Una nuova architettura per il risparmio energetico

Il fotovoltaico una tecnologia che permette di produrre energia elettrica direttamente dall’irraggiamento solare.

Una delle tecnologie più promettenti per la produzione di energia, attraverso fonti alternative a quelle della combustione di materiali di origine fossile, è il fotovoltaico.
Non si tratta affatto di un sistema di nuova sperimentazione poco collaudato, bensì di una tecnologia matura, nata negli anni Cinquanta con la ricerca aerospaziale e in uso da ben trent’anni per applicazioni “terrestri” ad uso civile.
Alla base del processo c’è l’effetto fotovoltaico che si fonda sulla proprietà che hanno alcuni materiali semiconduttori, opportunamente trattati, di generare direttamente energia elettrica se colpiti dalla luce del sole.
Uno dei materiali che ha questa proprietà fotovoltaica è il silicio, materiale molto diffuso in natura e il più utilizzato per la produzione di elementi generatori.
La trasformazione della luce solare in energia elettrica avviene senza l’utilizzo di combustibili, non producendo alcun rumore o spreco, né emissioni gassose o rifiuti, né dispersioni di calore.
La luce solare è inoltre una fonte inesauribile e ancora poco utilizzata di energia che, attraverso un suo migliore sfruttamento, permetterebbe un uso più razionale delle altre risorse energetiche.
Negli ultimi anni la sensibilità nei confronti di questi argomenti ha portato alla nascita di una coscienza energetica anche nel settore edile.
L’edificio non dovrebbe più essere considerato, infatti, come un volume energivoro, dotato di impianti che consumano grandi quantità di risorse. E’ possibile oggi invece creare architetture che utilizzino intelligentemente l’energia o che addirittura la producano, attraverso, per esempio, l’integrazione al suo interno di dispositivi fotovoltaici.

Campi di utilizzo data l’evoluzione dei sistemi fotovoltaici la loro installazione non è più solo finalizzata all’alimentazione di utenze isolate.

Il settore del fotovoltaico sta attualmente attraversando una fase di transizione: il mercato, che prima veniva considerato di poca rilevanza, si sta rapidamente espandendo, tanto che le industrie produttrici, negli ultimi anni, hanno investito somme sempre più rilevanti.
I due impieghi principali per i quali vengono prodotti sistemi fotovoltaici sono l’alimentazione di utenze isolate (stand-alone) e la fornitura di energia elettrica in parallelo alla rete esistente (grid connected), integrando i moduli nell’architettura degli edifici.
L’installazione di un impianto fotovoltaico in edifici isolati rispetto alla rete di distribuzione dell’elettricità può essere una valida alternativa all’allacciamento.
In molti casi, come per esempio in edifici molto lontani o difficilmente raggiungibili, infatti, l’impianto solare è di gran lunga conveniente rispetto alla costruzione di una linea elettrica tradizionale.
In questo caso è però necessaria l’installazione di un accumulatore, il quale possa immagazzinare l’energia prodotta durante il giorno, in modo da utilizzarla anche nelle ore in cui l’insolazione viene meno.
Gli impianti, invece, che forniscono energia a utenti già raggiunti dalla rete non pretendono di sostituire la fonte tradizionale, ma vengono realizzati come integrazione a essa, fornendo un contributo al bilancio elettrico globale dell’edificio.
Durante la giornata ad esempio l’energia prodotta può essere utilizzata per il condizionamento degli ambienti interni, senza che ciò influisca sulla bolletta.
In genere questa categoria di utilizzo non richiede un accumulatore, dato che è possibile sfruttare la rete durante le ore serali e, in caso di definite normative tecniche e legislative, cedere alla rete l’energia elettrica prodotta e non utilizzata di giorno, ricevendo dei corrispettivi che incentivino la diffusione di tali sistemi.

I componenti dei sistemi fotovoltaici celle di silicio collegate tra loro formano complessi sistemi in grado di generare energia elettrica.

