MASTER DI SECONDO LIVELLO IN

METODI E TECNICHE DI PREVENZIONE E CONTROLLO AMBIENTALE

TESI SPERIMENTALE DI MASTER

ANALISI DELLO STATO ATTUALE DELLA

TECNOLOGIA PER LA CAPTAZIONE ATTIVA E

PASSIVA DELL’ENERGIA SOLARE SECONDO I

PRINCIPI DELLA PROGETTAZIONE

BIOCLIMATICA

Relatore: ing. PAOLO PAVAN

Correlatore/Tutor: ing. MARCO ZIRON

Studente: ZANON NICOLA

Matricola n. 962458

ANNO ACCADEMICO 2010/2011

INDICE

1. INTRODUZIONE pag. 3

2. I PRINCIPI DELLA PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA pag. 4

3. LA FONTE SOLARE pag. 5

4. SISTEMI SOLARI PASSIVI pag. 10

4.1 Riscaldamento passivo pag. 10

4.2 Raffrescamento passivo pag. 12

5. SISTEMI SOLARI ATTIVI: CARATTERISTICHE DEGLI IMPIANTI SOLARI TERMICI E FOTOVOLTAICI

pag. 16

5.1 IMPIANTI SOLARI TERMICI A BASSA TEMPERATURA pag. 18

5.2 IMPIANTI SOLARI FOTOVOLTAICI pag. 22

6. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE pag. 36

BIBLIOGRAFIA pag. 38

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1. INTRODUZIONE

Il tema della produzione e dell’uso dell’energia investe tanto i settori strategici delle attività produttive, quanto la vita quotidiana dei singoli cittadini.Le fonti rinnovabili, specialmente le innovative, rappresentano un’opportunità di cambiamento non solo nelle modalità di approvvigionamento, ma anche nello scenario dell’economia futura. Fermo restando il problema della variabilità ancora non risolta della fornitura dell’energia legata alle fonti solari, queste ultime rappresentano comunque un supporto per le necessità civili e delle piccole e medie industrie.

Lo scopo che ci si prefigge in quest’elaborato è quello di redigere una panoramica sulle principali tecniche di captazione attiva e passiva delle due forme di energia solare (termica e luminosa): l’obiettivo finale è il conseguimento di un risparmio energetico nella progettazione edilizia ottenibile mediante l’integrazione tra criteri progettuali bioclimatici – tecnologie passive – e tecnologie attive per il riscaldamento e la produzione di energia elettrica.Tra i sistemi passivi, particolarmente vantaggiosi in quanto la lievitazione dei costi è trascurabile e le cure manutentive pressoché nulle, si evidenziano le soluzioni per il riscaldamento passivo, quelle per il raffrescamento passivo e i dispositivi aggiuntivi per il controllo del microclima; lo svantaggio di tali tecniche è rappresentato dal fatto che lo studio del comportamento energetico dell’edificio deve iniziare fin dalle primissime fasi del progetto e pervadere tutte le tappe del suo sviluppo.I sistemi attivi, invece, pur necessitando di un’alimentazione energetica tradizionale per il loro funzionamento, sono in grado di coprire parte del fabbisogno energetico per il riscaldamento e le utenze domestiche, ma la loro natura di impianti tecnologici li rende più costosi e vincolati a manutenzioni periodiche; d’altro canto risultano più versatili perché sono dimensionabili in modo più accurato e si possono applicare a ristrutturazioni di realtà già esistenti. Al loro interno, si possono distinguere le tecnologie tradizionali (essenzialmente pannelli fotovoltaici al silicio e pannelli solari termici) e quelle innovative (ad esempio pannelli fotovoltaici plastici, sia solari che a raggi infrarossi, oppure impianti a concentrazione solare ad alto rendimento).

I risultati delle ricerche in corso sulle fonti rinnovabili di nuova generazione prefigurano un prossimo abbassamento sostanziale dei costi, preliminare ad ogni prospettiva di distribuzione capillare degli impianti. Di conseguenza, ogni utente potrà produrre in proprio parte dell’energia che gli occorre, riducendo il consumo di combustibili fossili e liberandosi dal controllo dei prezzi esercitato da chi gestisce tanto le fonti quanto le linee di trasporto e smistamento dell’energia; un altro effetto benefico sarà rappresentato dalla nascita di nuovi posti di lavoro in questo settore, nell’indotto che ne deriverà e dal conseguente sviluppo tecnologico.

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2.I PRINCIPI DELLA PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA

L’architettura bioclimatica può essere definita come la branca della progettazione architettonica che si pone come obiettivo la realizzazione di edifici energeticamente razionali adatti a soddisfare al meglio le esigenze fisiologiche umane, mediante lo sfruttamento equilibrato delle potenzialità naturali dell’ambiente e del suo clima.La progettazione bioclimatica attuale si propone di trovare soluzioni adeguate a obiettivi di diversa natura, che possono riassumersi nei punti seguenti:

• risparmio e ottimizzazione delle risorse energetiche, da perseguire riducendo l’impiego di fonti inquinanti e relativi sprechi a favore di un maggiore sfruttamento di quelle rinnovabili;

• riduzione dei costi di manutenzione dell’edificio;• miglioramento del comfort ambientale e degli standard qualitativi di vita

dell’utenza.

Le conseguenti azioni applicabili possono essere così riassunte:• sfruttamento dell’apporto solare gratuito mediante sia sistemi passivi che attivi;• raccolta e riciclaggio delle acque piovane per usi domestici secondari (scarico

wc, irrigazione, ecc.), con conseguente risparmio di acqua potabile;• impiego di materiali da costruzione naturali non trattati e recupero di tecniche

costruttive storiche (bioedilizia);• realizzazione di un ambiente salutare per l’uomo, limitando la stratificazione

dell’aria e i relativi moti convettivi (riscaldamento a pavimento) e migliorando la qualità dell’aria interna con un’adeguata ventilazione naturale dell’edificio;

• ottimizzazione del rapporto tra edificio e ambiente esterno, riducendo le superfici impermeabilizzate esterne e studiando l’influenza della vegetazione circostante per quanto riguarda l’acustica, l’irraggiamento solare e l’esposizione al vento.

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3. LA FONTE SOLARE

La radiazione solare è l’energia elettromagnetica che viene emessa dal sole come conseguenza dei processi di fusione nucleare che in esso avvengono.Tale radiazione, sulla superficie del sole elevatissima, si espande nell’universo, giungendo al limitare dell’atmosfera terrestre dopo aver compiuto un percorso di 150 milioni di chilometri.

Costante solare

La costante solare è la quantità di radiazione che arriva sulla Terra dal sole per unità di superficie; essa è misurata sulla sfera superiore dell'atmosfera terrestre perpendicolarmente ai raggi. Le misure più recenti compiute dai satelliti forniscono un valore di 1367 W/m2 .

Air Mass

Attraversando l’atmosfera terrestre (circa 100 Km), la radiazione subisce un’attenuazione, che sarà minima con il sole esattamente in verticale rispetto al terreno (sole “allo zenith”): per questa condizione, possibile solamente nelle zone tropicali, si

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parla di Air Mass = 1 e si ha l’irraggiamento massimo, che raggiunge il valore di 1000 W/m2 .Tuttavia, è possibile raggiungere comunque tale valore di radiazione anche alle nostre latitudini grazie al contributo della radiazione diffusa o dell’albedo (si parla in questo caso di irraggiamento globale).Alle latitudini europee, specialmente nelle ore dell’alba o del tramonto, il sole è molto basso all’orizzonte, quindi dovendo attraversare una massa d’aria molto grande l’irraggiamento è molto minore.L’Air Mass sale a valori superiori in funzione dell’angolo di zenith “h”:

AM = 1/sen h

Fig. 1: definizione dell’Air Mass

Un valore medio di Air Mass, utilizzato come riferimento nei test dei pannelli fotovoltaici, è AM = 1,5 (corrispondente ad una altezza del sole di 42° sull’orizzonte).

La radiazione solare intercettata da una superficie comunque inclinata rispetto ai raggi del sole è data dalla somma di tre contributi distinti:

• Radiazione diretta: componente che colpisce la superficie con un unico e definito angolo di incidenza;

• Radiazione indiretta (o albedo): componente ricevuta dalla superficie dopo la riflessione del terreno;

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• Radiazione diffusa: componente ricevuta dalla superficie dopo la riflessione e la dispersione dovuta all’atmosfera. Essa non ha un angolo preciso di incidenza, ma proviene da tutte le direzioni. In Italia il suo valore si attesta attorno al 25% della totale radiazione captata, nel centro-Europa può raggiungere il 50%.

