Università degli Studi di Palermo Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Magistrale a Ciclo Unico in Ingegneria Edile-Architettura
Involucri edilizi sostenibili: Impiego di materiali tecnologicamente avanzati per l’ottimizzazione energetica e l’incremento prestazionale degli elementi di captazione della luce naturale SUSTAINABLE BUILDING ENVELOPES: DSC INTEGRATED GLASSBLOCKS. PERFORMANCE ANALYSIS / INVOLUCRI EDILIZI SOSTENIBILI: INTEGRAZIONE DI CELLE SOLARI DI TERZA GENERAZIONE NEL VETROMATTONE. ANALISI PRESTAZIONALE
RIASSUNTO
Relatore: Prof. Rossella Corrao
Tesi di laurea di: Dario D’Anna
Correlatore: Prof. Marco Beccali Tutor: Ing. Luisa Pastore
2011/2012
1. L’ambito della ricerca Il lavoro di tesi che qui si illustra è stato condotto nell’ambito del Laboratiorio di Tesi di Laurea dal titolo “Involucri edilizi sostenibili. Impiego di materiali tecnologicamente avanzati per l’ottimizzazzione energetica e l’incremento prestazionale degli elementi di captazione della luce naturale” coordinato dalla Prof.ssa Rossella Corrao. In particolare, il laboratorio è finalizzato ad individuare possibili strategie per l’incremento prestazionale del vetromattone, proponendo anche soluzioni sperimentali da utilizzare per la costruzione di involucri traslucidi con elevate caratteristiche di sostenibilità. Il vetromattone, infatti, è ancora oggi un elemento da costruzione particolarmente idoneo per la definizione di involucri traslucidi, viste le sue buone caratteristiche di isolamento termico e di diffusione luminosa che lo rendono adatto per tale utilizzo anche in contesti climatici diversificati. Nel corso del laboratorio sono state indagate soluzioni innovative per l’incremento prestazionale di questo prodotto, al fine di ridurne la trasmittanza termica e sono state inoltre studiate le problematiche connesse alla definizione di pannelli precompressi e assemblati “a secco” che impiegano vetromattoni modificati, da utilizzare per la realizzazione di edifici traslucidi alti. Le ultime attività di ricerca prevedono l’integrazione di moduli fotovoltaici DSC nel vetromattone usato nell’assemblaggio del pannello, al fine di potere ottenere involucri edilizi non soltanto efficienti dal punto di vista energetico (con elevate proprietà di isolamento termico e diffusione della luce naturale) ma anche in grado di sfruttare, al contempo, la radiazione solare per la produzione di energia pulita. L’elemento ripetuto nella costruzione del pannello è un dispositivo fotovoltaico composto da un modulo DSC integrato nel vetromattone, un vero e proprio vetromattone fotovoltaico.
Fig. 1-2 Esempi di vetromattone fotovoltaico integrato con celle DSC
Il presente lavoro di tesi illustra le analisi condotte sulle prestazioni ottiche ed energetiche di tale dispositivo, studiato in relazione a differenti possibili configurazioni. 2. Cosa sono le celle DSC La tecnologia DSC (Dye-sensitized Solar Cell, letteralmente “celle sensibilizzate a colorante”) rappresenta oggi l’ultima generazione del fotovoltaico. Le celle DSC sono caratterizzate da una particolare struttura nanometrica formata da un “sandwich” di layer sottili assemblati tra due substrati conduttivi trasparenti. I processi necessari alla costituzione di questo tipo di celle sono semplici e poco costosi, ed anche il costo dei materiali impiegati è piuttosto ridotto. Le funzioni di 2
trasporto di carica ed assorbimento della luce sono separate tra loro ed assolte rispettivamente da uno strato mesoporoso di biossido di titanio (TiO2) e da un colorante in esso assorbito. I tipi di colorante più usati comprendono diversi composti metallorganici contenenti generalmente rutenio, ma la natura del colorante può essere anche completamente organica. Rispetto alle celle fotovoltaiche tradizionali, le celle DSC offrono una vasta serie di vantaggi che le rendono notevolmente superiori soprattutto in riferimento alla loro potenziale integrazione architettonica. Tali celle infatti possono essere configurate secondo qualsiasi forma o pattern, ed assumere colori diversi in base al colorante utilizzato. Le celle possono avere inoltre diversi gradi di trasparenza, caratteristica che le rende praticamente uniche per l’integrazione in elementi vetrati. Date le pressochè infinite possibilità nella definizione dell’aspetto finale delle celle, nel rispetto di opportune limitazioni legate alla loro efficienza, i prodotti sviluppati possono essere molto diversificati tra loro. Le DSC possono essere utilizzate per costituire anche dispositivi fotovoltaici flessibili, qualora le celle siano depositate su materiale plastico.
