ITRM20110086A1 - Sistema mobile a fisarmonica di pannelli schermanti fotovoltaici a celle solari a colorante organico dssc per le facciate degli edifici preesistenti e di nuova costruzione - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
"Sistema mobile a fisarmonica di pannelli schermanti-fotovoltaici a celle solari a colorante organico (DSSC) per le facciate degli edifici preesistenti e di nuova costruzione",
DESCRIZIONE
Il sistema à ̈ costituito da un profilo orizzontale che fa da binario superiore (n.19, Fig.l- 5-8-9), una guida inferiore (n.4, Fig. 1-8-9) e da un profilo verticale laterale (n.18, Rg. 1-5-7-8). Una volta ancorati i profili sopraindicati alle travature di bordo (n.23, Fig.5-9) della facciata preesistente o di nuova costruzione con dei profilati in acciaio ad "L" (n.16, Rg.1-7-9) o a "C" (n.17, Fig.1-9) e fissate le lamiere sagomate (n.12-13, Rg.1-9 e n.14, Fig. 5-6-7-B) di finitura, verranno appesi i singoli pannelli ai carrelli posti all'interno attraverso l'asola (n.25, Fig.5) del binario superiore e fìssati attraverso la staffa di contatto (n.24, Rg.1-9), infine, il gruppo di pannelli incernierati (n.7, Fig. 1-6-7-8) verrà assicurato alla leva di rotazione laterale (n.8, Rg. 1-7-8) che ne garantirà il movimento simultaneo. Tali pannelli sono costituiti da una doppia lastra di vetro conduttore (n.2, Rg.1-5-7-8-9) - di spessore variabile rispetto alla dimensioni complessive del pannello - che ha nel mezzo il composto organico (n.l, Fig. 1-5-7-8-9) fotosensibile (DSSC) disposto secondo un pattern ed uno spessore stabilito (Rg. 10) rispetto alle prestazioni schermanti/captanti desiderate (Tab.10). Le due lastre sono incapsulate in un polimero trasparente resistente ai raggi UV e tenute accoppiate inferiormente da un profilo a "C" in alluminio (n.5, Fig. 1-8-9) dove à ̈ fissato il perno inferiore (n.3, Fig. 8-9) che impedisce lo sbandamento; superiormente il profilo che tiene accoppiate le due lastre (n.ll, Rg. 1-7-8-9) ha due ali ed una sezione cava che permette il passaggio dei due cavi elettrici. I cavi (n.21. Fig. 8) passano attraverso la sezione cava del carrello superiore (n.6, Fig. 1-7-8-9) e vengono nascosti all'interno del profilo superiore e collegano in serie i pannelli captanti che nel movimento assumono lo stesso angolo rispeto alla facciata e rispetto alla radiazione luminosa (Fig,3). Supponendo di utilizzare pannelli modulari di eguali caratteristiche elettriche, (Fig.4) la tensione nominale di un sistema composto n moduli, (S1,S2, S3, Sn D1,D2,D3, D/7) risulterebbe essere alla somma delle tensioni nominali dei moduli che compongono ogni stringa (S,D); cioà ̈ VN x n, dove n à ̈ pari al numero dei moduli in serie. Si dovrà considerare la disuniformità di prestazioni tra moduli, gli effetti della temperatura, dell'ombreggiamento reciproco e all'occorrenza, anche la caduta di tensione sui diodi di blocco (circa 0,7 V). Analogamente, la corrente nominale dell'intero sistema di pannelli, à ̈ data dalla somma delle stringhe collegate in parallelo all nverter. I pannelli che appartengono alla stessa stringa sono collegati in serie ed i rispettivi cavi passano e si muovono liberamente nascosti all'interno del profilo superiore (n.19, Fig. 1-5-8-9) e si collegano alllnverter (n.20, Fig. 7-8) situato nelle immediate vicinanze del profilo verticale di battuta (n.18, Fig.1-5-7-8). In quest'ultimo profilo, sostenuta dalle apposite piastre (n.lO, Fig.7-8), trova alloggio la leva di rotazione (n.8, Fig.1-7-8) - collegata superiormente ed inferiormente dall'asta di collegamento (n.9, Fig.7-8) che ne garantisce il movimento simultaneo - che permete il movimento a fisarmonica dei pannelli incernierati (n.7, Fig. 1-6-7-8) tra