Percorso solare

Visto dalla Terra, il sole compie un percorso emisferico durante la giornata, da Est ad Ovest. Nell’emisfero settentrionale, il sole rimane sempre rivolto a Sud, raggiungendo l’altezza massima sull’orizzonte al mezzogiorno astronomico; essa dipende dalla latitudine del sito e dalla stagione.

Fig. 2: percorso solare nell’arco dell’anno

L’irraggiamento in Europa e in Italia

La radiazione solare (espressa in KW/m2), moltiplicata per il tempo (misurato in h), fornisce l’energia assorbita dal suolo (quindi con unità di misura KWh/m2).

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Solstizio estate

Solstizio d’inverno

Equinozio Marzo / Settembre

L’irraggiamento medio annuo è influenzato dalle condizioni climatiche e cresce quanto più ci si avvicina all’equatore; con inclinazione ottimale dei pannelli di 30°, si misurano circa:

1. in Pianura Padana 1300 KWh/(m2 anno)

2. in Centro Italia 1700 KWh/(m2 anno)

3. in Sicilia 2000 KWh/(m2 anno)

Fig. 3: irraggiamento sulla superficie europea

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Determinazione dell’irraggiamento del sito

La determinazione dell’irraggiamento effettivo nel sito di installazione dei pannelli è fondamentale, in quanto è il dato di partenza che permetterà di dimensionare l’intero impianto fotovoltaico.Per determinare questo dato, normalmente vengono utilizzati appositi programmi.Oltre al dato della latitudine del sito, l’orientamento e l’inclinazione dei pannelli, vengono inseriti anche dati relativi alle eventuali ombreggiature dei moduli, come i diagrammi delle ombre.I programmi più completi richiedono inoltre di inserire altri dati come ad esempio il tipo di terreno che circonda l’installazione, per determinarne il grado di riflessione (albedo). E’ intuibile infatti come una superficie riflettente come un lago o la neve durante i mesi invernali possa portare ad un incremento dell’energia riflessa e quindi captata dai pannelli, mentre boschi o pareti opache di case circostanti assorbono l’energia luminosa.E’ altresì fondamentale conoscere il microclima locale: la presenza di nuvolosità, nebbia, brume mattutine, ecc. ridurrà la radiazione media del sito, diminuendo la radiazione diretta, anche se si avrà un aumento di quella diffusa.L’eventuale presenza di un vento leggero e costante non porta evidentemente ad un aumento dell’irraggiamento, ma contribuisce a mantenere bassa la temperatura della superficie del modulo. Questo va tenuto in considerazione, perché permette di aumentare l’efficienza del modulo stesso e quindi la produzione di energia elettrica.

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4. SISTEMI SOLARI PASSIVI

Vengono definiti sistemi solari passivi tutti i dispositivi, accorgimenti e criteri costruttivi finalizzati al riscaldamento, raffrescamento e climatizzazione degli edifici mediante l’apporto energetico gratuito del sole e delle possibili risorse naturali del microclima locale, senza l’ausilio di mezzi meccanici alimentati con fonti esogene di distribuzione dell’energia, che avviene in questo caso mediante flussi termici naturali (conduzione, convezione e irraggiamento).In questo tipo di soluzioni, la distinzione tra i vari costituenti non è netta: maggiore è il grado di integrazione dei vari elementi, tanto più elevata sarà l’efficienza energetica finale dell’edificio e minore la necessità di dispositivi correttivi tradizionali; tale obiettivo è raggiungibile solo se l’adozione di questi sistemi viene presa in considerazione già nelle primissime fasi del progetto, così che questo abbia la possibilità di svilupparsi coerentemente con tali scelte prioritarie in tutti gli stadi successivi.L’auspicata identificazione della struttura con il sistema passivo ha inoltre l’importante merito di minimizzare l’impatto economico di quest’ultimo sul costo complessivo del progetto, sia al momento della realizzazione dell’opera, sia nell’intero ciclo di vita.

4.1 Riscaldamento passivo

Il principio fondamentale alla base della maggior parte dei dispositivi collettori è l’effetto serra, cioè l’aumento della temperatura all’interno di un ambiente vetrato esposto a soleggiamento diretto (dovuto alla trasparenza del vetro rispetto alla radiazione solare incidente e alla sua contemporanea opacità rispetto alla radiazione infrarossa restituita dagli oggetti riscaldati all’interno del vano).L’energia solare incidente tende quindi a rimanere intrappolata all’interno della struttura e tale effetto può essere prolungato o regolato con l’ausilio di accumuli di materiale ad alta inerzia termica collocati nei pressi della superficie vetrata.Questi componenti sono in grado di trattenere grandi quantità di calore, grazie ad elevati valori del calore specifico e della conduttività termica; in tale modo la massa si scalda per poi rilasciare il calore successivamente, con cicli di funzionamento prolungati e sfasati rispetto all’alternanza giorno-notte che limitano le fluttuazioni termiche. I materiali più idonei a ciò possono essere il calcestruzzo pieno, la muratura in mattoni a minima percentuale di foratura o l’acqua; l’opportunità delle diverse soluzioni è valutata in relazione al contesto di applicazione e agli spessori diversificati a seconda del materiale necessari per ottenere l’effetto desiderato.L’uso di “masse termiche” può comunque essere svincolato dall’applicazione abbinata ad una superficie vetrata ed essere coincidente con la struttura stessa dell’edificio: risulta quindi evidente che il dimensionamento accurato di tale accumulo rappresenta il problema maggiore nell’applicazione dei sistemi passivi.

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Accumulo sotterraneo: si ottiene interrando o ricoprendo di terra, parzialmente o totalmente, l’edificio, in quanto il terreno in spessori notevoli ha una grande inerzia termica e quindi le superfici esterne della struttura a contatto con esso sono caratterizzate da una temperatura pressoché costante. L’entità dello spessore deve essere valutata in relazione al ciclo temporale che si prende come riferimento: se l’inerzia termica della struttura deve essere tale da compensare l’escursione di temperatura giornaliera, possono essere sufficienti 20-30 cm di terreno, mentre se si vuole mantenere la temperatura costante per più giorni lo spessore deve essere incrementato notevolmente, fino a diversi metri.La soluzione completamente ipogeica è di difficile realizzazione e l’applicazione più comune di questo principio consiste in realtà nel parziale interramento dei fronti più sfavorevoli dell’edificio allo scopo di contenere le dispersioni nei mesi invernali.

Accumulo interno: si realizza collocando elementi di grande capacità termica all’interno dell’edificio, nelle vicinanze di superfici vetrate. Per ottimizzare la correzione del ciclo giorno-notte è preferibile distribuire la massa su una superficie ampia di spessore sottile.

Accumulo in copertura: si ottiene localizzando la massa termica nella copertura, allo scopo di smorzare le variazioni termiche interne dovute all’influenza della parte dell’edificio caratterizzata dalle maggiori sollecitazioni. La collocazione della massa a ridosso dell’ambiente esterno richiede necessariamente la predisposizione di sistemi di isolamento notturno; a tal fine si possono utilizzare i materiali già presi in considerazione nei casi precedenti, prevedendo però un sovradimensionamento delle strutture portanti.

4.1.1 Le superfici vetrate: tipologie e frontiere di’innovazione

La funzione di captazione della radiazione solare è spesso demandata alle superfici vetrate. Le loro tipologie si possono distinguere in base alla possibilità o meno di regolazione stagionale della captazione integrata nel dispositivo, alla visibilità e accessibilità esterna ed al maggiore o minore contributo per riflessione da superfici esterne.Le tipologie più frequentemente utilizzate risultano elencate nel seguito.

• FRANGISOLE – finestre verticali con aggetto dimensionato per consentire la massima captazione invernale e la protezione estiva: per il loro dimensionamento, è opportuno conoscere la latitudine del sito in modo da ricavare l’altezza minima (d’inverno) e massima (d’estate) del sole sull’orizzonte e valutare così in modo preciso la dinamica delle ombre nell’arco dell’anno.

• LUCERNARI – finestre ricavate sul piano di copertura, sia esso piano o inclinato: la seconda soluzione è quella da preferire in quanto consente una maggiore captazione invernale (idealmente la superficie vetrata dovrebbe essere inclinata rispetto all’orizzontale di un angolo pari alla latitudine del luogo);

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ovviamente il loro impiego deve essere abbinato all’impiego di dispositivi di schermatura automatizzati per la limitazione della captazione estiva e della dispersione notturna.

• CLARESTORY – finestre che si aprono sulle pareti verticali di coperture a falde sfalsate o a dente di sega: le caratteristiche sono analoghe a quelle dei lucernari, ma rispetto ad essi i clarestory possono essere dotati di frangisole selettivo per il regime estivo e invernale (rendendo superflua l’adozione di schermature estive) e inoltre la posizione verticale consente la fruizione dell’apporto solare per riflessione da eventuali superfici o strutture adiacenti.

