L'integrazione dell'impianto fotovoltaico su facciata ventilata

Sempre più spesso si sente parlare di tecnologie integrate per l’incremento delle prestazioni degli organismi edilizi, riducendone i consumi energetici. L’uso di tali tecnologie comporta numerosi vantaggi sotto diversi punti di vista, tra i quali:

  • Operativo (meno componenti da installare, con riduzione dei tempi di posa, anche se magari si richiedono procedure più complesse/delicate)
  • Economico (il risparmio sui tempi di posa potrebbe andare a bilanciare l’extra costo dovuto alla fornitura di tali tecnologie)
  • Funzionale (massimizzazione delle superfici di installazione e ottimizzazione delle prestazioni).

Quest’ultimo aspetto è quello su cui ci soffermeremo: una corretta integrazione tecnologica consente infatti di sfruttare le caratteristiche di una tecnologia per andare a ridurre le criticità di un’altra tecnologia a cui essa è integrata. Questo è infatti ciò che accade nel caso di facciate ventilate fotovoltaiche.

 

Le facciate ventilate: un rapido inquadramento

Le facciate ventilate sono una particolare tipologia di involucro esterno a secco, che può essere installato sia per nuove costruzioni che per riqualificazioni energetica. Esse sono composte da una struttura interna (opaca o vetrata), un eventuale strato isolante (presente in cui la struttura interna sia opaca), un’intercapedine e uno strato di rivestimento esterno.

La presenza dell’intercapedine rappresenta la chiave del suo funzionamento. All’interno dell’intercapedine, infatti, si instaurano dei moti convettivi (naturali o forzati, se presente un ventilatore) che contribuiscono al migliorare le prestazioni energetiche dell’involucro. Il funzionamento si differenzia inoltre tra periodo invernale e periodo estivo.

In estate, la radiazione solare incidente sullo strato di finitura esterno, genera un innalzamento della temperatura all’interno dell’intercapedine d’aria, il quale a sua volta produce il cosiddetto effetto camino. L’aria, più fresca, entra dal basso, si surriscalda, e tramite moti convettivi sale verso l’alto, da cui esce dalla facciata, portando con sé la quota di calore assorbita. Si riduce di conseguenza la temperatura della parete interna.

Durante il periodo invernale, l’effetto camino è estremamente ridotto, in quanto il calore incidente le superfici è piuttosto basso (soprattutto in caso di cielo coperto). Si generano piuttosto dei moti convettivi all’interno dell’intercapedine stessa, creando una sorta di cuscinetto d’aria che mantiene in equilibrio la temperatura della parete sul lato interno, riducendo di conseguenza le problematiche di umidità e condensa superficiale. È inoltre possibile prevedere delle aperture tra ambiente interno e intercapedine, in modo tale da utilizzare l’aria che si surriscalda all’interno dell’intercapedine per preriscaldare l’ambiente stesso. 

 

Meccanismo di funzionamento delle facciate ventilate

Figura 1 – Meccanismo di funzionamento delle facciate ventilate. a) funzionamento estivo, a convezione naturale o forzata; b) funzionamento invernale senza scambio con ambiente interno; c) funzionamento invernale con scambio con ambiente interno.

 

Vantaggi e svantaggi delle facciate ventilate

In poche parole, quindi, uno dei principali scopi delle facciate ventilate è quello di rimuovere il calore accumulato all’interno dell’intercapedine d’aria. Oltre questo presentano ovviamente ulteriori vantaggi (o svantaggi), di seguito un elenco più esaustivo:

Vantaggi e svantaggi delle facciate ventilate

 

Pannelli fotovoltaici e prestazioni reali

Spesso, quando si sceglie un pannello fotovoltaico, le caratteristiche che si prendono in considerazione sono:

  • Potenza di picco (Wp), o potenza nominale [kWp], cioè la potenza elettrica massima che il pannello fotovoltaico è in grado di produrre nelle condizioni di prova standard stabilite dalle norme IEC/EN 60904 (irraggiamento solare 1000 W/m2, temperatura delle celle di 25 °C e distribuzione spettrale AM = 1,5, ovvero nella posizione in cui il sole forma un angolo di 48° con lo zenith);

  • Efficienza fotovoltaica [%], definita dal rapporto tra la potenza elettrica in uscita dai pannelli e la potenza della radiazione solare che colpisce la superficie del modulo, e definisce la quantità di radiazione solare che viene effettivamente convertita in elettricità utile.
    L’efficienza dei pannelli fotovoltaici dipende dalla tipologia di pannello, e come riferimento si possono assumere i seguenti valori:
    • Pannelli fotovoltaici in silicio monocristallino: 17% - 20% 
    • Pannelli fotovoltaici in silicio policristallino: 16,5%
    • Pannelli fotovoltaici CIS a film sottile (Rame, Indio, Selenio): 15%
    • Pannelli fotovoltaici a film sottile con telloruro di cadmio (CdTe): 13,4%
    • Pannelli fotovoltaici in silicio amorfo: 8,2%
    • Pannelli fotovoltaici semitrasparenti: 12 %.

