30 • ARCHITETTURA TESSILE

IL FOTOVOLTAICO APPLICATO ALLE MEMBRANE: SVILUPPI E PROSPETTIVE

Alessandra Zanelli

Alessandra Zanelli è MSArch, PhD, Associate Professor al Politecnico di Milano

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).

ARCHITETTURA TESSILE • 31

Il tema dell’integrazione architettonica del fotovoltaico rap-presenta una sfida ancora aperta in tutti i campi di interven-to sull’ambiente costruito e, ancor più, nell’ambito delle co-struzioni 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 pre-stazioni 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 intrav-vedere nuove modalità di integrazione delle superfici ener-geticamente attive sia nelle facciate che nelle coperture. Il tema del fotovoltaico integrato su supporto flessibile è og-getto d’indagine da oramai una decina d’anni, periodo in cui molte aziende produttrici di celle a film sottili e di fotovoltai-co organico (OPV) sono apparse e altrettanto rapidamente

scomparse dal mercato. I film sottili rappresentano ancora una possibilità concreta di accostamento delle celle fotovol-taiche ad un supporto membranoso, mentre le celle organi-che sono ancora così poco efficienti, nell’ordine del 5-10%, che la loro scelta è dettata più da considerazioni legate e al-la compatibilità con supporti trasparenti e all’estetica gene-rale 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 ricer-ca di dottorato (Jbrahim, 2012) ha evidenziato le potenziali-tà e i limiti di tale integrazione, analizzando come quattro differenti configurazioni di una forma membranale sempli-ce (forma Hypar, a vela) possano influenzare il manteni-mento delle prestazioni elettriche del pannello fotovoltaico flessibile.

Fig. 2 - Carl Stahl Architektur GmbH. PeaceandSecurityBuildingoftheAfricanUnionAddisAbeba, 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)

32 • ARCHITETTURA TESSILE

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 foto-voltaico a film sottile. In ambito europeo i casi più significa-tivi 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 se-parato 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 pneu-matiche, il loro grande limite resta il colore della parte ener-geticamente attiva, che li rende completamente opachi e ca-ratterizzati 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 organi-che (OPV), che si attivano mediante un colorante che consen-te 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 fo-tovoltaico del centro di ricerca EPFL di Losanna. In questo edificio le celle sono supportate da un materiale convenzio-nale, 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 con-dizioni di servizio tipiche dei cuscini pneumatici in ETFE è stata testata in laboratorio (Fan et alii, 2014), mentre ulte-riori studi andrebbero fatti sulla possibilità di calibrare il pattern di stampa del layer elettricamente attivo, in modo

Fig. 3 - Immagine delle celle OPV trasparenti di colore blu caratterizzanti il Padiglione Tedesco all’Expo 2015 di Milano: dopo questo primo impiego speri-mentale, le celle sono state riproposte nell’edificio di Addis Abeba di cui alla figura 2 (foto di BELECTRIC OPV GmbH)

ARCHITETTURA TESSILE • 33

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 sen-so 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 sce-nario del futuro, in quanto consente ai progettisti di avvici-narsi 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 colora-zione o come un pattern grafico, facilmente manipolabi-le nel disegno estetico complessivo della pelle dell’edifi-cio;

3. si può lavorare sul tema dell’ottimizzazione degli apporti luminosi all’interno dell’edificio, sfruttando le celle colo-rate come elementi ombreggianti attivi e calibrando la loro quantità sulla trasparenza dell’insieme. Questa stra-tegia è considerata l’unica percorribile per avvicinarsi sempre più al soddisfacimento dei requisiti prefigurati dallo standard degli Zero Energy Buildings.

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)

34 • ARCHITETTURA TESSILE

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 in-terno e di trasformarla in fonte di alimentazione per dispo-sitivi 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 consi-stente nella tecnologia delle OVP in termini di efficienza. Grazie alle recentissime ricerche sulla peroskite l’efficienza del foto-voltaico organico può finalmente essere incrementata in modo consistente. Questo ulteriore stadio di sviluppo appare essen-ziale per decretare davvero il successo di questa ultima gene-razione di fotovoltaico che sembra essere nato proprio per l’in-tegrazione nei sistemi costruttivi leggeri a base polimerica.

Fig. 5 - Studio sull’integrazione di cel-le a film sottile su una membrana in Fibra di Vetro/ ptfe: impatto dell’inte-grazione fotovoltaica sul comporta-mento ai carichi del vento nella dire-zione dell’ordito per le 4 configurazio-ni di Hypar (fonte: Hend Ibrahim, Tesi di Dottorato, Politecnico di Milano, 2012, pag. 173)

Fig. 6 - Studio sull’integrazione di cel-le a film sottile su una membrana in Fibra di Vetro/ ptfe: impatto dell’inte-grazione fotovoltaica sul comporta-mento ai carichi della neve nella dire-zione della trama per le 4 configura-zioni di Hypar (fonte: Hend Ibrahim, Tesi di Dottorato, Politecnico di Mila-no, 2012, pag. 174)

ARCHITETTURA TESSILE • 35

Riferimenti bibliograficiJan Cremers, 2007, Flexible Photovoltaics Integrated in Tran-sparent Membrane and Pneumatic Foil Constructions, Proce-edings, CISBAT 2007 (Renewables in a Changing Climate - In-novation in the Built Environment) at EPFL, CH-Lausanne.Hend Mohamed Ibrahim, Membrane Integrated Flexible Pho-tovoltaics. Integrating Organic and Thin-Film Solar Modules into ETFE and PTFE/Glass Membrane Structures, Tesi di dot-torato in Tecnologie per l’ambiente costruito, Politecnico di Mi-lano, 2012, relatori Alessandra Zanelli Jan Cremer, Bernd Stimpfle.Zhengyu Fan, Photovoltaic Flexibles: Integrating organic so-lar 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 978-3-98120537-4Pagliaro M., Palmisano G., Ciriminna R., Il nuovo fotovoltaico. Dal film sottile alle celle a colorante: come le nuove tecnolo-gie 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 applica-zione 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

Fig. 7 - Panoramica dei possibili tipi di celle fotovoltaiche compatibili con un supporto flessibile (Fonte: Zhengyu Fan, Tesi di dottorato, Politecnico di Mila-no, p. 24)

36 • ARCHITETTURA TESSILE

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).