4.2 Raffrescamento passivo

Ci si riferisce a tutti quei processi di dispersione del calore che avvengono naturalmente, senza l’adozione di strumenti meccanici o il consumo di energia esogena: vengono qui comprese quindi tutte le possibilità d’intervento con le quali è possibile ottenere un effetto di raffreddamento apprezzabile all’interno di un edificio connesso con l’ambiente esterno con l’ausilio di opportune aperture o condotti.Il recupero di tecniche naturali di raffrescamento degli ambienti può essere, nella maggioranza dei casi, sufficiente alle nostre latitudini a ristabilire le condizioni di comfort all’interno degli edifici, riducendo il contributo delle soluzioni attive.Alla base di tutte le strategie di raffrescamento passivo vi sono due azioni distinte:

1. riduzione del carico termico proveniente dall’esterno (o immissione di aria più fresca prelevata dalle zone ombreggiate adiacenti all’edificio);

2. smaltimento del calore accumulato tramite ventilazione naturale.Si può operare una distinzione di base tra i sistemi che generano solo movimento dell’aria (ventilazione) e quelli finalizzati alla climatizzazione vera e propria, cioè al controllo sia della temperatura che dell’umidità dell’aria.

4.2.1 Sistemi con ventilazione

Sistema con ventilazione incrociata: è quello più semplice e intuitivo in quanto consiste nel collocare le finestre in facciate contrapposte, in modo da fornire alle correnti d’aria esterne una via di accesso e di estrazione all’interno dell’ambiente. Le aperture devono essere posizionate in facciate che comunichino con spazi esterni con

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condizioni di esposizione alla radiazione solare e ventilazione il più possibile diverse tra loro, in modo da instaurare le maggiori differenze possibili di pressione e temperatura. Tale sistema è efficace nei climi caldo umidi o temperati con ventosità estiva moderata o alta, quando sia necessario minimizzare il disagio fisiologico dovuto all’elevata umidità ed agevolare la dispersione corporea per convezione. La ventilazione incrociata consente un numero di ricambi orari dell’aria ambientale compreso tra 8 e 20, a seconda della forza del vento.

Sistema a effetto camino: questa soluzione favorisce l’estrazione dell’aria calda dall’ambiente attraverso aperture realizzate nella parte alta di esso, collegate a un condotto di estrazione, e la contemporanea immissione di aria fredda da aperture prossime al pavimento, in comunicazione con l’esterno; la differenza di densità tra l’aria in ingresso e in uscita fa sì che quella calda tenda a salire e uscire dal camino solare. Il sistema è tanto più efficace quanto maggiore è la differenza di temperatura tra la sommità del camino e l’aria fresca in ingresso; a questo scopo è utile proteggere dall’irraggiamento le zone di immissione dell’aria esterna (creando sacche d’aria fresca con l’ausilio della vegetazione o altre soluzioni per l’ombreggiamento) e lasciare la cima della torre esposta all’insolazione diretta per agevolarne il riscaldamento. Il camino solare ha in genere un rendimento inferiore rispetto al sistema di ventilazione incrociata (il numero di rinnovi orari oscilla tra 4 e 6), ma è sicuramente più efficiente per evitare la stratificazione dell’aria negli ambienti.Nei climi caratterizzati da elevate temperature esterne il funzionamento del sistema può essere compromesso dalla insufficiente differenza di temperatura tra l’aria in ingresso e quella in uscita: per aumentare questo divario, si può ricorrere alla realizzazione di una camera solare, ovvero alla collocazione di uno spazio collettore vetrato a ridosso del punto di estrazione che riscaldi ulteriormente l’aria uscente per effetto serra (il numero di ricambi orari sale così tra 5 e 10).

Aspiratore statico: il sistema può essere considerato una variante del camino solare, in cui l’estrazione dell’aria venga ulteriormente incrementata con l’applicazione alla sommità del camino di un dispositivo statico esposto al passaggio dei venti dominanti, che determina l’instaurarsi di una zona di bassa pressione che provoca un effetto di estrazione rispetto al

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locale interno (effetto Venturi). Per ottenere alti livelli di efficienza, cioè almeno 10 rinnovi orari, è indispensabile il corretto dimensionamento del dispositivo e una conoscenza precisa della direzione e consistenza dei venti dominanti, in assenza dei quali questa soluzione non può trovare applicazione.

Torre del vento: contrariamente ai sistemi precedenti, qui il condotto è sfruttato per introdurre l’aria nella zona inferiore dell’edificio. Le correnti d’aria vengono intercettate all’esterno dalle torri che si elevano sopra la copertura fino a intersecare le direzioni dei venti dominanti alle quali espongono una o più opportune bucature d’ingresso, a seconda del regime locale dei venti. L’efficienza effettiva (circa tra i 3 e i 6 ricambi orari) è condizionata da diversi fattori, come l’altezza della torre, la sua sezione e il rapporto dimensionale con gli ambienti serviti; in linea di massima la velocità dell’aria nel condotto cresce con l’altezza dello stesso. Tra i pregi di tale soluzione, vi sono anche la riduzione sensibile del contenuto in polveri dell’aria in ingresso e la mancanza di condizionamenti dovuti ad eventuali ostruzioni nella parte bassa dell’edificio.

4.2.2 Sistemi di trattamento dell’aria

Tali sistemi si propongono di realizzare il raffrescamento evaporativo dell’aria, basandosi sul principio per cui l’acqua evaporando sottrae calore all’aria con cui viene a contatto, raffreddandola e aumentandone il contenuto in umidità; questo processo è tanto più rilevante quanto più la miscela iniziale d’aria è calda e secca e quanto maggiore è la superficie di contatto tra l’aria e l’acqua.

Torre evaporativa: ha la funzione di captazione dell’aria attraverso un condotto che viene mantenuto umidificato con sistemi di scorrimento superficiale dell’acqua; in questo modo l’aria in ingresso cede ulteriormente calore alle pareti ed aumenta la propria umidità e, grazie al conseguente raffreddamento e aumento della densità, scende lungo il condotto e raggiunge l’ambiente da trattare.L’effetto di spinta dovuto al solo raffreddamento è piuttosto limitato ma facilmente incrementabile se la struttura viene dimensionata correttamente anche come torre del vento e quindi sfruttando anche la spinta dei venti esterni.

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Ventilazione sotterranea: questo sistema sfrutta l’inerzia del terreno e la sua umidità per il trattamento dell’aria mediante raffrescamento evaporativo; esso prevede di far circolare l’aria da immettere negli ambienti attraverso cavità naturali o percorsi artificiali caratterizzati da pareti porose che consentano anche il passaggio di vapore. Le tubazioni possono essere posizionate a profondità variabili tra i 6 e i 12 metri a seconda della natura del terreno, tenendo conto che nei mesi estivi per ogni metro di profondità la temperatura della terra diminuisce di circa 1 °C.Avendo il terreno la proprietà di mantenere pressoché costante la propria temperatura nell’arco dell’intero anno, la ventilazione sotterranea può essere sfruttata anche nei mesi invernali per fornire aria più calda di quella esterna, soprattutto nei climi con forti escursioni termiche stagionali.

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5. SISTEMI SOLARI ATTIVI: CARATTERISTICHE DEGLI IMPIANTI SOLARI TERMICI E FOTOVOLTAICI

I sistemi attivi sono considerati dei veri e propri impianti tecnologici alternativi ai dispositivi tradizionali, in cui i vari elementi costitutivi sono chiaramente distinguibili e necessitano di una qualche forma di alimentazione energetica esogena al sistema.Il trasferimento dell’energia tra il circuito primario e quello secondario infatti non avviene tramite flussi naturali (o questi sono insufficienti), ma con l’ausilio di pompe di circolazione, ventilazione, ecc., che devono essere alimentate in modo tradizionale o comunque con energia già accumulata in precedenza (sistemi stand-alone a batterie).Per questi dispositivi, l’integrazione nell’edificio è paragonabile a quella degli impianti di riscaldamento tradizionali e quindi il loro impiego può essere previsto in una fase avanzata della progettazione o proposto in edifici esistenti.

L’orientamento del modulo

Angolo di Azimut: orientamento rispetto al Sud. Per la massima captazione dell’energia solare, l’orientamento migliore è verso Sud perché consente di seguire il percorso giornaliero del sole nel cielo. Tuttavia, la variazione della producibilità in funzione

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dell’angolo di azimut è limitata: per angoli di azimut compresi tra - 45 º e + 45 º rispetto al Sud (Sud-Est/Sud-Ovest), si ha una riduzione pari solo al 5%.

