Fotovoltaico a concentrazione: caratteristiche e funzionamento per l’integrazione in architettura

Il fotovoltaico a concentrazione rappresenta l’ultima generazione di impianto fotovoltaico, ma se fino ad oggi lo abbiamo visto solo nei grandi impianti isolati, posizionati lungo le autostrade, presto lo vedremo in una forma nuova, più accattivante e non meno efficiente, integrato in architettura.

Il problema del deturpamento del paesaggio a causa delle distese di impianti fotovoltaici può e deve essere superato imparando a fare un tipo di pratica molto diverso dall’usuale: pensare alla possibile integrazione di questi dispositivi alimentati da fonti rinnovabili negli edifici, sia di nuova costruzione sia nella riqualificazione di preesistenze.

rinnovabili: il fotovoltaico a concentrazione 

Conosciamo ad oggi molti esempi interessanti di integrazione di moduli fotovoltaici composti da celle in silicio mono o policristallino, ma non abbiamo ancora visto il fotovoltaico a concentrazione.

I PUNTI DI FORZA DEL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

I punti di forza di questa componente tecnologica sono prevalentemente:

  • la grande efficienza (in taluni casi fino al 43%) sia elettrica che termica;
  • la bassa energia grigia che serve per produrli
  • il ridotto Payback time period, stimato intorno ai 2-3 anni.

LE TIPOLOGIE DI PANNELLI PRESENTI SUL MERCATO

I diversi prototipi esistenti si differenziano a seconda del tipo di ottica rifrattiva usata e a seconda del tipo di geometria della cella, ma tutti sono accomunati dal fatto che la cella in Silicio rappresenta solo la minima parte del modulo. Sappiamo che nella produzione dei pannelli fotovoltaici classici è proprio la lavorazione del silicio e la quantità di silicio richiesta a causare un’elevata Embodied Energy.

IL FUNZIONAMENTO DEL FOTOVOLTAICO A CONCENTRAZIONE

Il funzionamento di questi concentratori può essere ricondotto a un’operazione molto semplice: rifrangere le radiazioni solari incidenti su una cella in silicio di dimensioni ridotte, come se non ci fosse solo un sole, ma ce ne fossero 200, 500 ecc. questo a seconda della tipologia di impianto installato. Inoltre, per garantire una miglior prestazione della cella in silicio, questa è circondata da un tubicino a spirale nel quale si fa passare acqua fredda che ne permette il raffreddamento, mantenendo così la temperatura del silicio al di sotto dei 25°C. Per scambio termico l’acqua si scalda e viene utilizzata per produrre energia termica. Da qui segue l’ulteriore vantaggio di questi impianti a concentrazione: permettono di produrre energia elettrica e termica allo stesso tempo.

L’INTEGRAZIONE IN ARCHITETTURA

Da anni sono stati stanziati fondi, sia a livello nazionale che internazionale, per finanziare la ricerca e la produzione di nuovi moduli di CPV (Concentrated Photovoltaic) e progettare dei pannelli che siano integrabili in architettura.

A livello internazionale interessante è il contributo di CASE (Center of Exellence of Syracuse University) che ha sperimentato il sistema  “Integrated Concentrating (IC) Solar Façade System” progettato da Anna Dyson, professoressa associata presso le facoltà di Ingegneria ed Architettura del Rensselaer Polytechnic Institute di New York.

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Il pannello è composto da moduli di forma troncopiramidale con funzionamento Phocus Lens, con base maggiore costituita da una Lente di Fresnel (di circa 25x25cm), e base minore sulla quale si trova la cella in silicio (di circa 3x3 cm). Intorno ad essa è ubicato un tubicino a spirale che costituisce l’impianto di raffreddamento della cella e permette di produrre energia termica grazie allo scambio di calore tra l’acqua che scorre al suo interno e la cella, inoltre raccoglie l’aria calda che si forma all’interno delle piramidi, garantendo una miglior stabilità del modulo, che altresì perderebbe in efficienza surriscaldandosi.

I moduli  sono uniti tra loro da elementi verticali in vetro, ogni modulo è ancorato tramite un sistema che ne garantisce  il movimento in ambo le direzioni, permettendo così ai dispositivi di inseguire il sole, esattamente come i girasoli, ottenendo una maggior produzione energetica nell’arco della giornata ed una maggior efficienza: le parabole inseguono il sole, andando a disporsi sempre perpendicolarmente alla radiazione solare diretta. Questo fa si che fungano anche da schermatura solare, essendo costituiti per lo più da vetro consentono un’ottima illuminazione naturale diffusa degli ambienti, creando giochi di luce ed ombre nell’arco della giornata e garantendo un miglior comfort termoigrometrico, impendendo il surriscaldamento e l’abbagliamento. Il fascino di queste facciate solari è legato, quindi, non solo all’aspetto energetico ed economico, ma anche estetico: il design accattivante e la loro dinamicità contribuiscono a dare un aspetto mutevole agli ambienti, inoltre permettono agli utenti di fruire di un’ottima vista verso l’esterno.

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LA MANUTENZIONE DEGLI IMPIANTI A CONCENTRAZIONE

Un aspetto molto importante è legato alla manutenibilità. In effetti gli impianti a concentrazioni sono spesso soggetti a un calo dell’efficienza a causa del vento o della pioggia, essendo posizionati all’esterno sono soggetti alle intemperie. Nel caso della IC solar façade, invece, l’impianto è integrato nelle partizioni verticali esterne dell’edificio, e si trova dietro un vetro che protegge le piramidi da agenti esterni, e permette dunque una maggior affidabilità e stabilità. Inoltre un aspetto di non secondaria importanza è la dismissione degli impianti fotovoltaici, nel caso in questione essendo costituiti per lo più da vetro sono quasi totalmente riciclabili.

L’efficienza energetica del modulo è del 43% con una stima della potenza elettrica di circa 42,5 W e una potenza termica di 18,27 W. Vanta una perdita di efficienza negli anni molto bassa: il 4% in 10 anni e il 7,5% in 25 anni. Risulta essere 2,4 volte più efficiente di un pannello fotovoltaico classico! 

Francesca Latini

Francesca Latini Architetto

Di origini italo-francesi non poteva che essere un’appassionata di arte in tutte le sue forme: danza, musica, pittura, fotografia e architettura! Tra i banchi universitari scocca la scintilla per la tecnologia e la bioclimatica. Nel tempo libero si diletta ai fornelli e viaggia per conoscere le culture e le architetture del mondo.

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