loro ed il loro impacchettamento laterale (Fig.6) qualora le condizioni meteo non siano tali da poter garantire il funzionamento minimo prestazionale dei pannelli captanti, e quindi permetere alla poca luce di entrare negli ambienti interni e migliorarne il funzionamento bioclimatico generale. Tuttavia, la capacità della tecnologia adottata di convertire in energia le radiazioni luminose "diffuse" , garantisce il funzionamento del sistema captante, seppur in minore regime, anche quando i pannelli sono parzialmente impacchettati. La versatilità di questo sistema mobile lo rende un importante strumento per ridisegnare le facciate degli edifici preesistenti (fìg.5), migliorandone il loro funzionamento bioclimatico grazie alla duplice funzione di detti pannelli schermanti/captanti. Un altro importante aspetto risiede nella possibilità di avere piena libertà nel disegno e nei cromatismi dei singoli pannelli (Fig.10). Infatti, la stesura dello strato del semiconduttore in nanocristalli (TΟ2) che sarà impregnato dal colorante organico à ̈ completamente libero e possibile attraverso un processo di stampa (screen printing). Quindi, sempre neH'ottica di ottimizzare la superficie schermante e captante, sarà possibile disegnare intere facciate degli edifici, anche preesistenti, con infinite combinazioni di pattern e colori, tutto a vantaggio di una perfetta integrazione architettonica sostenibile. Riassumendo, quindi, per punti le peculiarità di tale sistema:
1. Campo di applicazione: Le prime applicazioni di integrazione architettonica di tale tecnologia riguardano solo sistemi fissi, che in condizioni metereologiche sfavorevoli impediscono alla luce di entrare negli ambienti. A tal proposito, questo sistema vuole apportare il proprio contributo innovativo nel campo dell'integrazione architettonica in facciata delle energie rinnovabili. Ad allargare il campo di applicazione dell'integrazione in facciata à ̈ la capacità della tecnologia impiegata (DS5C) di sfruttare l'energia solare captata indipendentemente dall'angolo d'incidenza delle radiazioni luminose. Questa peculiarità , unita alla possibilità di muovere i singoli pannelli, rende tale sistema estremamente versatile nella modalità d'impiego. Questo sistema permette, infatti, di utilizzare i pannelli schermanti/captanti solo in presenza di sole, o di toglierli ed impacchettarli lateralmente (Fig.6) qualora non ci siano le condizioni climatiche necessarie per il loro funzionamento. Il sistema bene si adatta a tutte le facciate esposte favorevolmente al sole, in quanto da la possibilità di schermare i raggi solari e quindi modulare il grado di ombreggiamento desiderato e nello stesso tempo quella di captare le radiazioni luminose diffuse per trame benefici in termini energetici. Il sistema può essere motorizzato e legato ad un sistema di controllo domotico in modo da ottimizzare l'efficienza energetica ed il funzionamento bioclimatico dell'intero edifìcio.
2. Duplice valenza: Questo sistema che ha come peculiarità il movimento a fisarmonica dei pannelli incernierati tra loro ed il loro impacchettamento laterale (Fig.6), permette, qualora le-condizioni metereologiche non siano tali da poter garantire il funzionamento minimo prestazionale dei pannelli captanti, alla poca luce di entrare negli ambienti interni e migliorarne il funzionamento bioclimatico generale. Dunque, la possibilità di utilizzare,questi pannelli solo in presenza di sole, per schermarsi come un comune brise-soleil - grazie all'opacità del pattern costituito dallo strato organico captante tra le due lastre di vetro (n.l, Fig. 1-5-7-8-9) - e nello stesso tempo di convertire l'energia solare captata, rende questo sistema doppiamente utile.