Angolo di Tilt: inclinazione rispetto all’orizzonte. In generale, l’inclinazione ottimale è pari alla latitudine del sito diminuita di 10-15 gradi.

I dati d’insolazione sul piano orizzontale sono forniti in forma tabellare dalle norme UNI o da tabelle/mappe fornite dall’ENEA; spesso però i moduli hanno inclinazione e orientamento diversi, vincolati dall’architettura dell’edificio e dalle disponibilità di spazi. Questa diversa disposizione condizionerà la resa dell’impianto e l’energia incidente sulla superficie del modulo. Le variazioni dell’energia disponibile in funzione della disposizione dei pannelli sono espresse da un fattore correttivo di inclinazione e orientamento (FIO).L’irraggiamento medio annuo, ovvero l’energia solare incidente utile sul piano dei moduli (IM), sarà quindi dato da: IM = I * FIO.

Tabella 1: Fattore correttivo di Inclinazione rispetto alla posizione orizzontale e Orientamento rispetto al Sud (valori tipici alla latitudine di 45°)

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Orientamento (azimut, in

gradi)

Inclinazione (tilt, in gradi)

20° 30° 45° 60° 90°

0° (Sud) 1,11 1,13 1,11 1,03 0,75

± 15° 1,10 1,12 1,11 1,03 0,76

± 30° 1,09 1,11 1,10 1,03 0,78

± 45° 1,07 1,09 1,08 1,02 0,79

± 60° 1,05 1,06 1,04 0,99 0,78

± 90° (Est-Ovest)

0,99 0,97 0,94 0,88 0,70

Per quanto riguarda i pannelli solari, si può massimizzare la quantità di energia captata nel periodo di funzionamento agendo sull’angolo di tilt:- per utenze estive, l’inclinazione ottimale del collettore è di circa 15° inferiore alla latitudine del sito;- per utenze annuali, l’inclinazione ottimale è pari alla latitudine del sito.

5.1 IMPIANTI SOLARI TERMICI A BASSA TEMPERATURA

Un impianto solare termico rappresenta una delle forme più semplici di sfruttamento delle energie rinnovabili, è ecologico dato che riduce le emissioni inquinanti ed eleva il valore dell’edificio limitando la dipendenza dall’aumento dei costi energetici.La radiazione solare è convertita in energia termica per mezzo di componenti preposti alla captazione; alcuni di questi dispositivi sono in grado di sfruttare la sola radiazione diretta, mentre altri consentono di utilizzare sia la componente diretta che quella diffusa o riflessa.Per usi civili, sono preferiti i pannelli solari piani perché possono essere facilmente integrati nella comune edilizia a differenza dei collettori a concentrazione che richiedono invece delle proprie strutture di sostegno e movimento.

Fig. 4: funzionamento del collettore solare

Il principio di funzionamento è il medesimo di quello che si verifica in una serra: difatti, dei raggi solari incidenti la superficie vetrata, solo una piccola parte viene riflessa, mentre la parte restante attraversa il vetro e viene assorbita da una piastra captante di

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colore nero, la quale, scaldandosi, reimmette energia sotto forma di radiazione infrarossa, rispetto alla quale il vetro si comporta come se fosse opaco, trattenendola così al suo interno (effetto serra). In questo modo la temperatura del fluido vettore primario tende ad aumentare; la radiazione solare incidendo sul pannello innesca quindi l’effetto serra.Nell’attraversare i pannelli, il fluido termovettore asporta l’energia termica proveniente dalla radiazione solare e si porta ad una temperatura superiore a quella di uscita dal serbatoio di accumulo.Passando attraverso lo scambiatore di calore posto all’interno del serbatoio di accumulo, il fluido termovettore cede calore all’acqua che di conseguenza si riscalda; a questo punto, il fluido, ormai raffreddato, torna ai pannelli chiudendo così il ciclo.Al ripetersi dei cicli aumenterà l’apporto energetico per l’acqua contenuta nel serbatoio di accumulo. La temperatura di quest’ultima si potrà portare quindi a valori prossimi a quelli del fluido termovettore.

Fig. 5: elementi costitutivi del collettore solare

La copertura trasparente ha la funzione di permettere il passaggio delle radiazioni solari incidenti, proteggere la superficie assorbente ed impedire la fuoriuscita delle radiazioni infrarosse emesse da quest'ultima per irraggiamento. Si crea in questo modo, all'interno del pannello, l'effetto serra che incrementa il rapporto tra l'energia radiante assorbita e quella incidente. Il materiale che costituisce la copertura deve pertanto essere trasparente alle radiazioni solari ed opaco alle radiazioni infrarosse.Il materiale che meglio soddisfa queste condizioni è il vetro a basso contenuto di ferro. All’aumentare della concentrazione di ferro, si passa da trasmittanze elevate per lo spettro solare ad emittanze elevate nello spettro infrarosso.Un modo empirico per controllare il contenuto di ferro è quello di esaminare i bordi della lastra che devono essere incolore oppure bluastri, ma mai sul verde.L’isolamento termico ha la funzione di ridurre al minimo le perdite per conduzione della piastra. Generalmente esso è costituito da poliuretano espanso o polistirolo espanso; per temperature maggiori di 80 °C, si utilizzano invece lana di vetro o lana di roccia.

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In un collettore termico con forma appropriata e ben costruito, l’isolamento termico della parte posteriore e laterale del medesimo permette di evitare il 20% del totale delle perdite di calore. Per raggiungere quest’obiettivo, occorre impiegare materiale resistente alle alte e alle basse temperature, che mantenga le sue proprietà isolanti se esposto all’umidità e che sia diffuso, economico e non inquinante; inoltre deve sempre essere garantito lo spessore necessario per l’isolamento desiderato.

Un impianto per l’utilizzo termico a bassa temperatura dell’energia solare comprende i seguenti elementi:

• Sistema di captazione e trasformazione dell’energia : corrisponde al pannello o collettore solare, che assorbe la radiazione solare e la trasforma direttamente in energia termica, trasferendola ad un opportuno fluido termovettore che può essere acqua, aria o un fluido diatermico;

• Sistema di accumulo : è costituito da un serbatoio contenente il fluido da utilizzare, con la principale funzione di ridurre la variabilità dell’energia incidente e rimediare allo sfasamento temporale tra disponibilità e fabbisogno;

• Circuito Idraulico e centralina di controllo : collega i collettori e l’accumulo con opportuno sistema di regolazione e di circolazione del fluido ed essendo quest’ultimo quasi sempre distinto da quello utilizzato dall’utente deve prevedersi la presenza di uno scambiatore di calore;

• Sistema di integrazione : consente di sopperire ai periodi di minore insolazione tramite ad esempio una caldaia a combustibile fossile o una pompa di calore elettrica.

Esistono due tipi di circolazione del fluido termovettore: naturale (immagine a sinistra della fig. 6) e forzata (immagine a destra della fig. 6).

Fig. 6: circolazioni naturale e forzata del fluido termovettore

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In un impianto a circolazione forzata, molto più efficiente, la pompa si aziona quando la differenza di temperatura (tra la parte inferiore dell’accumulo e la parte più calda dei collettori) supera un certo valore (circa 7 o 8 K) e si arresta quando tale differenza scende a un livello inferiore (circa 2 – 4 K).Inoltre, negli impianti più moderni, è previsto lo svuotamento del fluido presente nel circuito verso l’accumulo in caso di basse temperature esterne che ne provocherebbero il congelamento o alte temperature esterne con il contemporaneo inutilizzo di acqua calda che ne comporterebbero l’ebollizione e quindi l’eccessivo aumento di pressione.

Criteri di dimensionamento

Il dimensionamento di un sistema solare termico parte dalla conoscenza della richiesta energetica dell’utenza.Il criterio del dimensionamento nelle condizioni più gravose porterebbe ad un sovradimensionamento intollerabile dell’impianto che, per il costo dei collettori, lo renderebbe fallimentare e comunque non assicurerebbe la piena autonomia: il problema del corretto dimensionamento è dunque non solo una questione tecnica, ma tecnico-economica.Una progettazione razionale richiede un’accurata previsione dell’energia utile che l’impianto potrà fornire tramite la frazione del carico termico che si vuole coprire: in questo modo si potrà raggiungere l’ottimizzazione del fabbisogno e dei costi.Il carico energetico dell’utenza domestica difficilmente si sposa con l’effettiva disponibilità energetica fornibile da un impianto solare, come si evince dal grafico seguente:

Fig. 7: diagramma del bilancio energetico in un sistema solare termico

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E’ comunque possibile adottare sistemi semplificati che permettono di effettuare un dimensionamento di massima: ipotizzando un fabbisogno di ACS di 50 l/giorno procapite a 50 °C e una copertura del 70% annuo, risultano necessari pannelli di superficie pari circa a

• 1,2 m2 /persona al Nord Italia;• 1 m2 /persona al Centro;• 0,8 m2 /persona al Sud.

