Collettori PV-T integrati negli edifici (BiPV-T/a)

Da un punto di vista olistico, Bazilian et al. hanno riassunto le potenziali applicazioni della cogenerazione PV-T nell'ambiente delle costruzioni.

La multifunzionalità della facciata esterna o del tetto risulta buona per l'installazione di sistemi PV-T che producono contemporaneamente calore, luce ed elettricità.

Oltre all'uso del flusso d'aria dietro i moduli fotovoltaici, un sistema PV-T progettato per la trasmissione dell’elettricità non richiede alcun costo di sistema aggiuntivo tranne quello per sensori di luce ambientale al fine di ottimizzare il guadagno di illuminazione naturale.

In Danimarca, sono stati finanziati progetti BiPVT/a di postmonitoraggio delle abitazioni a Lundebjert e a Sundevedsgade/Tondergade nel 2000-2001, permettendo la sperimentazione di diverse applicazioni di sistemi di ventilazione fotovoltaici, come ad esempio la valutazione dei diversi modi di integrazione architettonica, prestazioni dello scambiatore di calore aria-aria nonché l’accoppiamento diretto dei ventilatori DC con le uscite dei sistemi fotovoltaici.

I risultati hanno mostrato che il vantaggio reale di aria fresca presriscaldata è basso in quanto viene sfruttato solo circa un terzo del preriscaldamento diretto del sole.

Nei periodi estivi i pannelli fotovoltaici devono essere raffreddati sul retro tramite ventilazione naturale, al fine di risparmiare energia di ventilazione.

Nel Centro Ambientale di Brockstill a Leicester (Regno Unito, 2001) è stato installato un sistema PV-T/a montato sul tetto ed integrato con collettori solari ad aria.

Per valutare le prestazioni delle diverse modalità operative e di controllo è stato adottato un approccio combinato di simulazione che incorpora sia ESP-r che programmi di simulazione come TRNSYS.

I monitoraggi dei dati sul reale utilizzo di energia dell'edificio mostrano risultati molto positivi.

Nella zona subtropicale, Ji et al. esaminando numericamente le prestazioni energetiche di una facciata BiPV/a con un condotto di ventilazione dietro i moduli fotovoltaici in un grattacielo di Hong Kong, hanno trovato che la disposizione del condotto a ventilazione naturale, influisce poco sulle prestazioni elettriche pur essendo in grado di ridurre la trasmissione di calore attraverso la facciata PV.

Uno studio simile è stato effettuato da Yang et al. in base alle condizioni atmosferiche di tre città della Cina quali Hong Kong (a 22,3 ° N), Shanghai (a 31.2 ° N) e Pechino (a 39.9 ° N), riscontrando che il rapporto di riduzione è variato dal 33% al 52% nei giorni tipici a causa del raffreddamento dello spazio di carico dato dal flusso d'aria dietro i moduli fotovoltaici.

Da un altro studio sui sistemi BiPVT/a, effettuato da Chow et al. in un edificio adibito ad hotel a Macao (a 22,2 ° N),è stata determinata l'efficacia del sistema PV in funzione del raffreddamento mediante flusso naturale di aria dietro i moduli fotovoltaici.

Il sistema è stato studiato considerando due diverse opzioni:

Caso 1: intercapedine aperta ai lati;

Caso 2: intercapedine chiusa, con effetto camino sfruttabile per il preriscaldamento

dell'aria.

Questi due casi sono stati confrontati con il caso convenzionale BiPV.

I risultati delle simulazioni ESP-r hanno mostrato una differenza insignificante della produzione di energia elettrica tra le tre opzioni di sistema fotovoltaico.

Questo risultato è stato causato dall’inversione del flusso d’aria nell’intercapedine durante le ore notturne, grazie al raffreddamento della camera (24 ore al giorno).

Si è concluso che sia la condizione di clima che le modalità di funzionamento del sistema influenzano in modo significativo la produttività del sistema fotovoltaico.

ombreggiatura sono stati dedotti, le prestazioni elettriche possono essere facilmente determinate.

D’altro canto il calcolo termico può essere problematico, in quanto ad esempio, la stima dei coefficienti di scambio termico convettivo è tutt'altro che semplice, poiché i processi effettivi sono composti da un mix di convezione forzata e naturale, di moto laminare e turbolento, e contemporaneamente, dello sviluppo del flusso d’aria in ingresso.

Il carico esterno del vento sul pannello complica ulteriormente la situazione.

Per una facciata semitrasparente, l’energia termica entra e si trasmette attraverso la cavità d'aria sia direttamente (per vetri) che indirettamente (attraverso convezione e lo scambio di radiazione). Il trasferimento di calore nel flusso di ventilazione è probabilmente più complesso, in particolare quando il flusso d’aria ventilata viene riutilizzata.

Assumendo un flusso d’aria nel condotto verticale dietro i pannelli fotovoltaici, Sandberg e Moshfegh hanno derivato espressioni analitiche per il flusso del refrigerante, la velocità e l'aumento di temperatura lungo la lunghezza del condotto.

Gli esperimenti sono stati condotti trovando una buona corrispondenza con le previsioni teoriche, meno accurata per canali con estremità aperte.

