nazionale.
La prestazione di isolamento termico derivante dall’uso del fotovoltaico è assimilabile a quella di un vetro singolo da 6 mm (U = 5,7 W/m2K). I valori di conducibilità dei materiali del sandwich sono:
- vetro: λ = 1,16 W/mK
- tedlar: λ = 0,18 W/mK
Le stratificazioni prevedono spessori di 3 - 4 mm per ogni strato con risultati appunto pari a 5,7 – 6 W/m2K di trasmittanza termica per vetro-vetro (4 mm + 4 mm) o vetro-tedlar. Tale valore risulta inferiore anche al limite minimo previsto dalla norma per zone con gradi giorno inferiori a 600 (U = 5,5 – 5 W/m2K).
Risulta, dunque, evidente la necessità di stratificazioni a vetrocamera che prevedono solitamente l’introduzione del fotovoltaico come barriera esterna. In questo modo il pacchetto assicura valori di trasmittanza pari al doppio vetro tradizionale ovvero circa 2,5 - 2,7 W/m2K.
Per raggiungere i valori prescritti dalle norme per il nord Italia è necessario ricorrere all’inserimento nell’intercapedine di coating basso emissivi (deposito pirolitico o sotto vuoto).
Tali trattamenti, applicati alla vetratura interna, permettono di ridurre gli scambi tra la superficie del laminato fotovoltaico e quella del vetro, fino a raggiungere valori di trasmittanza complessiva di 1,5 – 1,7 W/m2K per intercapedini con aria e di 1,4 – 1,1 W/m2K con l’ulteriore introduzione di gas nobili come argon o kripton.
I pacchetti tecnologici trasparenti che integrano elementi fotovoltaici presentano il vantaggio, in periodo invernale, di arginare l’effetto di parete fredda grazie alla resistenza termica e al calore dissipato in fase di conversione fotoelettrica. In periodo estivo, tuttavia, il fatto che la porzione fotovoltaica non risulti apribile e sia soggetta a forte insolazione può comportare notevoli effetti di discomfort, a causa dell’aumento della temperatura radiante, oltre che penalizzare la produzione elettrica.
In alternativa all’introduzione di vetrocamera fotovoltaici è possibile valutare l’opportunità di realizzare stratificazioni semitrasparenti con intercapedini ventilate che consentano la rimozione del calore dal lato posteriore del modulo e permettano di mitigare l’effetto di surriscadamento in estate, evacuando l’aria calda. Il flusso d’aria nell’intercapedine può essere, inoltre, utilizzato in inverno come preriscaldo dell’aria di climatizzazione interna dei locali, comportando un decremento delle necessità energetiche di gestione della costruzione (fotovoltaico ibrido).
Non risulta, infatti, conveniente ricorrere a tecnologie che utilizzano le fonti rinnovabili se al contempo, nell’interazione con l’organismo edilizio, comportano un aggravio del fabbisogno energetico per la climatizzazione degli ambienti.
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Ultima rassegna: Jun 2010 |
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