Fig. 3 Esempio di un modulo DSC sviluppato da Sony Co.
Le celle a colorante mostrano una dipendenza tra l’efficienza e l’inclinazione dei raggi solari incidenti estremamente ridotta rispetto alle tradizionali tecnologie fotovoltaiche, ed elevate capacità di assorbimento anche in condizioni di luce diffusa (ad esempio luce all’alba ed al tramonto ed in condizioni di cielo nuvoloso). Questa proprietà rafforza la potenziale applicabilità di questo tipo di fotovoltaico all’edilizia, a formare pareti perfettamente verticali o coperture perfettamente orizzontali, senza sostanziali perdite di efficienza e superando il limite dell’orientamento “forzato” dei pannelli tradizionali. Le massime efficienze registrate dalle celle DSC superano oggi il 12% per quanto riguarda celle di piccole dimensioni (estese solo pochi centimetri quadrati) mentre moduli più grandi hanno registrato efficienze fino all’8%. Malgrado la loro efficienza sia minore se confrontata al fotovoltaico tradizionale, alcuni studi hanno mostrato che l’energia prodotta dalle celle DSC nel tempo può risultare anche maggiore rispetto a quella derivata dall’impiego di pannelli tradizionali in silicio di pari potenza. Si noti infatti che l’efficienza è un parametro che misura la capacità di conversione delle celle nelle migliori condizioni di illuminazione, senza considerare le ridotte capacità risultanti dall’effettiva messa in opera dei pannelli, sottoposti per lunghi intervalli di tempo a condizioni di illuminazione non ottimali. Informazioni dettagliate sulla struttura ed il funzionamento delle celle DSC sono riportate al Capitolo 1 della tesi, in cui vengono anche affrontati anche il tema dell’integrabilità su edifici con involucri in vetromattone e la questione ecologica, 3
legata al riciclo delle celle solari ed alla valutazione del bilancio energetico complessivo durante l’intero ciclo di vita utile delle celle, dalla loro produzione fino alla dismissione. 3. Catalogazione ed analisi dei brevetti esistenti La presente tesi comprende una raccolta di brevetti (1625) riguardanti la tecnologia DSC, registrati dal 1998 al primo semestre del 2011 che sono stati individuati attraverso una ricerca condotta su Espacenet (un archivio online di pubblico accesso offerto dall’ EPO, European Patent Office). Sono state redatte alcune schede di approfondimento sugli stessi brevetti ritenuti più significativi ai fini della comprensione delle potenzialità di questa nuova tecnologia fotovoltaica. Il catalogo è stato creato non soltanto allo scopo di studiare le diverse alternative tecnologiche brevettate, fino alle più recenti, ma anche al fine di individuare gli operatori attivi nel settore. I brevetti sono stati ordinati cronologicamente in riferimento alla data di richiesta, per la valutazione del trend della ricerca nel tempo, successivamente è stata indagata la nazionalità e la natura dei richiedenti (enti privati o publlici e collaborazioni) e il contenuto tecnico di ciascun brevetto. Dal punto di vista tecnico, sono state individuate 12 categorie, sulla base dell’argomento (o componente) trattato in dettaglio in ciascun brevetto. Lo studio effettuato ha evidenziato un leggero calo nella pubblicazione di brevetti riguardanti la tecnologia DSC a partire dal 2010; si ritiene infatti che questa tecnologia sia già stata ampiamente indagata negli anni passati, mentre ci si aspetta oggi una maggiore diffusione delle richieste di brevetto legate ad applicazioni concrete per una estesa diffusione commerciale. I risultati dell’analisi sui brevetti esistenti sono riportati al Capitolo 2 della tesi. 3. Analisi prestazionale del vetromattone fotovoltaico L’analisi prestazionale è stata svolta con riferimento alla norma UNI EN 410:2011 per la determinazione delle caratteristiche luminose e solari del dispositivo ed effettuata per mezzo di simulazioni numeriche condotte attraverso il software OptiCAD®. In particolare si è proceduto per 4 diverse ipotesi di integrazione (descritte al Capitolo 3 della tesi) al calcolo di: - fattore solare; - trasmissione luminosa nel visibile; - coefficiente di ombreggiamento. Si è inoltre proceduto al calcolo della quota parte dell’energia luminosa incidente assorbita dalle celle, al fine di valutarne le ripercussioni sull’efficienza del dispositivo. E’ stato anche studiato il comportamento del dispositivo al variare dell’inclinazione dei raggi incidenti, e gli effetti sulle proprietà ottiche e sull’assorbimento delle celle derivanti dall’utilizzo di materiale più o meno riflettente sulle superfici laterali del