Laboratorio di Costruzione dell Architettura I A. a.a. 2016/17. Prof. Sergio Rinaldi. Sistemi solari attivi.

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1 Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale Università della Campania Luigi Vanvitelli Corso di Laurea Magistrale in Architettura Laboratorio di Costruzione dell Architettura I A a.a. 2016/17 Prof. Sergio Rinaldi sergio.rinaldi@unicampania.it 07_06_ Sistemi solari attivi

2 Secondo la normativa di riferimento italiana, vengono considerate "rinnovabili": «...il sole, il vento, le risorse idriche, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione in energia elettrica dei prodotti vegetali o dei rifiuti organici e inorganici.» Rientrano in questo campo dunque: -Energia geotermica -Energia idroelettrica -Energia marina -Energia solare -Energia eolica -Energia da biomasse (o Agroenergie) -Energia o cogenerazione da acqua di falda

3 Sistemi solari attivi Le tecnologie che riescono a sfruttare l irraggiamento solare garantendo un migliore comportamento termico ed energetico del sistema edificio sono: Solare termico Fotovoltaico Obbiettivo Produzione di acqua calda sanitaria Obbiettivo Produzione di energia elettrica Un collettore solare termico trasforma la radiazione solare in calore che viene utilizzato per riscaldare un fluido. Un pannello fotovoltaico, trasforma la luce del sole in corrente elettrica. 3

4 Garantire l oscurabilità Solare termico Il collettore piano ad acqua (o pannello solare) serve a catturare l energia che giunge dal Sole sulla Terra e ad utilizzarla per produrre acqua calda ad una temperatura dell ordine di C. L acqua calda prodotta ed accumulata in un apposito serbatoio potrà essere utilizzata per le esigenze di casa, Parti costituenti : -Collettore solare (pannello) -Serbatoio di accumulo -Collegamenti idraulici ed elettrici Rendimento : L acqua calda prodotta da un collettore solare è mediamente pari a litri/giorno per ogni metro quadro di pannello installato. Il serbatoio abbinato è di circa litri per mq. Per calcolare le dimensioni del pannello solare da installare si deve tener del numero dei membri della famiglia e quindi del prevedibile consumo di acqua calda della famiglia medesima, pari Sportelli a litri/giorno esterni a persona. Mediamente va calcolata una superficie paria acirca 0,5 m 2 a persona

5 Solare termico I pannelli Sono formati da: a) una superficie assorbente; b) una rete di tubazioni nella quale scorre il fluido termovettore; c) una copertura trasparente; d) un rivestimento isolante; e) una struttura di contenimento che costituisce l involucro esterno. I pannelli solari piani utilizzano le tre componenti della radiazione solare e sfruttano l effetto serra. La copertura trasparente è infatti realizzata con materiali trasparenti alla radiazione solare incidente, ma opachi alla radiazione infrarossa reirraggiata. L energia termica proveniente dal sole, viene così catturata all interno del pannello e trasferita al fluido termovettore. Per limitare le perdite di calore verso l esterno le zone laterali e posteriore vengono poi protette con materiale isolante.

6 Solare termico Tipologie di impianto I sistemi a circolazione naturale sono molto semplici, richiedono scarsa manutenzione e possono essere realizzati impiegando dei pannelli solari con basse perdite di carico. Tutti i sistemi a circolazione naturale si basano sul principio che il fluido del circuito primario, riscaldato dal sole diminuisce la propria densità diventa più leggero e sale verso l alto, provocando un movimento naturale del fluido medesimo. Nei sistemi a circolazione naturale il serbatoio di accumulo dell acqua deve essere sempre posizionato più in alto del pannello ed a breve distanza dal medesimo. Il principio di funzionamento di un impianto a circolazione forzata differisce da quello a circolazione naturale per il fatto che il fluido, contenuto nel collettore solare, scorre nel circuito chiuso per effetto della spinta fornita da una pompa comandata da una centralina o termostato attivata, a sua volta, da sonde poste sul collettore e nel serbatoio. sistemi a circolazione naturale sistemi a circolazione forzata