Se consideriamo invece un’utenza combinata ACS + Riscaldamento Ambiente, per una copertura del carico termico di circa il 30% su edilizia residenziale in classe energetica D (in conformità alla legge 10/1991) con un fabbisogno termico di circa 90 kWh/(m2anno), si stima siano necessari per un impianto in condizioni ideali :

• 1,20 ÷ 1,00 m2 per ogni 10 m2 di superficie abitata al Nord Italia;• 1,00 ÷ 0,80 m2 per ogni 10 m2 di superficie abitata al Centro Italia;• 0,80 ÷ 0,60 m2 per ogni 10 m2 di superficie abitata al Sud Italia.

5.2 IMPIANTI SOLARI FOTOVOLTAICI

L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell’energia solare direttamente in elettricità, sfruttando un dispositivo chiamato cella fotovoltaica; questo processo è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni particolari elementi, detti semiconduttori.La cella fotovoltaica è sostanzialmente un diodo, ovvero una giunzione PN tra due semiconduttori, uno drogato P e l’altro N (essa viene anche chiamata fotopila o batteria solare). Il semiconduttore maggiormente usato è il Silicio, opportunamente trattato.

Fig. 8: rappresentazione dell’effetto fotovoltaicoIn un isolante o in un semiconduttore, si definisce come banda di valenza quella della struttura elettronica a bande più elevata in energia fra quelle occupate dagli elettroni. Il

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termine "valenza" è stato dato in analogia agli elettroni di valenza di un atomo, che sono quelli del guscio atomico più esterno. E come in un atomo, gli elettroni di valenza di un solido sono quelli responsabili delle caratteristiche fisiche principali del solido.Un legame covalente polare o apolare si viene a instaurare quando avviene una sovrapposizione degli orbitali atomici di due atomi con elettronegatività inferiore a 1,70. Ciò avviene per una ragione ben precisa: gli atomi tendono al minor dispendio energetico possibile ottenibile con la stabilità della loro configurazione elettronica (ad esempio l'ottetto). Un tipico esempio è fornito dalla combinazione di due atomi di idrogeno, che porta alla struttura covalente: H· + ·H --> H:H

L’effetto fotovoltaico si realizza quando un elettrone presente nella banda di valenza di un materiale (semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un fotone sufficientemente energetico incidente sul materiale.Deve trattarsi di un semiconduttore perché:

• in un isolante il gap di energia è alto, quindi gli elettroni rimangono nella banda di valenza e non sono liberi;

• in un conduttore non esiste un gap di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione, quindi gli elettroni si muovono liberamente;

• in un semiconduttore esiste un gap di energia ma non tanto grande come negli isolanti: se agli elettroni viene fornita un’energia sufficiente, questi possono saltare nella banda di conduzione creando una lacuna.

Consideriamo un cristallo di Silicio: al suo interno, gli atomi sono legati da legami covalenti. Se il cristallo viene opportunamente drogato con atomi appartenenti al terzo gruppo (ad esempio Boro) e del quinto gruppo (ad esempio Fosforo), si ottiene rispettivamente una struttura di tipo p (con eccesso di lacune e quindi carica positivamente) ed una di tipo n (con eccesso di elettroni e dunque carica negativamente).

Fig. 9: struttura atomica di un cristallo drogato di SilicioI due tipi di struttura vengono messi a contatto: la zona di separazione è chiamata giunzione p-n.

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Quando avviene ciò, si genera un flusso elettronico dovuto alla differente concentrazione dei due tipi di cariche libere: le lacune della zona di tipo p attraversano la giunzione e si ricombinano con alcuni elettroni nella zona n e viceversa gli elettroni nella zona di tipo n attraversano la giunzione e si ricombinano con alcune lacune nella zona p.Questo genera in prossimità della giunzione (spessore di svuotamento) due strati di carica fissa e di segno opposto e quindi un forte campo elettrico. Illuminando la giunzione p-n, si generano coppie lacune-elettroni su entrambe le zone p e n; il campo elettrico separa gli elettroni in eccesso, generati dall’assorbimento della luce, dalle rispettive lacune, spingendoli in direzioni opposte.Una volta attraversato il campo, gli elettroni non tornano più indietro perché il campo agisce come un diodo e ne impedisce l’inversione di marcia: si forma così una differenza di potenziale.

Efficienza di conversione

Fig. 10: efficienza della cella

La cella può utilizzare solo una parte dell’energia della radiazione solare incidente. L’energia sfruttabile dipende dalle caratteristiche del materiale di cui è costituita la cella: l’efficienza di conversione, intesa come percentuale di energia luminosa trasformata in energia elettrica disponibile, per le celle commerciali al silicio è in genere compresa tra il 12% e il 17%, mentre realizzazioni speciali di laboratorio hanno raggiunto valori del 24%.

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L’efficienza di conversione di una cella solare è limitata da numerosi fattori, alcuni dei quali di tipo fisico, cioè dovuti al fenomeno fotoelettrico e pertanto assolutamente inevitabili, mentre altri, di tipo tecnologico, derivano dal particolare processo adottato per la fabbricazione del dispositivo fotovoltaico.Le cause d’inefficienza sono essenzialmente dovute al fatto che:• non tutti i fotoni possiedono un’energia sufficiente a generare una coppia elettrone-lacuna;• l’eccesso di energia dei fotoni non genera corrente ma viene dissipata in calore all’interno della cella;• non tutti i fotoni penetrano all’interno della cella in quanto in parte vengono riflessi;• una parte della corrente generata non fluisce al carico ma viene dissipata all’interno della cella;• solo una parte dell’energia acquisita dall’elettrone viene trasformata in energia elettrica;• non tutte le coppie elettrone-lacuna generate vengono separate dal campo elettrico di giunzione ma una parte si ricombina all’interno della cella;• la corrente generata è soggetta a perdite conseguenti alla presenza di resistenze.

Fig. 11: spettro della radiazione solare

La tecnologia del silicio

Attualmente il materiale più usato è lo stesso silicio adoperato dall’industria elettronica, il cui processo di fabbricazione presenta costi molto alti, non giustificati dal grado di purezza richiesto dal fotovoltaico, che è inferiore a quello necessario in elettronica.

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Il processo più comunemente impiegato per ottenere silicio monocristallino parte dalla preparazione di silicio metallurgico (puro al 98% circa) mediante riduzione della silice (SiO2) con carbone in forni ad arco.Dopo alcuni processi intermedi consistenti nella conversione del silicio metallurgico a silicio monocristallino (metodo Czochralskj), vengono ottenuti lingotti cilindrici (da 13 a 30 cm di diametro e 200 cm di

lunghezza) di silicio monocristallino, solitamente drogato p mediante l’aggiunta di boro.Questi lingotti vengono quindi ‘affettati’ in wafer (fette di silicio di spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm).

Da alcuni anni l’industria fotovoltaica sta sempre più utilizzando il silicio policristallino (costituito da più cristalli), che unisce ad un grado di purezza comparabile a quello del monocristallino costi inferiori. I lingotti di policristallino, anch’essi di solito drogati p, sono a forma di parallelepipedo e vengono sottoposti al taglio, per ottenerne fette di 0,20÷0,35 mm di spessore.

Per fabbricare la cella, la fetta viene prima trattata con decapaggio chimico al fine di eliminare eventuali asperità superficiali e poi sottoposta al processo di formazione della giunzione p-n: il drogaggio avviene per diffusione controllata delle impurità in forni (se ad es. si parte da silicio di tipo p, si fanno diffondere atomi di fosforo, che droga n, con una profondità di giunzione pari a 0,3-0,4 μm).Segue quindi la realizzazione della griglia metallica frontale di raccolta delle cariche elettriche e del contatto elettrico posteriore, per elettrodeposizione o per serigrafia.Infine, allo scopo di minimizzare le perdite per riflessione ottica, si opera la deposizione di un sottile strato antiriflesso, per esempio di TiO2.La cella è generalmente di forma quadrata di superficie pari a circa 100 cm2 (ma può arrivare sino a 400 cm2) e si comporta come una minuscola batteria, producendo – nelle condizioni di soleggiamento standard (1 kW/m2 e a 25 °C) – una corrente di 3 A con una tensione di 0,5 V, quindi una potenza di 1,5 Watt. La tecnologia dei film sottili, invece, sfrutta la deposizione (ad esempio su vetro) di un sottilissimo strato di materiale semiconduttore, in questo caso il silicio amorfo.Tale tecnologia punta sulla riduzione del costo della cella e sulla versatilità d’impiego (ad esempio la deposizione su materiali da utilizzare quali elementi strutturali delle facciate degli edifici), anche se resta da superare l’ostacolo rappresentato dalla bassa efficienza e dall’instabilità iniziale.Questa tecnologia potrebbe rappresentare la carta vincente per trasformare il fotovoltaico in una fonte energetica in grado di produrre energia su grande scala.