Il materiale di base della cella, che è il componente primo dei sistemi fotovoltaici, è il silicio.
Nella maggior parte dei casi la cella è costituita da un singolo cristallo (silicio monocristallino), che garantisce il massimo rendimento, oppure viene realizzata attraverso l’accostamento di più cristalli adiacenti (silicio policristallino). Il primo tipo si distingue per una sostanziale omogeneità di colore della superficie, mentre il secondo è caratterizzato da una particolare sfaccettatura data dall’accostamento dei singoli cristalli.
Siamo soliti riconoscere le celle fotovoltaiche dal loro caratteristico colore blu, ma è possibile richiedere pannelli dalla colorazione differente. Queste variazioni sono ottenute attraverso la variazione dello spessore del rivestimento antiriflettente, che condiziona fortemente la capacità di captazione della luce solare e quindi il rendimento. Più ci si discosta dalla colorazione blu, più si diminuisce la quantità di energia generabile.
All’interno della cella avviene dunque la conversione dell’energia solare in elettricità.
Ciò è reso possibile da un particolare trattamento del silicio: la struttura cristallina viene drogata attraverso l’inserimento di atomi di boro, dopo di che una delle facce viene a sua volta drogata con piccole quantità di fosforo. Nella zona a contatto tra le due parti a diverso potenziale si forma un campo elettrico. E’ l’esposizione alla luce del sole che determina quindi la generazione di cariche elettriche, e l’applicazione di un utilizzatore crea il flusso di elettroni. Le cariche vengono raccolte da una griglia metallica frontale, mentre sul lato posteriore della cella viene posto il contatto elettrico per elettrodeposizione o serigrafia.
Una cella fotovoltaica ha in genere forma quadrata e dimensioni di 10x10cm o 12,5×12,5cm o ancora 15x15cm; lo spessore varia invece tra gli 0,25 e gli 0,35 mm. Essa è in grado di produrre circa 1-1,5 Watt di potenza quando è investita da una radiazione di 1000 W/m2.
Le celle vengono collegate tra loro elettricamente in serie o in parallelo, così da ottenere differenti valori di tensione e corrente in base all’utilizzo, e assemblate poi in strutture più robuste e maneggevoli chiamate moduli. Successivamente le celle devono essere incapsulate tra una lastra di vetro e una di plastica, attraverso un procedimento di laminazione a caldo.
I moduli in genere contengono 36 celle ognuno, coprendo una superficie di mezzo metro quadrato, capace di raggiungere un livello di potenza che varia tra i 50 e gli 80 Wp (Watt di picco). Se la cella singola di silicio monocristallino lavora con un rendimento del 15-17%, il modulo, dopo l’assemblaggio, arriva solo fino al 10-13%, a causa dell’ombra proiettata dalla struttura del modulo stesso sulle celle.
Per poter raggiungere una potenza adeguata alle esigenze è necessario, infine, accorpare più moduli nello stesso pannello, che è il prodotto finale utilizzabile per formare sistemi generatori di elettricità, attraverso differenti modalità di assemblaggio.
L’energia generata si trova, però, a questo stadio, sotto forma di corrente continua: la sua utilizzazione sarà dunque possibile solo attraverso un inverter, che la trasformi in corrente alternata.
Una variante relativamente nuova della cella fotovoltaica è costituita dalla tecnologia produttiva detta “a film sottile”. Si tratta di una tecnica di deposizione a vapore di una pellicola di silicio amorfo e altri semiconduttori su di un pannello, come per esempio una lastra di vetro, oppure su barre, o su superfici appositamente realizzate di varie forme.
Il grande svantaggio di questa alternativa così flessibile, che permette di produrre pannelli fino a 40x80cm, è il bassissimo rendimento energetico che non supera il 6%.
Migliori qualità tecniche ed estetiche la rendono però una tecnica molto gradita e richiesta dai progettisti. La possibilità di scelta tra film semitrasparenti e opachi che possono coprire grandi superfici infatti fa crescere sempre più l’interesse per questi prodotti.

I sistemi fotovoltaici integrati nell’edilizia lo sviluppo del settore fotovoltaico e l’accresciuto interesse nei suoi confronti sono dovuti alla raggiunta flessibilità dei moduli fotovoltaici, ormai applicabili in un vasto numero di interventi di edilizia residenziale e non.