7 Solare termico Integrazione architettonica Integrat o su tetto a falda pensilina Sovrapposto su tetto a falda Integrazione in facciata (parapetto)

8 Funzionamento La conversione diretta dell energia solare in energia elettrica utilizza il fenomeno fisico dell interazione della radiazione luminosa con gli elettroni nei materiali semiconduttori, denominato effetto fotovoltaico. L elemento in cui avviene la conversione luce-elettricità è la cella fv che è generalmente costituita da un sottile wafer di silicio. Più celle sono collegate tra loro a formare moduli. I moduli possono avere dimensioni diverse (i più diffusi hanno superfici che vanno dai 0,5 m2 ai 1,3 m2) e prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie.

9 Funzionamento Il generatore fotovoltaico è costituito dall insieme dei moduli fotovoltaici opportunamente collegati in serie ed in parallelo in modo da realizzare le condizioni operative desiderate. In particolare l elemento base del campo è il modulo fotovoltaico. Più moduli assemblati meccanicamente tra loro formano il pannello, mentre moduli o pannelli collegati elettricamente in serie, per ottenere la tensione nominale di generazione, formano la stringa. Infine il collegamento elettrico in parallelo di più stringhe costituisce il campo.

10 L angolo di inclinazione della superficie fotovoltaica captante viene determinato come l angolo di latitudine meno 10 gradi. Quindi per la latitudine del nostro Paese, la posizione ottimale della superficie dei pannelli risulta quella a copertura dell edificio con esposizione a sud, e con un angolo di inclinazione di circa rispetto al piano orizzontale. Cause di riduzione di produttività di un impianto fotovoltaico possono essere: Ombreggiamento Surriscaldamento dei pannelli Imbrattamento delle superfici E necessario quindi in fase di progettazione disporre i pannelli in modo da: evitare zone d ombra garantire un certo grado di ventilazione sulle superfici posteriori: infatti al crescere della temperatura diminuisce l efficienza fotovoltaica inoltre temperature troppo elevate possono danneggiare irreparabilmente celle e contatti elettrici durante la fruizione è poi importante garantire un sufficiente livello di pulizia delle superfici fotovoltaiche.

11 TIPOLOGIE DI IMPIANTI L impianto fotovoltaico è l insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che captano l energia solare, la trasformano in energia elettrica, sino a renderla disponibile all utilizzo da parte dell utenza. Le tipologie impiantistiche sono essenzialmente due: impianti isolati (stand alone); In questi impianti l energia generata alimenta direttamente il carico elettrico. Quella in eccesso viene accumulata nelle batterie che la rendono disponibile nei periodi in cui il generatore fotovoltaico non è nelle condizioni di fornirla. Questi impianti rappresentano la soluzione più idonea a soddisfare utenze isolate che possono essere convenientemente equipaggiate con apparecchi utilizzatori che funzionano in corrente continua. impianti connessi ad una rete elettrica di distribuzione (grid-connected).

12 Impianto grid-connected Schema di funzionamento di impianto FV connesso alla rete elettrica

13 Impianto stand alone Un semplice impianto fotovoltaico isolato è composto dai seguenti elementi: -Cella solare: per la trasformazione di energia solare in energia elettrica. Per ricavare più potenza vengono collegate tra loro diverse celle. -Regolatore di carica: é un apparecchio elettronico che regola la ricarica e la scarica degli accumulatori. Uno dei suoi compiti é di interrompere la ricarica ad accumulatore pieno sino a renderla disponibile all utilizzo da parte dell utenza. -Accumulatori: sono i magazzini di energia di un impianto fotovoltaico. Essi forniscono l energia elettrica quando i moduli non sono in grado di produrne, per mancanza di irraggiamento solare. -Inverter (o convertitore): trasforma la corrente continua proveniente dai moduli e/o dagli accumulatori in corrente alternata convenzionale a 220V. Se l apparecchio da alimentare necessita di corrente continua si può fare a meno di questo componente. -Utenze: apparecchi alimentati dall impianto fotovoltaico.

