I prezzi elevati dell’energia e la sempre più diffusa coscienza ecologica spingono molti proprietari di immobili verso l’installazione di impianti fotovoltaici sugli edifici. Il posizionamento dei moduli solari sui fabbricati permette di risparmiare suolo, inoltre avvicina il dispositivo di produzione dell’energia pulita all’utente che la consuma. Normalmente, l’impianto fotovoltaico è posizionato sul tetto, ma è possibile sfruttare anche le pareti verticali, in particolare quelle orientate verso sud, per trasformale in vere e proprie facciate fotovoltaiche. Secondo studi recenti, il potenziale cumulativo per il fotovoltaico integrato nelle pareti degli edifici dell’Unione Europea è di oltre 5 GW (includendo anche Svizzera e Norvegia), sfruttabili entro il 2030.
Le possibilità di installazione
L’installazione dei pannelli solari sulla facciata di un edificio può essere fatta sostanzialmente in tre modi: integrato nei vetri delle finestre e delle superfici vetrate (moduli trasparenti), appoggiato alla superficie esterna in muratura o in altro materiale edile (moduli a contatto), staccato dalla facciata (facciata ventilata).
Moduli trasparenti – Si tratta di pannelli fotovoltaici semitrasparenti, costruiti in modo che chi si trova all’interno percepisca solo una contenuta riduzione della luminosità ambientale. Questi moduli hanno però un rendimento più basso rispetto a quelli tradizionali opachi. La resa è del 12% circa, infatti, contro il 17 – 22% dei moduli in silicio monocristallino. Nella configurazione trasparente i pannelli fotovoltaici sono un tutt’uno con i vetri delle finestre e delle superfici vetrate dei moderni palazzi adibiti a uffici, caratterizzati da grandi aree di questo tipo.
Moduli a contatto – La soluzione è costituita da pannelli solari opachi appoggiati e vincolati alla superficie esterna. Il montaggio è relativamente semplice ed economico, ma presenta il grosso svantaggio di un controllo praticamente nullo della temperatura dei pannelli, con conseguente riduzione del loro rendimento. Questo problema è importante d’estate, ovviamente, quando la radiazione solare scalda molto le facciate degli edifici.
Facciata ventilata – Con questo sistema di montaggio, in cui i pannelli sono staccati dalla facciata, si allevia di molto il problema della temperatura, poiché nell’intercapedine tra edificio e moduli solari circola aria, che funge da fluido di raffreddamento. La circolazione di quest’aria può essere naturale, grazie ai moti convettivi dell’effetto camino, oppure forzata, con ventilatori posti di solito alla base dell’edificio. Il raffreddamento è utile in estate per ridurre la temperatura non solo dei pannelli ma anche della facciata stessa, con conseguente rifresco dei locali interni. In inverno l’effetto camino è ridotto, quasi nullo, dato che la radiazione solare incidente è contenuta.
L’aria nell’intercapedine si muove lungo percorsi prevalentemente chiusi e rimane confinata tra i pannelli fotovoltaici e la facciata dell’edificio. Questi movimenti distribuiscono il calore ricevuto dall’esterno (e anche dall’interno), rendono più uniforme la temperatura nell’intercapedine e impediscono la formazione di accumuli di umidità e di condensa. L’aria nell’intercapedine funge quindi da vero e proprio cuscinetto isolante contro le temperature rigide invernali. È anche possibile utilizzare quest’aria per riscaldare parzialmente i locali interni, grazie a feritoie nella facciata che permettono una ventilazione tra interno e intercapedine. Da notare che è anche consentito usare pannelli fotovoltaici semitrasparenti, per ottenere superfici solari che ricoprono completamente l’edificio. Alle caratteristiche di questa soluzione si aggiunge quindi il controllo della temperatura grazie all’intercapedine d’aria.
I pro e i contro delle facciate ventilate
Il vantaggio principale delle facciate fotovoltaiche ventilate è la rimozione del calore accumulato all’interno dell’intercapedine d’aria. Più in dettaglio, è possibile definire i pro e i contro di questa soluzione.