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La tecnologia a film sottile può risolvere il problema dell’approvvigionamento del materiale, in quanto, comportando un consumo di materiale molto limitato, pari a circa 1/200 di quello richiesto per la tecnologia del silicio cristallino (in questo caso la ‘fetta’ ha uno spessore ridottissimo dell’ordine di pochi micron), potrebbe permettere lo sviluppo di processi produttivi dedicati, che non dipendano dall’industria elettronica.Inoltre, utilizzando questa tecnologia è possibile ottenere moduli leggeri e flessibili, fabbricare il modulo con un unico processo e avere la possibilità di realizzare celle tandem (doppia giunzione).

Fig. 12: sequenza

di

fabbricazione dei moduli in silicio amorfo

Il processo di fabbricazione prevede la deposizione su un substrato (tipicamente vetro) di un sottilissimo strato di materiale trasparente e conduttore (ad es. ossido di stagno).Tale strato viene parzialmente asportato ottenendo in tal modo una serie di elettrodi che costituiscono i contati anteriori delle singole giunzioni p-n. Successivamente viene depositato in sequenza il silicio amorfo di tipo p, intrinseco e di tipo n.Anche in seguito al deposito del silicio amorfo si procede alla parziale asportazione del materiale (mediante laser spattering) in modo da realizzare una serie di giunzioni p-n.Infine, tramite deposizione e parziale asportazione di alluminio o argento viene realizzata una nuova serie di elettrodi che costituiscono i contatti posteriori delle giunzioni. In questo modo, mediante un unico processo che prevede varie sequenze di deposizione e di asportazione di materiale, si realizza un insieme di giunzioni p-n collegate in serie fra loro che costituiscono l’intero modulo.Potenzialmente i film sottili hanno un costo inferiore al silicio cristallino, sia per la maggiore semplicità del processo realizzativo, sia per il minor pay-back time. Esso equivale al periodo di tempo che deve operare il dispositivo fotovoltaico per produrre l’energia che è stata necessaria per la sua realizzazione. Infatti, per le celle al silicio cristallino il pay-back time corrisponde a circa 3,2 anni mentre per quelle a film sottile è pari a circa 1,5 anni.

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I pannelli a materiali plastici

I pannelli fotovoltaici tradizionali sono di stimolo per nuove ricerche nello stesso ambito: il silicio, infatti, ha proprietà che possono essere riprodotte in materiali meno difficili da sintetizzare, meno costosi e meno dannosi per l’ambiente in caso di rotture accidentali o di errate procedure di smaltimento.Le “plastiche” sono materiali rigidi la cui struttura microscopica (ovvero la disposizione dei polimeri che le costituiscono) è disordinata. Tali filamenti sono intrecciati in maniera caotica e gli interstizi tra l’uno e l’altro possono essere riempiti d’acqua – per facilitare il passaggio di particelle eventualmente cariche attraverso il materiale – oppure in alternativa da microscopici granelli di materiale in grado di compiere funzioni complementari o di supporto a quelle svolte dai polimeri stessi.A differenza dei pannelli al silicio, quelli basati sull’uso della plastica non possiedono una zona di separazione ben definita all’interno del materiale, ma si presentano perfettamente omogenei.Affinché si attui un meccanismo analogo a quello che sta alla base del funzionamento dei pannelli al silicio, occorre che all’interno del materiale plastico venga dispersa della polvere di carbonio finissima, della stessa composizione chimica del carbone o della grafite. In queste condizioni, lo strato di separazione non è più tra due zone dello stesso componente (come nel caso del silicio) ma alla superficie di contatto tra ogni granello di polvere di carbonio e la plastica che lo circonda: la superficie di scambio è quindi distribuita all’interno di tutto il materiale.Quando la luce attraversa lo strato plastico, è assorbita e produce la scissione delle cariche e la conseguente produzione di corrente elettrica.

Tale tecnologia presenta i seguenti pregi e difetti:• i pannelli polimerici sono più leggeri di quelli al silicio, con evidenti vantaggi in

termini di trasporto, posa ed eventuale orientamento in direzione del sole;• sono più economici sia perché la materia prima è meno costosa sia per la

semplicità dei processi di produzione (esistono progetti che prevedono l’utilizzo delle buste di plastica dismesse dai supermercati con una riduzione dei costi di circa l’80%);

• sono flessibili e possono adattarsi a ricoprire superfici curve o irregolari;• i pannelli plastici hanno una resa inferiore a quella dei pannelli al silicio (5-6%

contro il 15%), tuttavia l’intervento delle nanotecnologie sta colmando rapidamente il divario;

• i pannelli plastici sono più facilmente deteriorabili e presentano una più accentuata diminuzione delle prestazioni a causa del riscaldamento sotto il sole e del danneggiamento dovuto ai raggi ultravioletti;

• il materiale plastico presenta più frequentemente irregolarità che determinano un aumento della resistenza al passaggio della corrente e conseguente calo della resa della cella;

• sotto il profilo pratico, i pannelli al silicio hanno il vantaggio di condividere i processi di produzione e le infrastrutture con l’industria dei computer.

A causa dei problemi ancora da risolvere, le ditte produttrici di pannelli solari organici sono ancora poche. La prima a impegnarsi nel settore è stata la Konarka Technologies, forte del premio Nobel per la Chimica del 2000 vinto dal cofondatore Alan Jay Heeger;

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inizialmente la produzione ha interessato settori di nicchia, come ad esempio pannelli per la ricarica di computer portatili e telefonini, ma la semplicità di realizzazione potrà permettere una produzione di pannelli plastici su larga scala.

Le nuove tecnologie

Gli sforzi della ricerca e delle industrie fotovoltaiche sono mirati alla riduzione dei costi di produzione ed al miglioramento dell’efficienza di conversione attraverso la realizzazione di celle innovative e lo studio e la sperimentazione di nuovi materiali.Per la fabbricazione di celle innovative, sono state messe a punto, ad esempio, procedimenti per il taglio delle fette di materiale semiconduttore di grande area (400 cm2) e di piccolo spessore (0,15 mm) che rendano minimi sia i quantitativi richiesti, sia gli sprechi di materia prima.Riguardo ai nuovi materiali, si è puntato a sviluppare varie tecnologie, basate su diverse materie prime, semplici e composte. Le più rilevanti sono i “film sottili” (prodotti della tecnologia che sfrutta, per la realizzazione della cella fotovoltaica, la deposizione di un sottilissimo strato di materiali semiconduttori quali il diseleniuro di indio e rame CuInSe2 e il telluriuro di cadmio CdTe) e i dispositivi di terza generazione.Studi teorici su materiali non convenzionali (intermediate band PV, ottenuti inserendo nella struttura del cristallo un metallo di transizione tipo Ti) mostrano la possibilità di ottenere efficienze pari al 63% mentre altri su molecole di materiali discotici, capaci di aggregarsi in modo da favorire una elevata mobilità di cariche, ne evidenziano la potenziale applicazione nel fotovoltaico.A livello di celle tandem, vengono investigati vari aspetti: high bandgap top cell on TCO, tunnel junction, impatto delle proprietà del TCO, i cui modelli forniscono valori di efficienza intorno al 25%; in pratica, i risultati conseguiti si aggirano intorno a incrementi di efficienza dell’8,8%Per quanto riguarda le celle dye-sensitized, sono state investigate alcune strutture in cui è stato ottimizzato il foto-elettrodo che hanno fornito incrementi di efficienza pari al 7,9%. Sono stati inoltre evidenziati i vantaggi (rispetto alle celle di tipo tradizionale Gratzel) nel realizzare dispositivi con due anodi (TiO2) e un catodo metallico intermedio.Nel campo dei TCO, vengono illustrati nuovi ossidi semiconduttori trasparenti basati su chemical bounding.I materiali emergenti per la realizzazione di nuove celle riguardano l’ossido di indio depositato mediante radio frequenza, il solfuro di stagno (che ha caratteristiche di semiconduttore di tipo p) e il b-FeSi per il suo coefficiente di assorbimento.Vengono inoltre studiati alcuni approcci per l’innalzamento dell’efficienza riguardanti il termofotonico e la conversione up and down. Il termofotonico riesce a superare lo svantaggio del termofotovoltaico ricorrendo ad un led estremamente selettivo con una elevata efficienza quantica. La conversione up and down implica l’adattamento dello spettro alle caratteristiche della cella. Per celle a giunzione singola in combinazione con la conversione up and down, è stata calcolata un’efficienza pari al 35%.