14 1 generazione Celle fotovoltaiche con semiconduttori al silicio cristallino, comprendono i moduli monocristallini e policristallini, attualmente costituiscono più dell' 80% dei moduli fotovoltaici in commercio, l'efficienza è, attualmente, dal 12 al 18%. 2 generazione La seconda generazione è quella dei moduli fatti con film sottili di materiali semiconduttori microcristallini che si prestano alla deposizione in strati su lamine di sostegno (vetro, metallo, plastica, ecc.), come ad esempio il silicio amorfo idrogenato, il diseleniuro di indio e rame, il tellururo di cadmio, il solfuro di cadmio, ecc. Il processo di sviluppo è in corso e la probabilità di ottenere la competitività nel prossimo futuro è alta, dato il potenziale basso costo che queste tecnologie permettono, attualmente l'efficienza è piuttosto bassa: dal 6 al 13%. Esistono dubbi di tipo ecologico sulla possibilità di diffondere su larga scala l uso di impianti a film sottili. Infatti, se si eccettua il silicio amorfo tutti gli altri materiali possiedono caratteristiche tossiche, che porterebbero a precauzioni di sicurezza nell uso e, soprattutto, a problematiche di smaltimento dei rifiuti a fine vita operativa con conseguente innalzamento dei costi economici. 3 generazione Comprende un insieme di tecnologie basate su concetti innovativi: Solare fotovoltaico - Moduli fotovoltaici con semiconduttori costituiti da nanomateriali organici, polimerici e plastici ottenuti per deposizione degli stessi in supporti flessibili con tecniche simili alla serigrafia. - Moduli con giunzione di più semiconduttori in una stessa cella in modo da utilizzare una più larga banda dello spettro solare - Sistemi di concentrazione solare su piccole celle in modo da ridurre la necessità di materie prime con riduzione di costi

15 Funzionamento I modelli commerciali a base silicea, più comuni sono: Silicio monocristallino, in cui ogni cella è costituita da un wafer prodotto da un lingotto di silicio purissimo; Silicio policristallino, in cui il lingotto di cui sopra è prodotto mediante drogaggio chimico; Silicio amorfo, in cui gli atomi silicei vengono deposti chimicamente in forma amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno; Rendimenti medi effettivi dei sistemi in commercio 14% nei moduli in silicio monocristallino; 13% nei moduli in silicio policristallino; 6% nei moduli con celle in silicio amorfo.

16 Rendimento A titolo indicativo si considera che alle latitudini dell Italia centrale, un mq di moduli fotovoltaici di buona qualità possa produrre in media: 0,35 kwh/giorno nel periodo invernale 0,65 kwh/giorno nel periodo estivo 180 kwh/anno Il costo di installazione si aggira su 8000/kw p installata

17 Come dimensionare un impianto Dimensionamento Sistema FV per una famiglia di 4 persone che vive in appartamento o villa singola di medie dimensioni con un consumo medio di circa Kwh anno e una superficie utile di involucro per l impianto assegnata. 1.Calcolo dell irraggiamento medio annuo (Ima) a seconda dell inclinazione del pannello (a piano orizzontale, a piano inclinato, a piano verticale). (per Aversa 1487 kw/m2 pannelli in orizzontale, 1091 Kw/m2 in verticale, 1686 kw/m2 con inclinazione ottimale di 33 ). 2. Caratteristiche dei moduli (riferimento schede tecniche componenti in commercio): Dimensioni del modulo, Superficie del modulo (Sm), Potenza del modulo (Pm in Wp). 3. Superficie utile (mq) (intesa come superficie non ombreggiata) Sg 4. Numero dei moduli fotovoltaici costituenti l impianto: N =Sg/Sm 5. Potenza di picco dell impianto Pp: Pp = Pm x N =... KWp 6.L efficienza nominale (En) dell impianto fotovoltaico è data da: En = Pp/Sg =.. KWp/mq 7. L efficienza operativa media annua (E(o.m.a.)) dell impianto è data dal 75% di quella nominale En: E(o.m.a.)= En x 75% 8. L energia elettrica annua producibile per metro quadrato (Ep) è data da: Ep = E(o.m.a.) x Ima = KWh/mq/anno

