il fotovoltaico applicato alle membrane: sviluppi e prospettive

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Alessandra Zanelli
Alessandra Zanelli è MSArch, PhD,
Associate Professor al Politecnico di Milano
IL FOTOVOLTAICO APPLICATO ALLE
MEMBRANE: SVILUPPI E PROSPETTIVE
Fig. 1 - Ackermann & Partner Architects, Munich, 2011, AWM Carport, 9600 mq di copertura in ETFE con integrazione di pannelli fotovoltaici a film sottile
(foto di Taiyo Europe).
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Fig. 2 - Carl Stahl Architektur GmbH. Peace and Security Building of the African Union Addis Abeba, 2015, Sul sistema di ombreggiamento misura circa
25x20 metri sono stati integrati 445 singoli moduli di OPV trasparente di colore blu, prodotti dal marchio Merck’s lisicon®. il sistema di velario fotovoltaico
fornisce l’energia sufficiente ad attivare i LED di illuminazione interna all’edificio (foto di BELECTRIC OPV GmbH)
Il tema dell’integrazione architettonica del fotovoltaico rappresenta una sfida ancora aperta in tutti i campi di intervento sull’ambiente costruito e, ancor più, nell’ambito delle costruzioni a membrana.
Il mercato dei prodotti fotovoltaici è in continua evoluzione e,
a fronte di ingenti investimenti nella ricerca e sviluppo di
prodotti alternativi alla tecnologia delle celle opache a base
di silicio, una vera e propria alternativa comparabile con la
prima generazione di fotovoltaico a livello di costi e di prestazioni ancora propriamente non esiste sul mercato. Le
sperimentazioni in atto sono ancora casi sporadici, a volte
anche di limitate dimensioni e di dubbia efficienza, tuttavia
esse appaiono molto promettenti in quanto lasciano intravvedere nuove modalità di integrazione delle superfici energeticamente attive sia nelle facciate che nelle coperture. Il
tema del fotovoltaico integrato su supporto flessibile è oggetto d’indagine da oramai una decina d’anni, periodo in cui
molte aziende produttrici di celle a film sottili e di fotovoltaico organico (OPV) sono apparse e altrettanto rapidamente
scomparse dal mercato. I film sottili rappresentano ancora
una possibilità concreta di accostamento delle celle fotovoltaiche ad un supporto membranoso, mentre le celle organiche sono ancora così poco efficienti, nell’ordine del 5-10%,
che la loro scelta è dettata più da considerazioni legate e alla compatibilità con supporti trasparenti e all’estetica generale che dal ritorno economico derivato dall’accumulo di
energia elettrica.
I pannelli a film sottile, considerati la seconda generazione
di celle fotovoltaiche (Pagliaro, 2009), sono compatibili con
sistemi tensostrutturali di tipo permanente, specialmente
se caratterizzati da supporti di grande resistenza tensile,
come per esempio i tessuti in fibra di vetro/ptfe. Una ricerca di dottorato (Jbrahim, 2012) ha evidenziato le potenzialità e i limiti di tale integrazione, analizzando come quattro
differenti configurazioni di una forma membranale semplice (forma Hypar, a vela) possano influenzare il mantenimento delle prestazioni elettriche del pannello fotovoltaico
flessibile.
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Fig. 3 - Immagine delle celle OPV trasparenti di colore blu caratterizzanti il Padiglione Tedesco all’Expo 2015 di Milano: dopo questo primo impiego sperimentale, le celle sono state riproposte nell’edificio di Addis Abeba di cui alla figura 2 (foto di BELECTRIC OPV GmbH)
Si contano alcune importanti realizzazioni di coperture in
cuscini di ETFE trasparente a più strati e più camere d’aria
interposte, al cui interno sono stati integrate strisce di fotovoltaico a film sottile. In ambito europeo i casi più significativi sono stati installati da Vector Foiltec e da Taiyo Europe.