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Fig. 13: efficienza della varie generazioni di pannelli fotovoltaici

La fabbricazione dei moduli

Le celle solari costituiscono un prodotto intermedio dell’industria fotovoltaica: forniscono valori di tensione e corrente limitati in rapporto a quelli normalmente richiesti dagli apparecchi utilizzatori, sono estremamente fragili, elettricamente non isolate, prive di supporto meccanico.Esse vengono, quindi, assemblate in modo opportuno a costituire un’unica struttura: il modulo fotovoltaico; una struttura robusta e maneggevole, in grado di garantire molti anni di funzionamento anche in condizioni ambientali difficili.Il processo di fabbricazione dei moduli è articolato in varie fasi:• connessione elettrica,• incapsulamento,• montaggio della cornice e della scatola di giunzione.

La connessione elettrica consiste nel collegare in serie-parallelo le singole celle per ottenere i valori di tensione e di corrente desiderati.Al fine di ridurre le perdite per disaccoppiamento elettrico, è necessario che le celle di uno stesso modulo abbiano caratteristiche elettriche simili tra loro.

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Fig. 14: elementi costitutivi di un pannello fotovoltaico

L’incapsulamento consiste nell’inglobare le celle fotovoltaiche tra una lastra di vetro e una di plastica, tramite laminazione a caldo di materiale polimerico. È importante che l’incapsulamento, oltre a proteggere le celle, sia trasparente alla radiazione solare, stabile ai raggi ultravioletti e alla temperatura, abbia capacità autopulenti e consenta di mantenere bassa la temperatura delle celle.In linea di principio la vita di una cella solare è infinita; è pertanto la durata dell’incapsulamento a determinare la durata di vita del modulo, oggi stimabile in 25-30 anni.Il montaggio della cornice conferisce al modulo maggiore robustezza e ne consente l’ancoraggio alle strutture di sostegno.Il modulo rappresenta la componente elementare dei sistemi fotovoltaici. I moduli in commercio attualmente più diffusi (con superficie attorno a 0,5-2 m2), che utilizzano celle al silicio mono e policristallino, prevedono tipicamente 36 celle collegate elettricamente in serie. Il modulo così costituito ha una potenza che va dai 50 ai 200 Wp, a seconda del tipo e dell’efficienza delle celle, e tensione di lavoro di circa 17 volt con corrente da 3 a 12 A.I moduli comunemente usati nelle applicazioni commerciali hanno un rendimento complessivo del 12-16%. È recentemente cresciuta la domanda di moduli di potenza superiore a 200 Wp, utili per l’integrazione di pannelli nella struttura di rivestimento di edifici.

Il sistema fotovoltaico ed i suoi componenti principali

Un sistema fotovoltaico, un sistema cioè in grado di raccogliere l’energia luminosa, convertirla in energia elettrica in forma utile all’utenza e trasferirla alla rete utente o alla rete di distribuzione, è costituito dai sottosistemi:

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• Campo o Generatore fotovoltaico• Strutture di sostegno moduli• Sistema di conversione della potenza• Sistema di interfaccia di rete.

Un “campo fotovoltaico” è costituito da un insieme di stringhe di moduli fotovoltaici installati meccanicamente nella sede di funzionamento e connesse elettricamente tra loro.Dal punto di vista elettrico, il campo FV costituisce il “generatore fotovoltaico” dell’impianto. Il campo FV poi, nel caso di potenze significative, è costituito da sottocampi (collegamento elettrico in parallelo di un certo numero di stringhe).La potenza nominale (o massima, o di picco) del generatore fotovoltaico è la potenza determinata dalla somma delle singole potenze nominali (o massima, o di picco) di ciascun modulo costituente il generatore fotovoltaico, misurate alle condizioni standard (STC Standard Test Conditions).Per Condizioni Standard (STC) s’intendono le condizioni di riferimento per la misurazione dei moduli corrispondenti a:• irraggiamento di 1000W/m2

• spettro solare riferito ad un Air Mass di 1,5• temperatura di cella di 25 °C.Tipicamente questa misura viene eseguita in laboratorio con un simulatore solare in quanto è molto difficile riprodurre queste condizioni in un ambiente esterno.

Moduli, stringhe, generatore, impianto• Più moduli, collegati elettricamente in serie in modo da fornire la tensione richiesta, costituiscono una stringa.• Più stringhe collegate, generalmente in parallelo, per fornire la potenza richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico.• Il generatore fotovoltaico, insieme al sistema di controllo e condizionamento della potenza (inverter) e ad altri dispositivi accessori d’interfacciamento alla rete o al sistema di accumulo, costituiscono l’impianto fotovoltaico.Le caratteristiche del generatore fotovoltaico vengono in genere definite mediante due parametri elettrici: la potenza nominale Pn (cioè la potenza erogata dal generatore FV in condizioni standard) e la tensione nominale Vn (ossia la tensione alla quale viene erogata la potenza nominale).Nella fase di progettazione di un campo fotovoltaico, particolare importanza riveste la scelta della tensione di esercizio. Infatti, le elevate correnti che si manifestano per piccole tensioni comportano la necessità di adottare cavi di maggiore sezione e dispositivi di manovra più complessi; di contro, elevate tensioni di lavoro richiedono adeguate e costose protezioni.Pertanto, un’opportuna scelta della configurazione serie/parallelo del campo fotovoltaico consente di limitare le perdite e di incrementare l’affidabilità del sistema.Un campo fotovoltaico di potenza pari ad 1 kWp corrisponde ad un insieme di moduli FV, disposti in serie, in grado di generare energia elettrica di potenza pari ad 1 kW se sottoposti ad un irraggiamento solare di 1.000 W/m2, alla temperatura di 25 °C ed Air Mass 1,5.L’energia prodotta dall’impianto varia nel corso dell’anno e soprattutto della giornata, in funzione delle condizioni meteorologiche e dell’altezza del sole sull’orizzonte.

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Il campo unitario-tipo di cui prima genererà una potenza via via crescente a partire dalle prime ore del mattino, sino ad 1 kW quando il sole si trova allo zenit, per poi decrescere gradualmente sino a portarsi allo zero quando il sole sarà tramontato.In figura 15, viene mostrata la configurazione tipica di un generatore fotovoltaico, dove più moduli sono collegati in serie per formare una stringa e più stringhe sono connesse in parallelo per costituire il campo. Nello schema, di seguito riportato, è possibile osservare la presenza dei diodi di by-pass disposti in parallelo ai singoli moduli e del diodo di blocco posto in serie a ciascuna stringa idoneo ad impedire che gli squilibri di tensione tra le singole stringhe, nel caso di sbilanciamento nell’erogazione di potenza da parte delle stesse, possano dar luogo alla circolazione di una corrente inversa verso le stringhe a tensione minore.I diodi di blocco, dimensionati sulla base delle specifiche elettriche del campo fotovoltaico (corrente di cortocircuito del modulo Isc, tensione a vuoto della stringa Voc), sono generalmente contenuti all’interno del quadro di parallelo stringhe il quale raccoglie il contributo elettrico fornito dalle singole stringhe. Il diodo di by-pass consente, invece, di cortocircuitare e quindi isolare il singolo modulo o parte di esso (in presenza di due o più diodi per modulo) nel caso di un malfunzionamento limitando in tal modo la brusca riduzione della potenza erogata dal modulo e/o dalla stringa che si manifesterebbe in sua assenza.

Fig. 15: configurazione elettrica tipica di un campo fotovoltaico

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Curva caratteristica della cella e MPP

La curva caratteristica mostra come la corrente erogata I da una cella FV dipenda linearmente dalla radiazione incidente e come la tensione massima della cella sia limitata: al di sopra di una certa tensione V, la corrente erogata si annulla, qualunque sia la radiazione incidente. Ne consegue che il prodotto V*I, cioè la potenza erogata, ha un punto di massimo (in inglese MPP, Maximum Power Point) per ogni livello di radiazione incidente. Questo è il punto di lavoro ottimale per la cella fotovoltaica, che permette di ricavarne la maggiore potenza possibile.