I moduli fotovoltaici, da lungo tempo sperimentati, sono stati oggetto negli ultimi anni di una notevole crescita di domanda, essi sono prevalentemente usati come componenti edili ad alte prestazioni integrati nelle costruzioni. In questo modo gli edifici assumono una funzione non più passiva, ma attivamente partecipe del bilancio energetico globale.
Il mercato del fotovoltaico mette a disposizione un’ampia gamma di componenti per l’edilizia sia finalizzati all’utilizzo in interventi di retrofit su costruzioni esistenti, sia da integrare nelle nuove costruzioni.
L’inserimento di elementi fotovoltaici nel rivestimento esterno degli edifici, infatti, può contribuire a migliorarne le qualità estetiche e funzionali.
Un aspetto fondamentale non trascurabile per una corretta progettazione di un sistema fotovoltaico è quello della sua corretta esposizione alle radiazioni solari. Il massimo rendimento, dovuto ad un irraggiamento ottimale, è ottenibile alla nostra latitudine, considerando il percorso del sole durante tutto l’anno, orientando i pannelli fotovoltaici verso sud e inclinandoli rispetto all’orizzontale di circa 30°. Ovviamente questo tipo di esposizione non è sempre attuabile, soprattutto quando si interviene su edifici già esistenti.
Se, per esempio, l’impianto è rivolto verso Est o verso Ovest, il 10% dell’energia massima ottenibile viene perso.
In caso di superfici verticali, ma con orientamento Sud, l’irraggiamento solare disponibile diminuisce di circa 1/3. Un pannello verticale, invece, esposto verso Est e verso Ovest, viene raggiunto solo dal 55% dell’energia a disposizione.
L’Italia, grazie alla sua posizione, offre un’ottima insolazione e quindi la possibilità di produrre grandi quantità di energia elettrica.
Generatori fotovoltaici possono essere integrati in sistemi edilizi quali coperture, finestre o facciate oppure in altri elementi accessori .
Un loro utilizzo molto interessante è rappresentato, inoltre, dalla loro introduzione nelle infrastrutture urbane.

COPERTURE
L’integrazione della tecnologia fotovoltaica nelle strutture vede innanzitutto come protagonisti i tetti degli edifici.
La copertura piana praticabile rappresenta la categoria di coperture più flessibile per gli interventi di retrofit fotovoltaico, dato che vi possono essere collocati pannelli fotovoltaici senza avere vincoli di orientamento.
I tetti a falde inclinate invece, possono offrire il vantaggio di una superficie avente inclinazione vicina a quella ottimale. Ovviamente non tutti gli orientamenti delle falde sono vantaggiosi, quindi solo gli edifici che hanno falde orientate a Sud o al limite Sud-Est o Sud-Ovest possono essere considerati idonei ad alloggiare sistemi fotovoltaici.
È possibile realizzare due tipi di sistemi di retrofit fotovoltaico per coperture.
Il primo è costituito dalla sovrapposizione di una struttura alla copertura esistente, in modo che il rivestimento, per esempio in tegole, rimanga inalterato. Si tratta di una soluzione a basso costo di installazione, poiché vengono utilizzati componenti standard pre-assemblati.
Il secondo sistema, è costituito dall’integrazione delle cosiddette “tegole fotovoltaiche” posate in sostituzione del rivestimento tradizionale. Questa tecnica permette una resa estetica meno invasiva rispetto alla precedente; in questo caso inoltre l’elemento fotovoltaico ha anche la funzione di protezione contro le intemperie. Ovviamente le tegole fotovoltaiche si prestano molto bene anche per realizzazioni su edifici di nuova costruzione.
Le coperture inclinate con impianto fotovoltaico a tetto-luce utilizzano moduli a doppio vetro, cioè trasparenti nei punti non occupati dal silicio. Essi, spesso alternati a lastre di vetro-camera semplice, costituiscono direttamente lo strato di protezione non solo dalle intemperie, ma anche dagli sbalzi di temperatura.
La copertura curva infine, si presta molto bene ad essere completamente realizzata con moduli fotovoltaici, poiché, grazie alle differenti inclinazioni delle zone di cui è costituita, riesce a captare a livello ottimale il sole durante gran parte del suo percorso giornaliero e annuo.

