Finestre fotovoltaiche trasparenti: Glass to Power

I Concentratori Solari Luminescenti

I concentratori solari luminescenti (LSC) sono lastre semitrasparenti di materiali plastici drogate con cromofori che, a seguito dell’assorbimento della luce solare, riemettono fotoni a lunghezza d’onda maggiore. Questi fotoni sono guidati per riflessione totale interna ai bordi del dispositivo dove vengono convertiti in elettricità da celle fotovoltaiche convenzionali. Grazie alla loro elevata integrabilità in vetrate continue e finestre fotovoltaiche, gli LSC sono considerati uno degli strumenti più promettenti per realizzare edifici a bilancio energetico vicino a zero in aree ad elevata urbanizzazione dove le superfici dei tetti non sono sufficienti per la produzione di tutta l’energia elettrica richiesta.

La tecnologia messa a punto da Glass to Power prevede l’impiego come cromofori di nanoparticelle in cui, grazie ad una opportuna ingegnerizzazione, si ottiene il completo disaccoppiamento del processo di assorbimento e di emissione della luce. In questo modo si sono realizzati prototipi con buone efficienze di generazione di energia elettrica anche per superfici di centinaia di centimetri quadri, dimensioni ormai facilmente scalabili verso quelle richieste per applicazioni reali. Inoltre questi LSC sono essenzialmente incolori, un requisito indispensabile per una loro semplice integrazione architettonica. L’analisi colorimetrica ha infatti dimostrato che i nostri nano compositi non distorcono la luce trasmessa e non modificano la percezione cromatica nella visione indoor-to-outdoor. In conclusione, è ora possibile realizzare LSC di grande superficie, stabili, non inquinanti e con buona efficienza, pronti per il loro inserimento in vetrocamere per infissi fotovoltaici.

Estetica

La tecnologia di Glass to Power permette di sviluppare finestre fotovoltaiche a basso impatto estetico che potranno essere facilmente integrate architettonicamente in edifici passivi risultando praticamente invisibili sia dall’esterno che dall’interno. Grazie al loro comportamento omogeneo su tutto lo spettro della luce solare, i nostri LSC risultano essenzialmente incolori, apparendo del tutto simili alle lenti di un occhiale da sole piuttosto che alle pellicole che vengono comunemente applicate alle vetrate per ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Il grado di trasparenza degli LSC, inoltre, può essere determinato in fase di produzione a seconda delle esigenze del cliente, per ottenere il miglior compromesso tra energia assorbita e quantità di luce per l’illuminazione indoor. La qualità della luce trasmessa, secondo la certificazione UNI 10380, è collocata nel gruppo 1A, quello delle sorgenti di massima qualità idonee per l’illuminazione di abitazioni, studi grafici, ospedali, ecc. Inoltre, come dimostrato dal test Farnsworth-Munsell 100, gli innovativi LSC di Glass to Power non alterano la percezione dei colori quando si guarda attraverso una finestra fotovoltaica.

Prestazione

Grazie alla tecnologia Glass to Power, che permette un’eccezionale copertura spettrale, mai raggiunta prima in nessun altro tipo di LSC, è stato possibile ottenere efficienze di conversione della potenza luminosa in potenza elettrica fino al 3.2% con un grado di trasparenza nella regione del visibile intorno all’80% (cioè solo il 20% della luce è utilizzato per la produzione di energia elettrica mentre il restante 80% attraversa il pannello per illuminare gli ambienti interni). L’efficienza di conversione ottica della frazione blu/ultravioletta dello spettro solare raggiunge valori record di oltre il 10%. Inoltre, simulazioni di “ray-tracing” condotte a partire da dati sperimentali ottenuti dai nostri prototipi dimostrano che queste prestazioni sono conservate anche per grandi dimensioni, aprendo la strada verso finestre fotovoltaiche con efficienza superiore al 5%.

Durata

Glass to Power utilizza per la produzione dei suoi LSC solo materiali intrinsecamente molto stabili e durevoli nel tempo. Le lastre plastiche sono realizzate con plexiglass di alta qualità già comunemente utilizzato per applicazioni in edilizia. Le nanoparticelle sono realizzate interamente con materiali inorganici come il silicio, intrinsecamente stabili all’irraggiamento solare senza pericolo di degradazione garantendo continuità e durata della produzione di energia elettrica.

Eco-friendly

Glass to Power rispetta l’ambiente utilizzando per i suoi LSC solo plexiglass di prima qualità altamente riciclabile e nanoparticelle di silicio o di altri semiconduttori inerti senza metalli pesanti. L’impiego di una superficie per kW di potenza prodotta di celle fotovoltaiche tradizionali enormemente inferiore rispetto a un comune impianto fotovoltaico integrato permette di ridurre i problemi relativi allo smaltimento a fine ciclo di questi dispositivi.

Costo

Integrando gli LSC in serramenti a doppio o triplo vetro gli extra costi rispetto ad una corrispondente finestra passiva, sono dovuti essenzialmente al costo delle nanoparticelle. Infatti, le piccole celle convenzionali al silicio da installare sui bordi del concentratore sono così economiche da non incidere per più di qualche euro a m2, mentre i costi di cablaggio potrebbero essere anch’essi modesti se questi dispositivi venissero installati in contesti già predisposti per lo sfruttamento dell’energia solare e quindi già dotati di inverter ed eventualmente sistemi di accumulo dell’energia. Allo stato attuale, le nanoparticelle non vengono prodotte su larga scala, però, considerando i reagenti di partenza e la semplicità di sintesi, stime accettate a livello internazionale indicano come ragionevoli costi compresi tra i 5 e i 10 euro al grammo per grandi produzioni. Dato che i nostri LSC contengono circa 2-5 g/m2 di nanoparticelle, l’extra costo massimo per il dispositivo è circa 50 Euro/m2, tra l’altro ulteriormente riducibile se si riuscissero ad utilizzare nanoparticelle ancora più economiche che sono attualmente in fase di sviluppo. Per valutare l’energia prodotta, si immagini di utilizzare finestre fotovoltaiche anche solo con efficienza del 5% per ricoprire unicamente la facciata rivolta a sud di un edificio come lo Shard di Londra che ha vetrate sui diversi lati per complessivi 56.000 m2. Assumendo per le perdite il valore tipico di un impianto fotovoltaico del 14%, l’energia prodotta dalla facciata dell’edificio ammonterebbe, alle latitudini del nord Italia, a circa 0.62 MWh/anno equivalenti ai consumi tipici di 150 appartamenti abitati da famiglie di 4 persone. Inutile sottolineare che tanto aumenti di efficienza quanto impiego degli LSC su più facciate aumenterebbero la produzione di energia elettrica. Questi numeri, non solo sono sovrapponibili a quelli del fotovoltaico tradizionale di pochi anni fa, ma non considerano i vantaggi collaterali connessi con il fatto di ridurre l’insolazione degli ambienti interni. Per edifici caratterizzati da grandi facciate, specialmente alle latitudini più basse, è infatti sempre necessario installare sistemi di oscuramento delle vetrate o di sistemi di condizionamento estremamente costosi al fine di mantenere la temperatura interna a livelli confortevoli.