Fig. 16: curva caratteristica della cella fotovoltaica

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0.60 V [V]

0.75

0.50

0.25

1.00

Punto di massima potenza P

MPP = V

MPP ⋅ I

MPP

0.200.000.00

0.40

VMPP

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

P [W]

IMPP

I [A]

Andamento della Potenza P = V⋅ I

1000 W/m2

800 W/m

600 W/m2

400 W/m2

200 W/m2

100 W/m2

La dipendenza dalla temperatura

L’energia prodotta dalla cella varia sensibilmente in funzione delle condizioni di esercizio.Quando è investita dall’energia solare, la cella, avendo un rendimento inferiore a 1, trasforma solo in parte tale energia in energia elettrica, il resto dell’energia viene dissipato sotto forma di calore, aumentando la propria temperatura; questo a sua volta comporta un ulteriore calo di rendimento.La potenza elettrica prodotta, quindi, decresce all’aumentare della temperatura della cella (DERATING TERMICO) perché il calo della tensione Voc non è compensato dal leggero aumento della corrente.

Fig. 17: derating termico causato dall’aumento di temperatura

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40 °C60 °C

20 °C0 °C

-20 °C-40 °C

0.53 0.57 0.60 0.64 0.68 0.72

0.75

0.50

0.25

1.00

TENSIONE A VUOTO V

0C(I=0)

CORRENTE DI CORTOCIRCUITO I

SC (V=0)

0.200.00

0.00

V [V]

I [A]

6. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE

I pannelli solari costituiscono una delle possibilità più pratiche e versatili per la conversione diretta dell’energia della luce del sole in energia elettrica e si potrebbe pensare che quelli basati su materiali plastici, descritti nel capitolo precedente, rappresentino la frontiera più avanzata della ricerca. In realtà, essi sono solo il primo prototipo di una generazione di pannelli plastici innovativi che promette di rivoluzionare la nostra idea di produzione in proprio dell’energia occorrente per gli usi quotidiani.Ad esempio si stanno studiando pannelli fotovoltaici in grado di convertire in elettricità i raggi infrarossi, la cui energia è inferiore a quella della luce visibile, però hanno il vantaggio di essere sempre presenti anche quando il cielo è coperto oppure di notte perché sono emessi anche da tutti i corpi caldi. L’integrazione dei pannelli solari tradizionali con questi di nuova generazione potrebbe risolvere l’inconveniente tanto spesso denunciato dell’impossibilità di affidarsi a una fonte discontinua che dipende dalla presenza del sole.Un’altra possibilità ancora non attuata, ma la cui sperimentazione è in fase avanzata, è la costruzione di pannelli solari a materiale plastico di grandissime dimensioni, per tappezzare superfici molto estese in quanto in questo caso non vi sono particolari vincoli costruttivi ma si possono realizzare di qualunque grandezza. Recentemente è stata proposta una tecnica per costruire tali pannelli di grandi estensioni in un modo alternativo: si basa sulla nebulizzazione del materiale plastico, ovvero la deposizione di uno spray su una superficie liscia e regolare, quale una parete appositamente predisposta o una vetrata; si prevedono anche materiali plastici da stendere sulle vetrate che non assorbano completamente la luce del sole, ma ne lascino trasparire una parte dando così al vetro un aspetto piacevolmente affumicato anziché oscurarlo del tutto.Un’alternativa ai pannelli fotovoltaici sono poi le celle di Graetzel, dal nome del loro inventore che le realizzò per la prima volta nel 1991. Si basano sull’uso di una sostanza colorata in grado di assorbire la luce solare, al pari del silicio nei pannelli solari tradizionali o del materiale plastico in quelli di nuovo tipo. Il principio di funzionamento, però, differisce da quello degli altri pannelli perché riproduce il processo di fotosintesi clorofilliana svolto dalle piante: attraverso sostanze che svolgono la stessa funzione dell’acqua e dell’anidride carbonica, trasforma l’energia luminosa in energia elettrica. Va tuttavia sottolineato che la fotosintesi clorofilliana è un processo efficiente ed estremamente complesso, mentre il meccanismo su cui si basano le celle di Graeztel è più semplice e con rendimento molto inferiore, intorno al 10%.

Il traguardo del 20% della produzione di energia da fonti rinnovabili (che è uno dei tre obiettivi fissati dall’Unione Europea per il 2020 oltre alla riduzione del 20% delle emissioni di gas serra e all’aumento del 20% dell’efficienza energetica) è alla nostra portata in considerazione dell’eredità idroelettrica, acquisita col lavoro svolto in Italia nella prima parte del XX secolo. Più difficile sarà aumentare ulteriormente questa percentuale, perché non potremo più fare affidamento su lasciti energetici e si dovrà realmente sviluppare il settore senza artifici contabili.La Germania ha dichiarato che sostituirà con fonti rinnovabili le sue centrali nucleari, che saranno smantellate entro il 2022, e ciò equivale al 25% del suo fabbisogno

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elettrico; inoltre, sta sviluppando un piano per arrivare all’80% della produzione da fonti rinnovabili entro il 2050: a un passo dall’autosufficienza energetica e dalla soluzione dei problemi ambientali connessi. Gli studi condotti per fare queste proiezioni sono accurati e articolati in tappe intermedie e risultato finale, in modo da controllare lo stato di avanzamento del progetto in tutte le sue fasi.Un piano ambizioso, ma non irrealizzabile. Un esempio a cui ispirarsi.

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BIBLIOGRAFIA

Materiale didattico fornito durante il corso di “Progettista e tecnico installatore energie alternative” organizzato dal Centro Formazione Milano – Divisione Energie Alternative

“Il futuro dell’energia: guida alle fonti pulite” (Valerio Rossi Albertini, Mario Tozzi)

“La casa che cambia” (Mario Losasso; Clean Edizioni)

“Architettura bioecologica” (A.A.V.V.; Anab)

“The passive solar energy book” (Mazria E.; Rodal Press)

“Architettura solare passiva” (Valeria Calderaro; Edizioni Kappa)

“Progettare con il clima” (Victor Olgyay; Grafiche Muzzio srl) “Architettura della bioedilizia” (L. Colli, L. Lupano; Demetra Edizioni)

“L’energia nel progetto di architettura” (R.S. Florensa, H.C. Roura; Città studi Edizioni UTET)

“Energia elettrica dal sole” (F.P. Vivoli; ENEA-ISES Italia)

“Photovoltaics in architecture” (O. Humm, P. Toggweiler; Birkhauser Verlag)

“Tecnologie solari attive e passive” (A. Magrini, D. Ena; EPC Libri)

www.sistemisolari.it

www.puntoenergia.it

www.spazioenergia.it

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ESTRATTO PER RIASSUNTO DELLA TESI DI LAUREA E DICHIARAZIONE DI CONSULTABILITA’ (*)

______________________________________

Il sottoscritto/a ZANON NICOLA

Matricola n. 962458

Facoltà ________________________________________________________________

Iscritto al corso di laurea laurea magistrale/specialistica in:

MASTER DI SECONDO LIVELLO IN METODI E TECNICHE DI PREVENZIONE E

CONTROLLO AMBIENTALE

Titolo della tesi (**): ANALISI DELLO STATO ATTUALE DELLA TECNOLOGIA PER LA CAPTAZIONE ATTIVA E PASSIVA DELL’ENERGIA SOLARE SECONDO I PRINCIPI DELLA PROGETTAZIONE BIOCLIMATICA

DICHIARA CHE LA SUA TESI E’:

Consultabile da subito Consultabile dopo __ mesi Non consultabile

Riproducibile totalmente Non riproducibile Riproducibile parzialmente

Padova,_____________ Firma dello studente ________________________

Il tema della produzione e dell’uso dell’energia investe tanto i settori strategici delle attività produttive, quanto la vita quotidiana dei singoli cittadini.Le fonti rinnovabili, specialmente le innovative, rappresentano un’opportunità di cambiamento non solo nelle modalità di approvvigionamento, ma anche nello scenario dell’economia futura. Fermo restando il problema della variabilità ancora non risolta della fornitura dell’energia legata alle fonti solari, queste ultime rappresentano comunque un supporto per le necessità civili e delle piccole e medie industrie.Lo scopo che ci si prefigge in quest’elaborato è quello di redigere una panoramica sulle principali tecniche di captazione attiva e passiva delle due forme di energia solare (termica e luminosa): l’obiettivo finale è il conseguimento di un risparmio energetico nella progettazione edilizia ottenibile mediante l’integrazione tra criteri progettuali bioclimatici – tecnologie passive – e tecnologie attive per il riscaldamento e la produzione di energia elettrica.

(**) il titolo deve essere quello definitivo uguale a quello che risulta stampato sulla copertina dell’elaborato consegnato al Presidente della Commissione di Laurea (*) Da inserire come ultima pagina di tesi: L’estratto non deve superare le mille battute.

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