RIVESTIMENTI, FACCIATE E FRANGISOLE.
Il rivestimento verticale degli edifici con moduli fotovoltaici costituiva in passato una problematica difficilmente risolvibile. Negli ultimi anni è però in continua crescita l’offerta di moduli integrabili nell’involucro esterno in modo da soddisfare anche le esigenze tecniche ed estetiche più varie richieste dai progettisti.
Il loro assemblaggio avviene attraverso l’impiego dei sistemi di costruzioni convenzionali delle facciate, infatti, sul mercato è possibile trovare sistemi provenienti da tecniche tradizionali: la facciata a scandole con sottostruttura in alluminio oppure a lastre accostate ne sono un esempio.
In questi casi le pareti esposte a Sud vengono rivestite con moduli fotovoltaici in sostituzione delle lastre di pietra o dei pannelli metallici o di altri materiali.
La tecnica più utilizzata però è quella che utilizza cellule solari inserite tra due lastre di vetro assemblate con i profili delle facciate continue di comune utilizzo.
I moduli fotovoltaici possono essere utilizzati anche per facciate in vetro strutturale, ma, in questo caso, si presentano le difficoltà riguardanti la sigillatura dei bordi e la sostituzione dei moduli eventualmente danneggiati. Spesso nelle facciate continue vengono utilizzati moduli opachi nelle zone dei parapetti o al di sopra delle finestre; nelle zone in cui invece sia necessario un passaggio di luce naturale non eccessivo, vengono impiegati moduli semitrasparenti.
I sistemi di facciata inclinati, offrono, rispetto a quelli verticali, un miglior rendimento energetico.
Fondamentale risulta la progettazione di un sufficiente spazio retrostante alla facciata, in modo da permettere un agevole cablaggio, e prevenire un eccessivo accumulo di calore, che nuocerebbe al rendimento del generatore, magari prevedendo un sistema di ventilazione naturale.
La funzione di elemento protettivo che ha in questi casi il rivestimento esterno, fa in modo che essi non costituiscano una voce aggiuntiva al costo dell’edificio terminato, ma un elemento costruttivo che sostituisce quelli tipici delle soluzioni tradizionali.
Vengono definiti sistemi accessori, poiché aggiunti alla struttura ed indipendenti da essa, elementi come frangisole, parapetti, fioriere. Tutti questi elementi, se realizzati con moduli fotovoltaici, svolgono quindi una duplice funzione: i frangisole oltre ad ombreggiare producono energia elettrica.
Questo tipo di componentistica si presta in modo ottimale per l’utilizzo in interventi di retrofit.
Un aspetto interessante delle facciate contenenti componenti fotovoltaici è la loro flessibilità tecnologica. Esse possono essere infatti progettate in modo da soddisfare il confort ambientale in modo dinamico rispetto alla variazione delle sollecitazioni ambientali o delle esigenze individuali.
È noto che una facciata vetrata chiusa favorisce l’effetto serra all’interno dell’ambiente da essa delimitato, questo stesso volume nei periodi freddi è invece soggetto a dispersione di calore.
La spinta ad un uso più razionale dell’energia e ad un maggiore risparmio energetico hanno introdotto nuovi materiali e tecnologie, ma soprattutto nuovi modelli di funzionamento della facciata stessa. Essa può essere in grado infatti di variare il modo di rispondere alle sollecitazioni ambientali.
Ciò può essere attuato utilizzando i moduli fotovoltaici come frangisole orientabili.
Un’ulteriore sperimentazione è costituita da un sistema che unisce i vantaggi della produzione di energia elettrica con quelli di un collettore solare per la produzione di energia termica.
Ciò è reso possibile dalla realizzazione di un’intercapedine sulla parete interna del pannello, nella quale viene fatta circolare l’aria dell’ambiente o l’acqua, in modo da recuperare l’energia termica accumulata dai pannelli solari.
Ciò permette allo stesso tempo di migliorare il rendimento del pannello stesso, dato che esso lavora in migliori condizioni quando venga mantenuto a temperature non troppo elevate.

ELEMENTI INTEGRATI NELLE INFRASTRUTTURE URBANE
Come abbiamo visto attrezzature fotovoltaiche possono garantire l’alimentazione elettrica ad apparecchiature isolate. Questo vantaggio può essere sfruttato per scopi utili all’intera collettività.
L’integrazione dei moduli fotovoltaici all’interno di infrastrutture pubbliche come pensiline per parcheggi, cartelloni, lampioni stradali, apparecchiature di controllo e di segnalazione, potrebbe garantire la loro installazione e il loro funzionamento anche in luoghi difficilmente raggiungibili dalla rete elettrica, oppure ne farebbe dei servizi collettivi energeticamente autonomi, ecologici e non gravanti sui costi comuni.