Pro
- Parziale controllo della temperatura dei pannelli solari e delle parti esterne dell’edificio
- Riduzione delle spese di condizionamento dell’edificio, sia d’estate sia d’inverno
- Riduzione della condensa nell’intercapedine
- Migliore isolamento dai rumori esterni
- In caso di ristrutturazioni, non è necessario intervenire sulla facciata originale
Contro
- La necessità di un sistema di ventilazione attiva comporta un costo maggiore dell’impianto fotovoltaico e un consumo di energia
- Nel caso di pannelli semitrasparenti, riduzione dell’illuminazione dei locali con finestre
- Aumento dei rischio di propagazione del fuoco in caso di incendio, sia per l’effetto camino sia per la difficoltà, da parte dei vigili del fuoco, di
- raggiungere dall’esterno i locali che danno sulla facciata
- Maggiori costi iniziali per l’installazione dell’impianto fotovoltaico
I parametri che influenzano il funzionamento dei pannelli fotovoltaici
Un pannello solare deve produrre più energia possibile quando è illuminato. In altre parole, il rapporto elettricità prodotta/energia incidente deve essere il più alto possibile. Per questo non basta che il modulo sia costruito a regola d’arte con la tecnologia più recente e migliore (attualmente la resa più alta per unità di superficie si ottiene con il silicio monocristallino), serve anche che la direzione da cui arriva la luce sia più vicina possibile alla perpendicolare rispetto alla superficie del pannello, inoltre è importante che la temperatura di lavoro si discosti il meno possibile da quella nominale, in genere pari a 25°C.
In una installazione su tetto, si cerca di montare i moduli solari con un’inclinazione ottimale, data dalla formula:
Inclinazione ottimale = 3,7 + (0,69 x Latitudine in gradi)
Nel caso delle facciate fotovoltaiche, l’inclinazione non è un parametro che si può modificare, dato che i pannelli devono seguire la superficie dell’edificio, di solito verticale. Un pannello installato verticalmente è in grado di captare e assorbire molta meno radiazione solare rispetto ad un pannello installato sul tetto. La riduzione può arrivare fin quasi al 70% rispetto a un modulo ben posizionato.
Si può invece giocare sull’orientamento, quindi di norma si preferisce sfruttare le pareti rivolte a sud, in seconda istanza quelle a est e a ovest. Ma anche quelle a nord possono contribuire – sia pure in misura minore – grazie alla luce riflessa dagli edifici circostanti. In ogni caso è importante che la facciata sia il più possibile priva di balconi, oggetti ombreggianti, ostruzioni esterne in genere.
Per quanto riguarda la temperatura di lavoro, si indica con il valore %/°C (coefficiente termico) la perdita di efficienza in percentuale per ogni grado centigrado di scostamento dalla temperatura ideale di 25°C. Questo coefficiente è negativo e in genere varia tra – 0,35 e – 0,5 %/°C. Se consideriamo che in condizioni reali la temperatura delle celle può superare i 70°C, è facile capire quanto sia importante evitare che i pannelli si surriscaldino eccessivamente. Il montaggio secondo la configurazione ventilata permette quindi di ottenere un notevole beneficio in termini di efficienza di conversione e quindi di produzione di energia.
Facciate fotovoltaiche: il fattore estetico
Quando si ricopre la facciata di un edificio con pannelli fotovoltaici, non si può trascurare il fattore estetico. In pratica la facciata originale sparisce, sostituita da una scacchiera di rettangoli in vetro molto scuro, addirittura nero (oppure semitrasparente nel caso dei moduli che lasciano passare parte della luce).
Gli sviluppi tecnologici più recenti consentono di impiegare pannelli vetro-vetro (costituiti essenzialmente da un sandwich vetro-silicio fotosensibile-vetro) colorati. Per esempio, i pannelli Sogimi Skala, progettati per facciate ventilate, sono disponibili nelle colorazioni verde, beige, azzurro/blu, nero, grigio. Inoltre sono privi di cornice visibile, quindi permettono di creare grandi superfici quasi continue, con giunzioni ridotte al minimo.
Sempre per rendere più accattivante l’aspetto dei moduli solari, un gruppo di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University in Cina, ha sviluppato un processo basato su microsfere di solfuro di zinco (ZnS), che spruzzate sulle superfici delle celle consentono di variarne il colore (blu, verde, viola), in funzione delle loro dimensioni. L’applicazione dello strato colorante è un processo poco costoso e riduce il rendimento del pannello in maniera molto contenuta: solo dell’1% circa.