In questi casi, data la limitata consapevolezza sulla durata
della innovativa tecnologia a film sottile, fine di semplificare
la manutenzione nel tempo o la sostituzione a fine vita del
panello fotovoltaico, il layer di ETFE che funge da supporto
viene confezionato in modo da poter essere facilmente separato dal resto dei layer di ETFE che formano uno stesso
cuscino pneumatico.
Se i moduli fotovoltaici a film sottile consentono di essere
plasmati con efficacia ad un supporto che abbia un certo
raggio di curvatura, come tensostrutture e strutture pneumatiche, il loro grande limite resta il colore della parte energeticamente attiva, che li rende completamente opachi e caratterizzati da una colorazione violacea e scura molto simile
alle celle al silicio di prima generazione.
Ben più interessante da questo punto di vista appare la terza
generazione di celle fotovoltaiche, le cosiddette celle organiche (OPV), che si attivano mediante un colorante che consente una certa permeabilità alla luce, ovviamente se supportate
da un layer altrettanto trasparente. Se ne deduce che le OPV
sono particolarmente adatte ad essere integrate in supporti
di vetro o di film fluoropolimerici come l’ETFE, meno adatte
invece ad essere integrate in tessuti rivestiti.
A questa generazione di celle fotovoltaiche ancora di basso
rendimento appartengono anche le celle di Graetzel come
per esempio quelle della facciata sperimentale in vetro fotovoltaico del centro di ricerca EPFL di Losanna. In questo
edificio le celle sono supportate da un materiale convenzionale, ossia il vetro, ma le ricerche in corso dimostrano che
è tecnicamente possibile anche la stampa dei layer attivi
colorati anche su film flessibili come l’ETFE, una volta che
le superfici a base teflon siano pre-trattate al plasma. La
stabilità delle prestazioni elettriche delle celle OPV in condizioni di servizio tipiche dei cuscini pneumatici in ETFE è
stata testata in laboratorio (Fan et alii, 2014), mentre ulteriori studi andrebbero fatti sulla possibilità di calibrare il
pattern di stampa del layer elettricamente attivo, in modo
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Fig. 4 - Studio sull’integrazione di celle a film sottile su una membrana in Fibra di Vetro/ ptfe: ipotesi di applicazione di un pannello fotovoltaico al centro di
4 differenti configurazioni di hypar (fonte: Hend Ibrahim, Tesi di Dottorato, Politecnico di Milano, 2012, pp. 162-163)
da sfruttarne a pieno le sue potenzialità, in copertura come
in facciata, anche come elementi di ombreggiamento o di
filtro nella luce diretta. Un caso interessante in questo senso è la copertura dell’edificio dell’Unione africana ad Addis
Abeba, completato nel 2015 su progetto dello studio Carl
Stahl Architektur.
Il fotovoltaico semi-trasparente rappresenta davvero lo scenario del futuro, in quanto consente ai progettisti di avvicinarsi a tre nuovi risultati, che apparivano impossibili con le
tecnologie precedenti di fotovoltaico:
1. si può finalmente preferire l’applicazione del fotovoltaico
in facciata, giocando sui livelli di trasparenza della pelle
dell’edificio, dal momento che il fotovoltaico organico
consente di sfruttare a pieno anche le situazioni di luce
diffusa;
2. è possibile considerare le parti attive come una colorazione o come un pattern grafico, facilmente manipolabile nel disegno estetico complessivo della pelle dell’edificio;
3. si può lavorare sul tema dell’ottimizzazione degli apporti
luminosi all’interno dell’edificio, sfruttando le celle colorate come elementi ombreggianti attivi e calibrando la
loro quantità sulla trasparenza dell’insieme. Questa strategia è considerata l’unica percorribile per avvicinarsi
sempre più al soddisfacimento dei requisiti prefigurati
dallo standard degli Zero Energy Buildings.