È però risaputo che le prestazioni dei pannelli fotovoltaici dipendono fortemente dalla temperatura di esercizio (il funzionamento ottimale è intorno ai 25 °C). Pertanto, esistono almeno altri due parametri fondamentali, per valutare correttamente le potenzialità di un pannello fotovoltaico, che tengono in considerazione le effettive condizioni di funzionamento dei pannelli:

  • Normal Operating Cell Temperature (NOCT), cioè la temperatura che assume la cella fotovoltaica in condizioni operative “nominali” (irraggiamento 800 W/m2, temperatura ambientale 20 °C, velocità dell’aria sul retro del modulo 1 m/s e angolo di incidenza della luce solare di 45°). In altre parole, il NOCT la capacità della cella di smaltire il calore: pannelli con NOCT più bassi lavoreranno a temperature minori, con conseguenti minori perdite di prestazioni causate da innalzamenti di temperatura.

  • Coefficiente di temperatura di potenza massima [%/°C], detto anche coefficiente termico, indica la variazione percentuale della potenza massima per ogni 1 °C di variazione della temperatura del pannello rispetto a quella nominale di 25 °C. Definisce quindi quanta potenza viene persa o guadagnata per via delle variazioni di temperatura. È un coefficiente negativo che in genere varia tra – 0,35 e – 0,5 %/°C. Minore è il valore assoluto di questo coefficiente migliori saranno le prestazioni a temperature elevate.

Per comprendere meglio l’influenza di questi due elementi, si propone un esempio numerico.

come variano le prestazioni di un pannello fotovoltaico con la temperatura


In condizioni di esercizio reali, la temperatura delle celle può anche superare i 70 °C, di conseguenza gli effetti osservabili sulla riduzione di potenza di picco reale sono ancora più evidenti.

Ne consegue che è quindi fondamentale evitare che i pannelli si surriscaldino eccessivamente, per non ridurne le prestazioni. 

Condizioni di funzionamento dei pannelli fotovoltaici.

Figura 2 – Condizioni di funzionamento dei pannelli fotovoltaici. a) funzionamento corretto; b) pannello interamente surriscaldato; c) hot-spot dovuti a singole celle guaste o cortocircuiti.


Un ulteriore fattore molto importante da tenere in considerazione per definire la potenza complessiva dell’impianto e il tipo di moduli da installare è l’orientamento dei pannelli fotovoltaici. La capacità di produzione dell’energia sarà tanto maggiore quanto più i raggi del sole sono perpendicolari alla superficie del pannello stesso.

Pertanto, l’orientamento ideale è verso sud, con inclinazione del pannello (angolo di tilt) che varia in funzione della latitudine (in Italia 30 – 35°, da sud a nord), valutabile attraverso la seguente relazione:

Inclinazione ottimale = Angolo di tilt ottimale = 3,7 + (0,69 x Latitudine).

Facciate ventilate fotovoltaiche

L’installazione di pannelli fotovoltaici in facciata consente di avere una superficie disponibile molto maggiore alla sola installazione in copertura, ma ovviamente non tutte le facciate sono adatte. Innanzitutto, va evidenziato che un pannello installato verticalmente è in grado di captare e assorbire molta meno radiazione solare rispetto ad un pannello installato in copertura, soprattutto se correttamente orientato (la producibilità si può ridurre fino quasi il 70 % per latitudini elevate).

Si rende quindi essenziale individuare correttamente la facciata su cui installare il fotovoltaico, in modo da evitare ulteriori cali di prestazioni. Le facciate devono ad esempio essere orientate a sud, prive il più possibili di balconi o aggetti ombreggianti e prive di ostruzioni esterne.

Ma cos’altro si può fare per migliorare le prestazioni di un impianto fotovoltaico in facciata? 

Come scritto in precedenza, uno dei vantaggi legati all’utilizzo di tecnologie integrate è legato alla possibilità di sfruttare le caratteristiche di un sistema per ridurre le criticità di un secondo sistema a cui è collegato, ottimizzandone le prestazioni. E questo è proprio il caso delle facciate ventilate fotovoltaiche. 

Le potenzialità di queste soluzioni hanno fatto si che fossero approfondite in studi e progetti di ricerca, di carattere scientifico e internazionale. Senza entrare troppo nel dettaglio, si riportano di seguito i principali vantaggi riscontrabili attraverso una corretta integrazione tra facciate ventilate (opache o trasparenti) e impianto fotovoltaico.

Dissipazione del calore accumulato sul retro del pannello

Quando in facciata sono presenti pannelli fotovoltaici, il calore che si accumula lungo il loro dorso è maggiore di quello che si accumulerebbe con uno strato di paramento esterno, a causa della presenza delle celle di silicio di colore nero/molto scuro. Maggiore calore implica maggiori temperature superficiali, con conseguente riduzione della produzione di energia elettrica.

La capacità di dispersione del calore è inoltre fortemente influenzata dallo strato posteriore del pannello fotovoltaico (soprattutto nel caso di pannelli sandwich sottili). Aumentando la conducibilità termica di tale strato di supporto affacciato verso l’intercapedine, si otterrà una maggiore dissipazione termica. Si fa notare che, il cosiddetto “effetto camino” responsabile dei moti convettivi dissipatori, è tanto maggiore quanto è maggiore l’irraggiamento solare, e quindi quando risulta essere maggiore anche il calore accumulato in intercapedine sul dorso del pannello. 

Facciate ventilate fotovoltaiche

Figura 2 – Facciate ventilate fotovoltaiche (ventilazione naturale o forzata). a) involucro opaco; b) involucro trasparente.

...CONTINUA.

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