18 Celle solari Solare fotovoltaico Celle monocristalline Vengono prodotte tagliando una barra monocristallina. Il vantaggio principale é un alto rendimento (fino al 16%). Questo tipo di celle è però molto costoso a causa del complicato processo di produzione. Le celle di tipo monocristallino sono caratterizzate usualmente da un omogenea colorazione blu. Celle poli-multi cristalline Vengono colate in blocchi e poi tagliate a dischetti. Il rendimento é minore (10, 12%), ma anche il prezzo. Questo tipo di celle é riconoscibile da un disegno ben distinguibile (a causa dei vari cristalli contenuti). Celle amorfe Vengono prodotte mediante deposizione catodica di atomi di silicio su una piastra di vetro. Questo tipo di cella ha il rendimento minore (ca. 4 8%), ma si adatta anche al caso di irraggiamento diffuso (cielo coperto, ecc.). Le celle così prodotte sono riconoscibili da un caratteristico colore scuro, inoltre sono realizzabili in qualsiasi forma geometrica (sono realizzabili forme circolari, ottagonali, irregolari, e persino convesse).

19 Prima generazione Tipologia celle: monocristalline, policristalline, amorfe Rendimento energetico: 12-18% Applicazione moduli: pannelli e supporti rigidi Orientamento: specifico Vantaggi: alto rendimento Svantaggi: difficoltà di integrazione Sicurezza utenza: i moduli necessitano di istallazioni non raggiungibili o di protezioni per il contatto a causa delle alte temperature raggiunte.

20 Seconda generazione Tipologia celle: materiali semiconduttori microcristallini Rendimento energetico: 6-13% Applicazione moduli: substrati di varia natura (flessibili e trasparenti) Orientamento: non incisivo Vantaggi: bassi costi di produzione, integrabilità Svantaggi: basso rendimento, tossicità dei materiali, difficoltà di smaltimento Sicurezza utenza: i moduli non necessitano di protezioni per le temperature di contatto ma i materiali di cui sono composti possono risultare tossici

21 Terza generazione Tipologia celle: semiconduttori costituiti da nanomateriali organici, polimerici e plastici, sistemi di concentrazione solare Rendimento energetico: fino al 40% Applicazione moduli: supporti flessibili e riciclabili di varia natura (anche tessile, gel e vernici) Orientamento: poco incisivo Vantaggi: alto rendimento, integrazione, capacità di sfruttare uno spettro solare allargato, integrabilità, costi ridotti Svantaggi: sperimentazioni in corso Sicurezza utenza: i moduli necessitano di istallazioni non raggiungibili o di protezioni per il contatto a causa delle alte temperature raggiunte.

22 SOLAR IVY Progettato da Samuel e Teresita Cochran, fratello e sorella a capo della start-up verde S-M-I-T, Solar Ivy (letteralmente, edera solare ) è un pannello fotovoltaico dove ogni modulo è composto da 5 foglie realizzate su una sottilissima pellicola di polietilene. Grazie al suo peso molto contenuto, Solar Ivy può essere montato anche su una parete verticale, ampliando così la tipologia e l estensione delle superfici destinabili all approvvigionamento energetico. Inoltre, la piacevolezza estetica del pannello vuole favorire un accelerazione nella conversione alle energie rinnovabili da parte dei consumatori finali, che presumibilmente saranno maggiormente propensi ad installare pannelli fotovoltaici più belli per la loro casa. Il progetto, ancora allo stadio di prototipo, ha già ricevuto un grosso consenso, tanto da essere inserito nel catalogo della celebre esposizione Design and the Elastic Mind organizzata nel 2008 da Paola Antonelli al Moma di NY.

23 SPHELAR La società giapponese Kyosemi ha brevettato delle celle fotovoltaiche sferiche; consistono in sfere di raggio 1mm, con elettrodi ai poli di alluminio e argento e un cuore di azoto e fosforo. Le dimensioni minuscole di queste celle chiamate spheral si prestano ad installazioni su moduli flessibili e trasparenti (spheral flexible) quindi adattabili a qualsiasi forma. L efficienza di questo sistema è del 17,8% come testato dai danesi Riso National Laboratories.

