Fotovoltaico in architettura

E’ ormai ben noto il grande sviluppo che l’energia solare fotovoltaica sta avendo in molti paesi, in particolare Giappone e Germania. Si tratta non solo di un incremento di tipo quantitativo, ma anche qualitativo, grazie soprattutto a realizzazioni molto avanzate sia a livello tecnologico che architettonico.

Oltre agli ormai comuni (per quei paesi) tetti fotovoltaici, costituiti da moduli solari di tipo standard, sempre più frequenti sono gli impianti fotovoltaici integrati negli edifici, che se da una parte rispondono adeguatamente alle crescenti preoccupazioni di carattere ambientale, dall’altra rappresentano un'interessantissima novità non solo per gli architetti, ma anche per enti pubblici, aziende e singoli cittadini.

Facciate, tetti o altri tipi di coperture fotovoltaiche consentono di disporre di quantità anche ragguardevoli di energia elettrica, con conseguenti risparmi economici e, nello stesso tempo, mostrano, in modo anche evidente, la “sensibilità ambientale” del proprietario. Non è infatti un caso che questi sistemi siano spesso installati nei palazzi degli uffici di società che vedono nel fotovoltaico un ottimo mezzo per “elevare” l’immagine dell’azienda.

Gli impianti fotovoltaici connessi alla rete elettrica rappresentano quindi una fonte integrativa, perché forniscono un contributo, di entità diversa a seconda della dimensione dell’impianto, al bilancio elettrico globale dell’edificio. L’inserimento dei moduli fotovoltaici nei tetti e nelle facciate risponde alla natura distribuita della fonte solare e presenta diversi vantaggi.

Potenzialità

Uno studio della Commissione Europea ha rilevato che in Italia la superficie di tetti disponibili (con orientamento verso Sud, Est o Ovest) è di 370.000.000 mq, mentre quella delle facciate è di quasi 200.000.000 mq.

Se questi spazi fossero coperti da pannelli solari fotovoltaici, sarebbe possibile produrre circa 130 TWh/anno, vale a dire 130 mila milioni di kWh l’anno, pari al consumo annuo di energia elettrica di oltre 30 milioni di famiglie (considerando una media di 4.000 kWh/anno per nucleo familiare).

Sono ovviamente calcoli ipotetici, ma che fanno comunque ben comprendere l’enorme potenziale offerto da simili applicazioni.

Principi costruttivi per l'integrazione negli edifici

L’integrazione architettonica dei sistemi solari si basa sulla possibilità di utilizzare il modulo fotovoltaico nella più ampia libertà. E’ importante saper realizzare moduli aventi forma, misura, colore, caratteristiche strutturali diverse a seconda della situazione in cui si interviene.

Nella creazione dei moduli semitrasparenti, le celle sono fissate con una resina tra due lastre di vetro distanziate tra di loro circa 2 mm. I cavi della corrente in uscita sono solitamente fatti passare attraverso dei corridoi creati nella cornice, in modo da rimanere nascosti, oppure si utilizzano le tradizionali junction box di connessione.

Nei casi in cui la facciata trasparente debba anche soddisfare requisiti di isolamento termico, il modulo solare è integrabile in un doppio vetro, ottenendo un valore di dispersione termica di 1,1 W/mq K.

Tutti i moduli prodotti sono testati elettricamente e meccanicamente secondo un rigido controllo di qualità. Viene così garantito lo standard IP65 contro il rischio dato dalle infiltrazioni di umidità. Gli elementi che stanno alla base del modulo fotovoltaico sono le celle e il vetro.

Le celle fotovoltaiche

Il materiale che sta alla base delle celle comunemente usate è il silicio, che nella maggior parte dei casi si presenta sotto forma di un singolo cristallo (monocristallino) oppure di più cristalli adiacenti (multicristallino).
E’ possibile distinguere i due tipi di materiali, notando una sostanziale omogeneità di colore sulla superficie del monocristallino, mentre nel multicristallino si possono facilmente vedere i singoli cristalli, che conferiscono alla cella una particolare sfaccettatura.

Le celle fotovoltaiche hanno solitamente una colorazione blu scuro, derivante da un rivestimento antiriflettente (ossido di titanio), molto importante per ottimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. Richiedendo colori differenti, che si possono ottenere variando lo spessore del rivestimento antiriflettente, si verificano sostanziali perdite di efficienza: ad esempio le celle grigie perdono tra il 30 e il 40 % del rendimento. La misura delle celle può variare molto: le più comuni sono 10 x 10 cm, 12,5 x 12,5 cm, 15 x 15 cm, ma è possibile anche averle 5 x 15 cm, 10 x 15 cm.

La loro forma è quasi sempre quadrata. Nel caso del silicio monocristallino è spesso presente una smussatura agli spigoli, in quanto tali celle si originano da un lingotto di forma circolare, dal quale si scartano le parti più esterne un po’ perché presentano impurità e un po’ per sfruttare al meglio lo spazio disponibile. Nel modulo le celle sono tra di loro collegate elettricamente realizzando delle stringhe. La distanza tra le celle varierà in base alla luminosità che l’architetto vuole ottenere nell’ambiente interno alla copertura fotovoltaica. Mentre lo spazio tra le celle di una stessa stringa può variare dai 2 ai 10 mm, la distanza tra stringhe diverse ha solo un minimo di 2 mm, senza limiti superiori.