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Fig. 5 - Studio sull’integrazione di celle a film sottile su una membrana in
Fibra di Vetro/ ptfe: impatto dell’integrazione fotovoltaica sul comportamento ai carichi del vento nella direzione dell’ordito per le 4 configurazioni di Hypar (fonte: Hend Ibrahim, Tesi
di Dottorato, Politecnico di Milano,
2012, pag. 173)
Fig. 6 - Studio sull’integrazione di celle a film sottile su una membrana in
Fibra di Vetro/ ptfe: impatto dell’integrazione fotovoltaica sul comportamento ai carichi della neve nella direzione della trama per le 4 configurazioni di Hypar (fonte: Hend Ibrahim,
Tesi di Dottorato, Politecnico di Milano, 2012, pag. 174)
Le celle a colorante vengono già ampliamente utilizzate per
realizzare piccoli oggetti su supporto in plastica flessibile
(PET) capaci di catturare la luce artificiale di uno spazio interno e di trasformarla in fonte di alimentazione per dispositivi a OLED: si pensi ad esempio alle etichette elettroniche
di prodotti esposti nei supermercati.
La tecnologia di stampa delle celle a colorante è compatibile
con il processo di fabbricazione roll to roll dei fogli in ETFE (Za-
nelli, 2011). Ciò che è mancato finora è un avanzamento consistente nella tecnologia delle OVP in termini di efficienza. Grazie
alle recentissime ricerche sulla peroskite l’efficienza del fotovoltaico organico può finalmente essere incrementata in modo
consistente. Questo ulteriore stadio di sviluppo appare essenziale per decretare davvero il successo di questa ultima generazione di fotovoltaico che sembra essere nato proprio per l’integrazione nei sistemi costruttivi leggeri a base polimerica.
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Fig. 7 - Panoramica dei possibili tipi di celle fotovoltaiche compatibili con un supporto flessibile (Fonte: Zhengyu Fan, Tesi di dottorato, Politecnico di Milano, p. 24)
Riferimenti bibliografici
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Hend Mohamed Ibrahim, Membrane Integrated Flexible Photovoltaics. Integrating Organic and Thin-Film Solar Modules
into ETFE and PTFE/Glass Membrane Structures, Tesi di dottorato in Tecnologie per l’ambiente costruito, Politecnico di Milano, 2012, relatori Alessandra Zanelli Jan Cremer, Bernd
Stimpfle.
Zhengyu Fan, Photovoltaic Flexibles: Integrating organic solar cells onto ETFE membrane, Tesi di dottorato in Tecnologie
per l’ambiente costruito, Politecnico di Milano, 2014, relatori
Alessandra Zanelli Carol Monticelli.
Fan Z., De Bastiani M., Monticelli C., Zanelli A.: Performance
investigation of organic photovoltaic layers on architectural
membrane. Advanced Building Skins Conference Proceedings
of the 9th ENERGY FORUM, October 28-29 (2014) 1255-1269,
Bressanone, Italy. ISBN 978-3-98120537-4
Pagliaro M., Palmisano G., Ciriminna R., Il nuovo fotovoltaico.
Dal film sottile alle celle a colorante: come le nuove tecnologie cambiano il futuro dell’energia, Dario Flaccovio Editore,
Palermo, 2009.
Alessandra Zanelli, Carol Monticelli, Paolo Beccarelli, Hend
Mohamed Ibrahim (2011). Experimental Manufacture of a
Pneumatic Cushion made of ETFE Foils and OPV cells; in: E.
Oñate, B. Kröplin, K.U.Bletzinger. STRUCTURAL MEMBRANES
2011. Barcelona, 5/10/2011 - 7/10/2011, Barcelona, CIMNE, p.
279-290.
Alessandra Zanelli, Jakica Nebojsa (2015), Metodo di applicazione di moduli fotovoltaici integrati all’edificio, Brevetto per
invenzione, (Patent Pending), Politecnico di Milano, http://www.
polimi.it/index.php?id=6247&sel_brevetto=5064
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Figure 8-9: Richter Dahl Rocha & Associés Architectes: SwissTech Convention Center, EPFL campus in Lausanne, 2014. Primo esempio di facciata di circa
200 mq di superficie semitrasparente formata da celle fotovoltaiche colorate di origine organica prodotte da Solaronix (foto Solaronix).