24 GEL FOTOVOLTAICO Solare fotovoltaico Il gel fotovoltaico, del quale si è occupata anche una azienda italiana, la Esco Energy (azienda italiana della provincia di Potenza), è un gel nanostrutturato in silicio caratterizzato da una efficienza fotovoltaica (in condizioni ottimali) pari a circa la metà di una cella fotovoltaica in silicio monocristallino, con efficienze comparabili a quelle del fotovoltacio in film sottile di silicio amorfo. Il gel fotovoltaico è trasparente, ma può essere anche colorato per esigenze estetiche; è un materiale liquido, composto da silicio amorfo al quale viene applicato un procedimento nanotecnologico in modo da renderlo semiconduttore; all interno della soluzione sono presenti anche acqua e una soluzione salina. L energia solare viene catturata e assorbita da piccoli terminali elettrici installati nelle finestre, per essere poi riversata in rete permettendo una produzione, in condizioni ottimali di orientamento e incidenza della radiazione solare, di circa W per metro quadrato di superficie. Questa tecnologia rende possibile interventi e applicazioni su componenti e strutture esistenti: il gel può essere iniettato, ad esempio, tra i doppi vetri delle finestre. Essendo trasparente la visibilità rimane buona, mentre la trasmittanza viene a ridursi determinando pertanto un incremento delle capacità di isolamento termico della superficie vetrata. Di contro, come aspetto potenzialmente negativo, vi è una diminuzione delle trasmissione luminosa della superficie vetrata, valutabile nell ordine di un 20% circa.

25 tende l innovazione passa attraverso saldature concepite per unire pannelli singoli di silicio amorfo a conferire fluidità alla materia dalla proprietà energetiche. Si realizzano teli impermeabili avvolgibili vere e proprie tende fotovoltaiche. 25

26 Modalità di integrazione architettonica Solare fotovoltaico

27 Modalità di integrazione architettonica Applicazione per sovrapposizione Secondo questo metodo di installazione, i moduli solari vengono collocati tramite un apposita struttura sopra l involucro dell edificio, a poca distanza da esso e in modo da adattarsi alla configurazione della superficie di chiusura che funge da supporto. E frequentemente impiegata in interventi su coperture a falda e facciate. Per quanto riguarda lo svolgimento di funzioni di separazione esterno-interno, il ruolo strettamente edilizio dei pannelli sovrapposti potrebbe essere ridondante, in quanto essi non vanno a sostituire elementi o subsistemi tradizionali, ma ricoprono semplicemente delle superfici già dotate delle necessarie caratteristiche di tenuta, impermeabilizzazione, coibentazione etc. L integrazione nell edificio, non è reale ma solo visiva

28 Modalità di integrazione architettonica Applicazione per integrazione Il termine integrazione si riferisce a quelle tecnologie di installazione dei moduli fotovoltaici che vedono questi inserirsi completamente nell organismo edilizio, svolgendo, oltre a quelle strettamente energetiche, anche alcune o tutte le funzioni riferibili a elementi e subsistemi di chiusura o schermatura. Per quanto riguarda la maggior parte delle installazioni per integrazione, i pannelli impiegati non sono quelli standard, adatti per qualsiasi tipo di applicazione, ma vengono appositamente studiati e realizzati per il loro impiego architettonico. Gli interventi appartenenti a questa categoria possono riguardare qualsiasi superficie dell involucro edilizio e generalmente vengono eseguiti nel caso di progettazioni ex-novo della costruzione, oppure quando essa sia sottoposta a consistenti lavori di manutenzione straordinaria o di riqualificazione.