Il vetro

Si possono utilizzare vetri grandi 2 m x 3 m aventi anche forme differenti (triangolare, trapezoidale, circolare…). Lo spessore del vetro non è invece un parametro di progettazione libero: dipende dalla forma del vetro adottata, dal peso della costruzione, dalle sollecitazioni previste e occorre sempre effettuare delle simulazioni con carichi statici.

Per quanto riguarda il tipo di vetro, mentre per quello frontale non si hanno molte possibilità di scelta, in quanto sarà di tipo extra-bianco con uno spessore ridotto (4 mm per moduli di misura ridotta) per ottimizzare l’assorbimento della radiazione luminosa, per quello posteriore si hanno maggiori margini di libertà. Possono infatti avere diversi colori, tipi di laminazioni e di isolamenti.

Impianti fotovoltaici integrati - Applicazioni

Sono riconducibili a quattro categorie principali:
1 - Tetti fotovoltaici strutturali: utilizzando moduli solari semitrasparenti si possono ottenere interessanti giochi di luce, riuscendo nello stesso modo a contenere eventuali eccessi di luminosità, che risulterebbero fonte di abbagli;

2 - Facciate fotovoltaiche: anche in questo caso si ottiene un importante controllo della luce solare. Questa applicazione è particolarmente richiesta dalle società che dispongono di palazzi di uffici con facciate rivolte a Sud, che già devono predisporre dei vetri oscurati per ridurre il passaggio della luce;

3 - Frangisole: presentano le medesime caratteristiche delle applicazioni precedenti, con la differenza che, disponendosi su delle pareti esistenti, l’installazione è più semplice e quindi più economica.

4 - Installazioni su tetti piani: facili da applicare (innumerevoli sono gli edifici esistenti che potrebbero accogliere questo tipo di impianti), hanno però lo svantaggio di essere spesso poco visibili, con gran rammarico degli architetti e dei proprietari. A volte si riescono comunque a realizzare delle coperture che sono comunque visibili anche da lontano. E’ il caso della cosiddetta “roof arena” montata su un caseggiato in Danimarca, con 106 kWp di moduli fotovoltaici (in parte trapezoidali) che formano un’enorme “J”.

Considerazioni energetiche ed economiche

Il massimo irraggiamento solare è ottenibile, alla nostra latitudine e su base annua, orientando l’impianto fotovoltaico verso Sud e inclinandolo, rispetto all’orizzontale, di circa 30°. Spesso però s’interviene su edifici già esistenti che non presentano superfici, disponibili ad accogliere i moduli fotovoltaici, correttamente orientate.

Rivolgendo ad esempio l’impianto verso Est o Ovest si perde circa il 10 % dell’energia massima ottenibile rispetto ad un preciso orientamento a Sud (con riferimento ad un’inclinazione di 30°). Nel caso in cui la superficie su cui si applica l’impianto fotovoltaico è verticale, se l’orientamento è verso Sud si perde circa 1/3 dell’irraggiamento solare annuale disponibile (rispetto alla massima captazione di energia che si verifica con l’inclinazione di 30° a Sud), mentre se è verso Est o Ovest solo il 55 % dell’energia disponibile è effettivamente sfruttabile. Per quanto riguarda la producibilità degli impianti fotovoltaici, considerando dati provenienti da impianti installati in Germania, una facciata fotovoltaica verticale orientata verso Sud eroga 50 - 60 kWh / (mq anno).

Ciò significa che analoghi impianti in Italia possono fornire maggiori quantità di energia elettrica, grazie ovviamente alla nostra migliore insolazione. Riducendo l’inclinazione dei moduli la producibilità aumenta, fino ad arrivare a circa 100 kWh / (mq anno).

Il costo di un metro quadrato di moduli solari fotovoltaici per integrazione architettonica varia ovviamente a seconda delle situazioni, ma si può’ comunque quantificare in circa 1.000-1.500 euro/mq (comprendente i materiali e l’installazione), sia per le facciate che per i tetti.

Tale costo può sembrare elevato, ma bisogna ricordare che:

1. si tratta di elementi strutturali, che sono quindi sostitutivi di altri materiali quali ad esempio i pannelli vetrati usati nelle facciate che, se si considera anche l'installazione, hanno anch'essi un costo non indifferente;

2. l’edificio diventa energeticamente attivo e per molti anni la sua facciata o il suo tetto fotovoltaico produrranno migliaia di kWh, che non solo consentiranno rilevanti risparmi sulle bollette, ma anche eviteranno l’immissione nell’atmosfera di grandi quantità di CO2 (0,3-0,4 kg di CO2 per ogni kWh prodotto da fonte fotovoltaica);

3. oltre che essere un investimento di carattere energetico è anche un investimento di tipo promozionale, visto il grande impatto emotivo che riesce ad avere sul pubblico.

L’integrazione degli impianti fotovoltaici negli edifici rappresenta quindi un’interessantissima novità sia per quanto riguarda il design delle costruzioni che per la loro progettazione energetica.

Gli impianti fotovoltaici integrati beneficiano di tariffe estremamente vantaggiose previste dal Conto Energia.