Vantaggi e costi il fotovoltaico sebbene sia una tecnologia costosa possiede dei vantaggi che la rendono conveniente nel lungo periodo.

Il fattore che più ha limitato l’utilizzo dei moduli fotovoltaici in applicazioni civili è il loro elevato costo. Fino a pochi anni fa, infatti, si trattava di cifre quasi proibitive. Il trend però è sempre stato al ribasso, tanto che la recente notevole diffusione di questi componenti ha portato a costi di alcuni milioni di lire al metro quadrato, materiali e installazioni compresi.
Tale costo può sembrare elevato, ma è necessario ricordare che, in caso di elementi integrati strutturalmente nell’edificio, essi sostituiscono altri materiali o pannellature che comunque hanno un costo non indifferente.
Il vantaggio principale però è costituito dalla produzione di energia elettrica garantita per almeno trent’anni (tempo di durata della tenuta dell’accoppiamento dei pannelli trasparenti che racchiudono le celle).
L’edificio, è così energeticamente attivo e non solo consentirà elevati risparmi sulle bollette, ma eviterà anche inquinanti immissioni nell’atmosfera.
I pannelli fotovoltaici impiegati come componenti edili non richiedono spazi addizionali per la produzione di elettricità, riducendo così l’utilizzo del suolo e quindi il costo globale.
Non trascurabile è anche l’aspetto di tipo promozionale, dato che è innegabile che la visione di pannelli fotovoltaici può avere un grande impatto emotivo sul pubblico.
L’inserimento di elementi fotovoltaici progettato in modo attento, spesso può migliorare l’aspetto dell’edificio stesso e può costituire una caratteristica di pregio per l’immobile.
I costi della manutenzione, infine, sono quasi inesistenti, dato che i sistemi fotovoltaici non hanno parti in movimento che subiscano usura.

Fiere ed iniziative una fiera e un’iniziativa statale sono le forme di promozione del settore fotovoltaico.

Ogni anno a Verona si svolge una delle manifestazioni fieristiche più complete ed interessanti di pannelli solari e fotovoltaico a livello nazionale. Al Solar Expo si riuniscono, infatti, produttori provenienti da tutta la penisola: si tratta di piccole aziende che affidano il loro lavoro alla lungimiranza energetica dei consumatori.
Da molti anni l’utilizzo di questa tecnologia è, inoltre, incentivato dai governi.
È infatti dagli inizi degli anni novanta che sono partiti programmi coordinati dall’Unione Europea per promuovere i sistemi fotovoltaici. Essi hanno avuto un grande successo soprattutto in Germania Olanda e Svizzera, e hanno generato in questi Paesi un grande interesse dato dall’integrazione degli impianti nelle architetture e dal collegamento con la rete.
Questi programmi hanno costituito le basi per quelli che sono stati successivamente applicati in Giappone e negli Stati Uniti, e per quelli ora in atto in Spagna, Gran Bretagna e Italia.
In Italia è infatti partito recentemente il programma di finanziamento “Diecimila tetti fotovoltaici”. Si tratta della prima esperienza dedicata interamente al fotovoltaico: una notevole percentuale del costo complessivo di tutto l’impianto da installare in ogni edificio verrà finanziato dallo Stato.

Normativa di riferimento al fine di incoraggiare la diffusione del fotovoltaico è in vigore in Italia uno specifico sistema di regolamenti e sussidi.

La Legge 9 del 1991 consente agli investitori privati di produrre energia da fonti rinnovabili e di immetterla nella rete elettrica nazionale. Il prezzo a cui l’ENEL acquista questa energia è imposto da dei provvedimenti del Comitato Interministeriale Prezzo (CIP).
Il provvedimento CIP 6/92 determina un prezzo vicino ai valori che gli utenti finali pagano alla stessa ENEL per l’energia elettrica consumata, più esattamente esso fissa un prezzo più elevato per i primi otto anni di esercizio dell’impianto.
La Legge 10 del 1991 infine prevede contributi governativi sul costo di installazione sui sistemi fotovoltaici.
Il CIP 6/92 però stabilisce che chi riceve i fondi previsti dalla Legge 10/91 perde il vantaggio del rimborso più alto dei primi otto anni e viceversa.

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