29 GSE _ definizioni e criteri di integrazione Solare fotovoltaico Modulo fotovoltaico rigido Insieme di celle interconnesse e protette dall ambiente esterno, inserite tra uno strato di rivestimento anteriore trasparente e uno strato di rivestimento posteriore opaco oppure trasparente, che costituisce un prodotto caratterizzato da una superficie piana non deformabile, commercialmente identificato, adatto a qualsiasi tipo di applicazione terrestre e conforme alle normative tecniche riportato nell Allegato 1 al DM 6/8/2010. Modulo fotovoltaico flessibile Modulo fotovoltaico, generalmente realizzato con la tecnologia del film sottile, consistente nella deposizione di uno strato di materiale semiconduttore su un substrato che può assumere la forma della superficie di appoggio, commercialmente identificato e conforme alle normative tecniche riportato nell Allegato 1 al DM 6/8/2010. Modulo fotovoltaico speciale Modulo fotovoltaico il cui impiego è possibile ed efficace solo per applicazioni di tipo architettonico. Il modulo fotovoltaico speciale consiste in un prodotto edilizio, unico e inscindibile, commercialmente identificato e certificato ai sensi della normativa tecnica richiamata nell Allegato 1 al DM 6/8/2010.A questa categoria appartengono tutti i moduli fotovoltaici flessibili certificati insieme al supporto e tutti i moduli rigidi che, senza necessità di ulteriori componenti, vanno a sostituire elementi edilizi quali: tegole fotovoltaiche e moduli trasparenti per facciate, coperture e finestre, questi ultimi opportunamente realizzati per consentire il passaggio della luce all interno dell involucro edilizio. La completa integrazione architettonica del fotovoltaico è tale se la rimozione dei moduli fotovoltaici compromette la funzionalità dell involucro edilizio, rendendo la costruzione non idonea all uso.

30 Gli impianti fotovoltaici dovranno utilizzare moduli e componenti con le seguenti caratteristiche: Solare fotovoltaico 1. moduli e componenti speciali, sviluppati specificatamente per integrarsi e sostituire elementi architettonici di edifici, quali: a) coperture degli edifici; b) superfici opache verticali; c) superfici trasparenti o semitrasparenti; d) superfici apribili e assimilabili quali porte, finestre e vetrine anche se non apribili comprensive degli infissi. 2. moduli e componenti che abbiano significative innovazioni di carattere tecnologico; 3. moduli progettati e realizzati industrialmente per svolgere oltre alla produzione di energia elettrica anche funzioni architettoniche fondamentali quali: a) protezione e regolazione termica dell edificio; b) tenuta all acqua e impermeabilizzazione della struttura edilizia sottesa; c) tenuta meccanica comparabile con l elemento edilizio sostituito. I moduli, inoltre, dovranno essere installati secondo le seguenti modalità: 1. i moduli devono sostituire componenti architettonici degli edifici; 2. i moduli devono comunque svolgere una funzione di rivestimento di parti dell edificio, altrimenti svolta da componenti edilizi non finalizzati alla produzione di energia elettrica; 3. da un punto di vista estetico, il sistema fotovoltaico deve comunque inserirsi armoniosamente nel disegno architettonico dell edificio.

31 GSE _ definizioni e criteri di integrazione Solare fotovoltaico

32 Integrazione architettonica Scelta del tipo di modulo fv Il progettista può scegliere

33 Integrazione architettonica Scelta del tipo di collocazione

38 Integrazione di sistemi solari termici e FV La facciata vetrata integra panelli fotovoltaici nella cornice della copertura a verde (1800 Wp) e 120 m2 di collettori solari di tipo tradizionale installati in due nastri, uno sulle ringhiere delle finestre, e l altro nella parte superiore. La posizione verticale dei panelli aumenta la loro efficienza durante l inverno, il periodo più sfavorevole. 1- pannelli fotovoltaici 2- collettori solari Centro culturale e ambientale Les Planes de Son. Lleida (E

39 Integrazione di sistemi solari attivi e passivi La serra fotovoltaica dell ospedale pediatrico Meyer di Firenze La perfetta integrazione architettonica dei pannelli sulla facciata della serra permette di combinare la funzione di produzione energetica con quella di protezione e schermatura dalla radiazione solare diretta e, quando necessario, di accumulo termico in un ambiente filtro. Il risparmio economico che si ottiene dalla combinazione di queste funzioni è notevole, per esempio la spesa dei pannelli fotovoltaici è equiparabile a quella di un rivestimento di facciata altamente tecnologico che però non contribuisce alla produzione di energia.