vetromattone. L’analisi effettuata ha posto in evidenza le potenzialità ed i punti critici nell’integrazione delle celle DSC nel vetromattone. Lo studio sulla trasmittanza ottica a diverse lunghezze d’onda ha messo in risalto una conflittualità esistente tra l’efficienza delle celle e la loro trasparenza all’occhio umano, legata principalmente al fatto che lo spettro della radiazione solare contiene la maggior parte dell’energia proprio nel range della luce visibile. Ciò vuol dire che per ottenere celle DSC molto efficienti, indipendentemente dal substrato utilizzato per l’applicazione, è inevitabile che si sacrifichi parte della loro trasparenza. Queste considerazioni non costituiscono un limite nell’integrabilità delle celle DSC nel vetromattone; il rapporto tra trasparenza ed efficienza può infatti essere opportunamente calibrato per l’applicazione 4
del prodotto in contesti climatici differenziati (vetromattone meno trasparente per climi aridi, o più trasparente per climi via via più temperati o freddi). In ogni caso si è costretti ad una valutazione del livello di trasparenza da effettuare caso per caso, per ottenere livelli di illuminazione adeguati all’interno degli edifici ed efficienze più alte possibili. Le 4 ipotesi considerate mostrano un comportamento pressoché equivalente in termini di trasmittanza ottica totale; il parametro che invece risulta determinante per la scelta di una delle ipotesi rispetto alle altre è l’energia solare assorbita dalle celle. Lo studio sui principi ottici di base, il metodo utilizzato per l’analisi ed risultati ottenuti sono riportati al Capitolo 4 della tesi. 4. Possibili applicazioni di DSC su vetro piano Le applicazioni delle celle solari DSC sono ancora piuttosto limitate e principalmente di tipo prototipale. Nel presente lavoro di tesi sono inclusi lo studio e la progettazione di una possibile applicazione su vetro piano, sviluppata in occasione della partecipazione al “Concorso per la progettazione di un dispositivo che utilizzi tecnologie di produzione energetica basate su materiali fotovoltaici ricavati da materiali organici” promosso dalla Fondazione di Comunità di Messina, in collaborazione con la Fondazione Horcynus Horca, con l'Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria e con l'Istituto dei Processi Fisico-Chimici del CNR nel 2012. L’idea sviluppata durante il concorso riguarda la definizione di muri fotovoltaici luminosi. Tali dispositivi costituiscono degli elementi di arredo urbano delle dimensioni totali di 250x96x30 cm. Il muro fotovoltaico luminoso intende rispondere ad un tempo alla duplice esigenza di arredare ed illuminare spazi urbani quali piazze, viali ed aree di attesa dei mezzi di trasporto pubblico, rimanendo dal punto di vista energetico interamente autosufficiente. Il dipositivo è infatti concepito come stand-alone, e non necessita di alcun allacciamento alla rete. Il muro è modulare e modulabile, posizionabile in verticale o in orizzontale secondo le esigenze, per formare ambiti urbani diversificati. E’ di semplice realizzazione e manutenzione e fa uso di materiali ad alto contenuto riciclabile (metalli e leghe) e di facile reperimento.
Fig. 4 Muro fotovoltaico luminoso integrato con schermo led per l’utilizzo alla fermata del tram
E’ costituito da una coppia di telai in alluminio sui quali trovano alloggiamento complessivamente 20 moduli delle dimensioni di 19x76 cm per una potenza complessiva di circa 100 W in condizioni standard; i telai in alluminio sono alloggiati all’interno di un profilo a “C” in acciaio a formare una camera interna, entro la quale ècollocata un’ulteriore cornice dotata di led luminosi. Sulle due estremitàdel muro sono presenti due cavitàprotette da piastre metalliche forate all’interno delle quali èpossibile alloggiare contatori, batterie chimiche, regolatori di carica. Tali piastre
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forate permettono un’adeguata ventilazione naturale, riducendo la possibilitàche si manifestino fenomeni di condensa. Le lastre possono assumere colori diversi sulla base del tipo di colorante scelto e diversi gradi di opacitàsulla base dello spessore di pasta di ossido di titanio depositata (e dunque di colorante assorbito). Ciòpermette di poter ottenere non soltanto muri in colori diversi ma anche ad esempio muri che presentano un gradiente di sfumatura dello stesso colore. La descrizione dettagliata del progetto, menzionato dalla commissione giudicatrice del concorso, è riportata al Capitolo 1 della tesi.
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