3. Tecnologia: La tecnologia fotovoltaica utilizzata à ̈ quella delle celle solari a colorante organico (DSSC: dyesensitized solar cells) di Grà tzel che sta già conoscendo diverse applicazioni dato il suo basso costo e la sua elevata efficienza. In pratica si tratta di uno strato di sostanza organica captante che viene incapsulata tra due lastre di vetro conduttori (n.l, Fig.1-5-7-8-9). L'impiego di questa tecnologia ha una dipendenza molto inferiore rispetto ad altre tecnologie fotovoltaiche riguardanti l'angolo d'incidenza delle radiazioni luminose (Fig.3); luce, che anche se artificiale, (dall'interno degli alloggi nelle ore notturne) può essere convertita in energia da questa tecnologia di ultima generazione. Una cella di Grà tzel (fìg. 2) à ̈- un dispositivo che produce energia elettrica convertendo energia luminosa in maniera simile alla fotosintesi. Infatti in questo dispositivo un pigmento organico (come la clorofilla o altre molecole) viene eccitato dalla luce solare per generare una corrente di elettroni. In dettaglio, questa cella à ̈ costituita (Fig.2), nell'ordine, da un elettrodo di vetro conduttore sul quale à ̈ disposto (screen prìntfng) uno strato di semiconduttore in nanocristalli (tipicamente TiO2), con un elevato fattore di rugosità . Questo elettrodo à ̈ impregnato dal colorante organico, le cui molecole sono disposte sulla superfìcie dei grani di semiconduttore a distanza nanometrica. Quando la luce colpisce la cella, eccita una molecola di pigmento e un suo elettrone riesce a trasferirsi dalla molecola di pigmento alla banda di conduzione del semiconduttore per effetto tunnel, lasciando il colorante ossidato. Una volta arrivati sul cristallo, gli elettroni sono immessi nel circuito elettrico, il quale termina su un contro-elettrodo formato da un altro vetro conduttore e da un catalizzatore (platino o carbonio); fra i due elettrodi c'à ̈ un elettrolita, tipicamente liquido e a base di iodio. Dopo il circuito l'elettrone arriva sul contro-elettrodo e viene ceduto all'elettrolita che lo trasporta alla molecola di colorante precedentemente ossidata: il circuito si chiude. Attualmente il picco di produzione globale di efficienza energetica per DSSC à ̈ di arca l'12% ed il campo di sperimentazione à ̈ ancora molto vasto ed i margini di miglioramento della loro efficienza stanno incrementando esponenzialmente gli investimenti. Ad attrarre gli investitori à ̈ soprattutto il basso costo di produzione rispetto alle altre tecnologie fotovoltaiche (silicio amorfo, monocristallino, policristallino), in quanto si utilizzano i composti organici a basso costo e non richiedono elaborati apparati per la fabbricazione. Anche se la sua efficienza di conversione à ̈ attualmente inferiore alle celle a film sottile, il suo rapporto prezzo/prestazioni (kWh / m2†̃ anno<â– >Euro) appare competitivo, anche considerando gli ampi margini di miglioramento de efficienza.
4. Basso costo: L'impiego della tecnologia fotovoltaica sopradescritta e la semplicità della componentistica, rende questo sistema competitivo da un punto di vista economico. Vantaggioso, soprattutto per la sua doppia utilità funzionale rispetto a sistemi che hanno come prerogativa solo quella di schermare o di produrre energia rinnovabile. Nel prospetto di valutazione economica (Tab. A) si evidenzia rame questo sistema costi quanto le comuni tende da sole, ma che oltre alla funzione schermante abbia anche quella di produrre energia rinnovabile.
