Energia dal tetto con i sistemi solari: valutazione sperimentale delle prestazioni

Il sole è quella, tra le principali fonti di energia rinnovabile, a cui oggi si guarda con attenzione. Gli impianti solari termici e fotovoltaici, che permettono di realizzare sistemi di produzione energetica diffusi, presentano un’efficienza che può variare fortemente in relazione alle modalità con cui si integrano in copertura e con la tipologia del manto. Una ricerca sperimentale su pannelli fotovoltaici differentemente integrati in copertura mostra come la ventilazione sottomanto nelle soluzioni in laterizio sia un mezzo efficace per ridurre il surriscaldamento degli elementi, che può verificarsi in sistemi totalmente integrati, evitando parallelamente errori di installazione oramai divenuti «classici».

Il sole è la principale fonte di energia rinnovabile a disposizione e la copertura a falde è il luogo privilegiato dove captare questa energia in quanto: permette di montare i collettori con l’inclinazione ottimale massimizzandone il rendimento; non è generalmente ombreggiata e quindi si ha produzione costante di energia; permette una facile integrazione dei collettori con il mi-nimo impatto estetico. I principali sistemi che permettono l’utilizzo della radiazione solare sono gli impianti per la produzione di energia termica, gli impianti (fotovoltaici) per quella elettrica, oltre alle soluzioni ibride capaci di produrre energia elettrica e calore allo stesso tempo. In fase progettuale, oltre ad assicurare la massima efficienza degli impianti solari, grande attenzione viene sempre più dedicata alla loro integrazione con le costruzioni che li supportano, riducendo quanto più possibile l’impatto visivo. Si è spinti, pertanto, a passare dai sistemi con integrazione parziale (fig.1), sovrapposti al manto senza prevederne la sostituzione, a impianti totalmente integrati (fig.2), nei quali il dispositivo sostituisce l’intero manto e pertanto deve essere capace di soddisfarne anche i requisiti funzionali. A questi si aggiungono i più recenti sistemi che integrano il modulo di captazione e l’unità di copertura (fig.3).
Non sempre tuttavia l’integrazione è facile, né gestita nel modo più corretto (fig.4), oltre a porre alcuni problemi relativi all’efficienza stessa degli impianti. È noto, infatti, che alcune tipologie impiantistiche (per esempio i moduli fotovoltaici) se totalmente integrate, manifestano problematiche di minore efficienza di conversione con possibile riduzione dell’energia prodotta. Di seguito, a valle di una disamina sui criteri generali di pre-dimensionamento, si riportano i risultati di una sperimentazione che evidenziano come l’integrazione totale su coperture in laterizio non determini la sussistenza di problemi di questo tipo. Le perdite di efficienza sono infatti estremamente contenute.
Come noto, gli impianti fotovoltaici trasformano in energia elettrica (corrente continua) l’energia solare sfruttando l’effetto fotovoltaico. Tale fenomeno si manifesta nei materiali detti «semiconduttori», come il silicio cristallino e il silicio amorfo con i quali si realizzano le celle che compongono i pannelli. Gli impianti fotovoltaici si dividono in due categorie: «isolati» dalla rete elettrica (stand-alone o off-grid) e «collegati» alla rete (grid-connected). Il componente principale dei pannelli è il modulo fotovoltaico, costituito da un insieme di celle solari collegate tra loro, che fornisce una potenza elettrica mediamente compresa tra i 50 e i 100 W. La singola cella, di dimensioni intorno ai 10 x 10 cm, costituisce, dunque, il dispositivo elementare alla base di ogni sistema fotovoltaico. Le celle possono essere costituite da silicio monocristallino, poli (multi)-cristallino, o a film sottile (in silicio amorfo o leghe di diversa natura). Il rendimento di un modulo fotovoltaico (o efficienza di conversione) indica il rapporto tra l’e-nergia elettrica prodotta e l’energia solare incidente sul modulo stesso. Tale valore, definito in condizioni standard (STC), diminuisce man mano che la cella fotovoltaica si surriscalda per via dell’irraggiamento e della temperatura ambiente. Il rendimento di un impianto è dato dalla relazione: η = ηc β(Tc– Trif), dove: ηc efficienza del modulo; β coefficiente di temperatura (W/°C); Tc temperatura della cella (°C); Trif temperatura di riferimento (25°C). Dal calcolo del rendimento, si determina l’energia prodotta attraverso la formula: E = η ηBOSA k G, dove: η rendimento della cella; ηBOS rendimento del sistema; A area del modulo (m2); k coefficiente di perdita; G radiazione solare (W/m2). Appare evidente, pertanto, che più è alta la temperatura della cella meno energia viene prodotta. Tuttavia, la temperatura della cella, in un impianto totalmente integrato, dipende dalle caratteristiche della copertura all’interno della quale è inserito e dalle condizioni di ventilazione sottomanto: ne consegue che, gli stessi moduli, se integrati in coperture differenti, possono dar luogo a comportamenti differenziati.

Impianto solare fotovoltaico parzialmente integrato grazie alla struttura di sostegno applicata in copertura. In questo caso la sovrapposizione è generalmente consigliata se il pacchetto di copertura non è idoneo all’integrazione, specialmente se si tratta di tipologie di tetto non ventilate e di vecchia costruzione.Impianto solare termico a circolazione naturale, sovrapposto in copertura, dotato di collettori vetrati piani. Questa tipologia d’impianto presenta lo svantaggio di dover installare il serbatoio di accumulo al di sopra dei pannelli solari, a discapito dell’estetica della copertura, a meno che non lo si posizioni nel sottotetto.
1. Esempi di integrazione «parziale». Questo sistema presenta vantaggi economici per il basso costo di installazione (semplici strutture di sostegno senza rimozione del manto) e vantaggi funzionali poiché assicura una corretta tenuta all’acqua e la protezione degli strati sottostanti.

Pannelli fotovoltaici policristallini. Per garantire la perfetta tenuta all’acqua del sistema vengono utilizzate guaine impermeabilizzanti tra impianto e copertura.Impianto solare termico dotato di tubi sottovuoto. L’integrazione totale può risultare la soluzione ottimale nel caso di progettazione ex novo, oppure quando la copertura viene sottoposta a lavori di
manutenzione straordinaria o di riqualificazione ed è necessaria la sostituzione del manto.
2. Esempi di integrazione «totale». Il sistema solare, costituendo in questo caso una soluzione di continuità del manto, deve anche garantire la tenuta all’acqua ed evitare la formazione di ponti termici.

Elementi discontinui «fotovoltaici».
Un vantaggio del sistema è costituito
dal poter sostituire/manutenere piccoli
elementi piuttosto che interi pannelli.
Il limite principale delle «tegole fotovoltaiche»
è rappresentato dal fatto che, a parità
di potenza installata sul tetto, il sistema
richiede una superficie maggiore rispetto
a un impianto fotovoltaico classico.
3. Alcuni esempi di tegole e coppi con la cella fotovoltaica integrata nell’elemento costituente il manto di copertura. Con questi sistemi evolve l’elemento in «cotto» che, nel tempo, ha dimostrato una grande stabilità per le sue semplici ma funzionali modalità di montaggio, diventando anche una «fonte» di energia pulita.

Impianto con inclinazione differente rispetto
alla copertura.
Impianto non integrato correttamente.
4. Esempi di interventi di installazione non a regola d’arte.