Per questi ultimi, Mittelman et al. hanno sviluppato una correlazione generalizzata per il numero medio di Nusselt del canale combinato convettivo-radiativo di raffreddamento. La soluzione delle equazioni governanti di conservazione e le condizioni al contorno sono state effettuate mediante la tecnica CFD. Utilizzando tale tecnica, Gan ha analizzato l'effetto della dimensione dell’involucro sulle prestazioni del sistema fotovoltaico in termini di temperatura delle celle per una serie di falde del tetto e le lunghezze del pannello fotovoltaico a livelli differenti di guadagno di calore solare.

Per ridurre la possibile formazione del punto di surriscaldamento, si raccomanda un intercapedine minima di 0,12-0,15 m per più moduli e 0,14-0,16 m per modulo singolo. Mei et al. hanno effettuato una simulazione termodinamica di un sistema collettore BiPVT/a con l’apposito programma per simulazioni TRNSYS, convalidando i risultati con i dati sperimentali presso la Biblioteca Mataro nei pressi di Barcellona.

Sono stati determinati i carichi termici estivi ed invernali per varie località europee considerando edifici con e senza facciata ventilata PV-T, valutando anche l'impatto delle variazioni climatiche sulla energia.

I risultati hanno mostrato che il 12% dell’energia invernale per il riscaldamento può essere utilizzato per la ventilazione in un edificio situato a Barcellona (a 41,3 ° N), mentre solo il 2% per Stuttgart (a 48,8 ° N) in Germania e Loughborough (a 52.8 ° N) nel Regno Unito.

Le posizioni con latitudini superiori hanno bisogno di una più alta percentuale di collettori solari ad aria nel sistema combinato.

Inoltre, Infield et al. hanno esplorato diversi approcci per stimare le prestazioni termiche della facciata BiPV-T/a, comprendente una metodologia di progettazione basata su un'estensione delle perdite di calore e sui fattori di guadagno delle radiazioni.

In questo modo, è stato ben definito il rendimento energetico della facciata semitrasparente PV della biblioteca pubblica di Matarò.

Fig. 4.6 : Modalità di assemblaggio

La Figura 4.6 mostra due diverse modalità di assemblaggio per la ventilazione dei pannelli fotovoltaici, che consiste di una vetratura fotovoltaica esterna e un vetro chiaro interno, dove la circolazione dell’aria può avvenire all’esterno o all’interno dell’edificio. Le diverse combinazioni di aperture di sfiato consentono diversi moti al flusso di ventilazione, che può essere sia indotto che meccanico.

Chow et al. hanno analizzato numericamente il rendimento energetico globale della sua applicazione in u n hotel a Hong Kong (Cina).

Si è notato che la trasmissione superficiale della vetrata dipende fortemente dalle

PV glass pane Clear glass pane

(a) Cooling mode

Room Outside air PV glass pane Clear glass pane (b) Heating mode Room Inside air

influenzato sia dalle proprietà di vetro interno ed esterno che dai loro coefficienti di estinzione.

Sono state inoltre riportate la misure sperimentali presso la City University di Hong Kong (Cina) e confrontate considerando due diverse tipologie di vetri utilizzati: una con vetro fotovoltaico e l'altro con vetro di assorbimento.

Il risparmio sul consumo di energia elettrica per la climatizzazione può essere del 26% per il pannello Single e del 82% per il pannello Double ventilato.

Inoltre, tramite un convalidato modello di simulazione in ESP-r, venne riscontrato che la tecnologia fotovoltaica con ventilazione naturale è applicabile al tipico ambiente di ufficio di Hong Kong, comportando una riduzione significativa del consumo energetico per condizionamento dell’aria del 28%, rispetto al sistema convenzionale con vetri assorbenti.

Con la regolazione della luce diurna, Chow et al. hanno trovato che i sistemi di vetrature ventilate fotovoltaiche sono in grado di migliorare in modo significativo il consumo di energia elettrica negli edifici adibiti ad uffici.

I risultati delle simulazioni hanno mostrato che per la gamma di regioni con un clima compreso tra quello tropicale e quello temperato, il sistema di vetratura fotovoltaica a ventilazione naturale ha dei vantaggi rispetto all’opzione vetri di assorbimento con stesso tipo di ventilazione, così come con il singolo sistema di vetratura.

Per le applicazioni in clima caldo, i modelli ventilati sono stati considerati migliori rispetto ai progetti di recupero del calore con il fotovoltaico termico, Crawford et al. hanno trovato che la EPBT dei tre impianti in Sydney (a 33,5 ° S) in Australia sono nella gamma di 12-16,5 anni, 4-9 anni e 6-14 anni rispettivamente. Quindi con l'integrazione di calore dell'unità di riscossione, l’EPBT può essere quasi dimezzato.

A Hefei (a 31.9 ° N), Ji et al. hanno studiato teoricamente e sperimentalmente, presso l'Università di Scienze e Tecnologia della Cina, le prestazioni di un impianto fotovoltaico costruito su un tetto. Questa facciata, esposta a sud, era composta da una vetrata fotovoltaica esterna, una parete isolante interna con aperture di ventilazione superiore e inferiore, lasciando un condotto di aria per la circolazione naturale.

I risultati hanno confermato il doppio beneficio del sistema:

produzione di elettricità.

La temperatura interna può essere aumentata di 5-7 ° C in inverno.

D'altra parte, l'effetto del raffreddamento fornito dal flusso naturale dell’aria canalizzata è in grado di mantenere in media, l'efficienza di lavoro delle celle fotovoltaiche in silicio intorno al 10,4%.