5. Componenti: Il sistema à ̈ costituito da due famiglie di componenti: al primo appartengono tutti quei componenti che saranno dimensionati e realizzati secondo le esigenze caso per caso (profili dei moduli, lamiere sagomate); al secondo appartengono, invece, tutti quelli standard (profilati, cerniere, carrelli, etc.) che sono reperibili sul mercato. L'utilizzo di entrambe le famiglie di componenti garantirà un'elevata adattabilità ed una perfetta integrazione architettonica del sistema sia su facciate preesistenti, sia su quelle ex-novo.
6. Adattabilità ed integrazione architettonica: Questo sistema modulare può essere impiegato per l'efficientamento ed il restyling degli edifìci. Tutti gli edifici che presentano una facciata che gode di una posizione favorevole rispetto all'irraggiamento solare possono incrementare la produzione di energia rinnovabile grazie a questo sistema. Una volta fissati i profili (n.19, fig. 1-5-8-9) orizzontalmente sulle travature di bordo (n.23, fig.l-5-9) di balconi, terrazzi o porzioni di facciata in cui sono presenti grandi finestrature, basterà aggiungere moduli schermanti e captanti sufficienti a coprire la superficie desiderata. Il dimensionamento dei singoli moduli potrà variare a seconda delle esigenze d'intervento al fine di garantire una perfetta integrazione architettonica.
7. Pattern: Grazie all'impiego della tecnologia delle celle solari a colorante organico che utilizza processi di stampa su schermo (screen printing) per la distribuzione dello strato captante tra le due lastre si possono ottenere infinite combinazioni di opacità dello strato fotosensibile, pattern e colorazioni (fig.10). Quindi, una volta stabilita la percentuale di superfìcie captante-schermante rispetto a quella completamente trasparente, cercando di ottimizzare le prestazioni dei moduli ad hoc rispetto al luogo in cui verranno installati, sarà possibile disegnare intere facciate degli edifici, anche preesistenti, con infinite combinazioni di pattern e colorì, tutto a vantaggio di una perfetta integrazione architettonica sostenibile.
8. Durata: Attualmente le celle solari a colorante organico (DSSC) sottoposti a test di invecchiamento accelerato hanno dimostrato un mantenimento del 98% delle prestazioni iniziali per oltre 1000 h quando soggette a stress termico (80°C) al buoi o esposte sia a. temperatura (60°C) che a irradiazione continua per 1000 h. Il degrado dei moduli, in condizioni reali da esterno, à ̈ di circa il 15% in 4 anni, ma la sperimentazione conta di estendere questo arco di tempo a 10 anni. I singoli moduli, fatta salva la struttura del sistema mobile, una volta esaurita la loro capacità prestazionale, potranno essere facilmente sostituiti con dei nuovi più efficienti, visti gli enormi passi avanti anno dopo anno.
9. Manutenzione: In caso di rottura o di malfunzionamento, i moduli possono essere sostituiti singolarmente in quando collegati tra loro attraverso le cerniere superiori ed inferiori e superiormente attraverso un solo carrello. Una volta installato il sistema, la pulizia dei singoli moduli à ̈ la stessa di una comune superfìcie vetrata. E' possibile arrivare alla faccia esterna dall'interno con un getto d'acqua quando questi sono impacchettati
lateralmente (fig. 6), in quanto leggermente distanziati tra loro dal braccio delle cerniere (n.7, Fig. 1-7-8-9).
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema mobile a fisarmonica di pannelli schermanti-fotovoltaici a celle solari a colorante organico (DSSC) per le facciate degli edifici preesistenti e di nuova costruzione.
- 2. Sistema che, secondo il punto 1 delle rivendicazioni, grazie al movimento a fisarmonica dei pannelli incernierati tra loro ed il loro impacchettamento laterale permette, qualora le condizioni metereologiche non siano tali da poter garantire il funzionamento minimo prestazionale dei pannelli captanti, alla poca luce di entrare negli ambienti interni e migliorarne il funzionamento bioclimatico generale.
- 3. Sistema che, secondo il punto 2 delle rivendicazioni, à ̈ costituito da n pannelli captanti che nel movimento assumono lo stesso angolo rispetto alla facciata e rispetto alla radiazione luminosa saranno collegati in serie. Utilizzando pannelli modulari di eguali caratteristiche elettriche, la tensione nominale di un sistema composto da n moduli, (S1,S2, S3, Sn D1,D2,D3, D/7) risulterà essere alla somma delle tensioni nominali dei moduli che compongono ogni stringa (S,D); cioà ̈ VN x n, dove n à ̈ pari al numero dei moduli in serie, considerando la disuniformità di prestazioni tra moduli, gli effetti della temperatura, deH'ombreggiamento reciproco e all'occorrenza, anche la caduta di tensione sui diodi di blocco (circa 0,7 V). Analogamente, la corrente nominale dell'intero sistema di pannelli, à ̈ data dalla somma delle stringhe collegate in parallelo alllnverter. I pannelli che appartengono alla stessa stringa sono collegati in serie ed i rispettivi cavi passano nella sezione cava del carrello superiore di ogni modulo e si muovono liberamente nascosti all'interno del profilo/binario superiore.
- 4. Sistema che, secondo il punto 2 delle rivendicazioni, può essere motorizzato e legato ad un sistema di controllo domotico per l'apertura e chiusura dei pannelli in modo da ottimizzare l'efficienza energetica ed il funzionamento bioclimatico dell'intero edificio. Più specificatamente, questo movimento à ̈ permesso grazie ad kit di motorizzazione nascosto all'interno del profilo superiore e costituito da un motoriduttore collegato ad una cinghia ancorata all'ultimo pannello - rispetto al profilo di battuta - e da una puleggia di rinvio.
- 5. Sistema che, secondo il punto 1 delle rivendicazioni, utilizza la tecnologia fotovoltaica delle celle solari a colorante organico (DSSC: dye-sensitized solar cells) che, data la loro elevata efficienza indipendentemente dall'angolo d'incidenza delle radiazioni luminose, bene si prestano alla verticalità delle facciate degli edifici, tutto a vantaggio di una perfetta integrazione architettonica.
- 6. Sistema che, secondo il punto 5 delle rivendicazioni, grazie alla straordinaria capacità delle celle solari a colorante organico (DSSC) di convertire in energia elettrica le radiazioni luminose diffuse prodotte anche da fonti artificiali, può continuare funzionare anche di notte attraverso la luce proveniente dall'interno degli edifici.
- 7. Sistema che, secondo il punto 1 delle rivendicazioni, sfrutta l'opacità del pattern di strato di colorante organico fotosensibile tra le due lastre di vetro che costituiscono il singolo modulo per schermare i raggi solari e nello stesso tempo captare le radiazioni luminose per trarne benefici in termini energetici.
- 8. Sistema che, secondo il punto 1 delle rivendicazioni, grazie ai profilati superiori ed inferiori può essere impiegato per l'efficientamento ed il restyling degli edifici preesistenti e di nuova costruzione che godono di una facciata esposta favorevolmente rispetto all'irraggiamento solare. Più specificatamente i profili possono essere ancorati alle travature di bordo di balconi, terrazzi o porzioni di facciata in cui sono presenti grandi superfici vetrate da schermare. Successivamente si inseriranno nelle guide i moduli schermanti-captanti.
- 9. Sistema che, secondo il punto 5 delle rivendicazioni, grazie all'impiego della tecnologia delle celle solari a colorante organico che utilizza processi di stampa su schermo (screen printing) per la distribuzione dello strato captante tra le due lastre, si possono ottenere infinite combinazioni di opacità dello strato fotosensibile, pattern e colorazioni. Quindi, una volta stabilita la percentuale di superficie captante-schermante rispetto a quella completamente trasparente, cercando di ottimizzare le prestazioni dei moduli ad hoc rispetto al luogo in cui verranno installati, sarà possibile disegnare intere facciate degli edifici, anche preesistenti, con fantasia ed efficacia.
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