L’integrazione dei concentratori solari luminescenti nelle facciate degli edifici rappresenta una svolta tecnologica decisiva per poter convertire le architetture urbane in fonti pulite di energia.
Nelle metropoli moderne, le superfici verticali in vetro superano di gran lunga lo spazio limitato dei tetti, impedendo alle tradizionali infrastrutture energetiche di coprire il fabbisogno degli immobili. I concentratori solari luminescenti, detti anche LSC dal loro acronimo inglese, vanno oltre i limiti dei pannelli tradizionali, integrando nel vetro nanostrutture e fluorofori capaci di assorbire esclusivamente le radiazioni invisibili.
L’adozione dell’LSC fotovoltaico consente la realizzazione di finestre solari trasparenti, sfruttando il vetro fotovoltaico luminescente per trasformare i grattacieli in centrali elettriche invisibili e abbattere, al contempo, i consumi per la climatizzazione estiva.
L’architettura verticale e i limiti del fotovoltaico sui tetti
Nelle città ad alta densità abitativa, elettrificazione e decarbonizzazione del parco immobiliare si scontrano con un collo di bottiglia strutturale: la carenza di spazio orizzontale. Nelle torri e nei grattacieli moderni, il rapporto tra superficie verticale vetrata e area utile del tetto può raggiungere valori superiori a 20:1. In favore delle facciate. I soli pannelli fotovoltaici installati sulle coperture riescono a coprire una frazione minima, spesso inferiore al 5%, del consumo elettrico complessivo dell’edificio.
I passati tentativi di integrazione fotovoltaica architettonica, basati su materiali come il silicio semitrasparente, sono falliti per limiti estetici e funzionali. Tali moduli creavano un sgradevole effetto lente scura. In sostanza, riducevano drasticamente l’ingresso della luce naturale, ostruendo in maniera fastidiosa la vista verso l’esterno.
La svolta dei concentratori solari luminescenti risiede nella capacità di scindere l’efficienza di conversione energetica dalla trasparenza ottica. In questa maniera, è possibile consentire alle facciate continue di generare elettricità senza alterare l’aspetto visivo delle vetrate. L’approfondimento della Commissione Europea in materia di Building Integrated Photovoltaics analizza le prospettive e la possibile integrazione del fotovoltaico negli edifici.
Come funzionano i concentratori solari luminescenti
La tecnologia LSC si basa su una lastra di vetro, o polimero plastico trasparente, al cui interno si disperdono molecole cromofore organiche, o nanostrutture come i cosiddetti quantum dots, in italiano punti quantici, ovvero piccolissimi nanocristalli di materiali semiconduttori con dimensioni inferiori a 10 nanometri.
Quando la luce solare incide sulla vetrata, dunque in ogni ora di esposizione, questi fluorofori assorbono i fotoni ad alta energia, emessi dall’astro e appartenenti allo spettro invisibile, prima di riemetterli, ma a una frequenza differente. La luce così riemessa viene intrappolata all’interno della lastra, grazie a un processo di riflessione interna totale. Si tratta dello stesso principio fisico che governa la propagazione della luce nelle fibre ottiche.
Al termine di questo step, la luce è convogliata verso i bordi del telaio. Lungo il perimetro della finestra, sottili strisce di celle solari, ad alta efficienza, raccolgono la radiazione concentrata e la convertono in energia elettrica. La fisica di questi dispositivi è analizzata e descritta, in termini scientifici, nei contributi di Nature Energy e ACS Nano.
La distinzione tra spettro visibile e radiazioni invisibili per la trasparenza ottica
La trasparenza delle vetrate LSC deriva dalla selezione molecolare delle lunghezze d’onda captate. L’occhio umano percepisce unicamente la banda dello spettro visibile, compresa, approssimativamente, tra 380 e 750 nanometri. I fluorofori di nuova concezione sono ingegnerizzati per interagire esclusivamente con le radiazioni non percettibili: gli ultravioletti (UV, con lunghezze d’onda inferiori a 380 nm) e l’infrarosso vicino (IR, superiori a 750 nm).
Selezionando solo queste frequenze, il vetro mantiene un indice di trasmissione della luce visibile superiore al 70%, percentuale del tutto comparabile a quello dei normali vetri per l’edilizia ad alte prestazioni, che non soffrono di opacizzazione.
L’impiego dei quantum dots per aumentare la resa
L’evoluzione dei concentratori solari luminescenti ha superato i limiti dei vecchi pigmenti organici. La svolta è stata l’impiego di punti quantici chimici con struttura core-shell, come nanocristalli a base di perovskiti o seleniuro di cadmio. Il nucleo a guscio, traduzione letterale dell’inglese core-shell, è una nano o micro-struttura composta da un nucleo interno protetto da guscio in altro materiale.
Nei sistemi tradizionali, i fotoni emessi dai pigmenti venivano, in larga parte, riassorbiti dalle molecole adiacenti lungo il percorso verso il bordo. I punti quantici eliminano questo problema. Essi garantiscono infatti un elevato shift di Stokes, ossia separano – nettamente – la lunghezza d’onda di assorbimento da quella di emissione. Questa proprietà consente di raggiungere un’efficienza quantica interna del trasferimento fotonico superiore all’80%, permettendo alla luce di viaggiare per metri all’interno della lastra, senza dispersioni.
La schermatura del calore estivo e il taglio dei consumi per la climatizzazione
Oltre alla produzione diretta di energia elettrica, i concentratori solari luminescenti offrono un beneficio primario in termini di efficientamento energetico passivo. Assorbendo la radiazione infrarossa, che è la principale responsabile dell’irraggiamento termico negli ambienti interni, la finestra funge da filtro protettivo preposto a peservare la temperatura interna, e a farlo mentre converte il calore in energia.
Trattenendo e convertendo la componente infrarossa lungo i bordi del telaio, il sistema contiene sensibilmente l’ingresso di calore all’interno dell’edificio, durante la stagione estiva, quella primaverile e autunnale. Ciò si traduce in una riduzione del carico termico interno fino al 30%, la quale abbatte in modo significativo i consumi elettrici legati ai sistemi di condizionamento d’aria e raffrescamento.
Scenari di applicazione urbana
L’adozione su larga scala del LSC fotovoltaico si allinea con le direttive comunitarie sul rendimento energetico nell’edilizia. In particolare, la norma della Comissione Europea che definisce lo standard per gli edifici a emissioni zero, ribattezzata Energy Performance of Buildings Directive, stimola e suggerisce l’impiego di questa tecnologia.
Le prospettive applicative valicano l’ambito civile, estendendosi all’automotive, dal momento che rendono possibile la ricarica passiva di veicoli elettrici tramite applicazioni sui finestrini, e all’elettronica di consumo. In questo settore, la tecnologia LSC apre la strada alla realizzazione di display auto-alimentati.
La trasformazione dei grattacieli in micro-centrali elettriche verticali
L’integrazione di superfici LSC su facciate verticali continue trasforma gli immobili lanciati verso l’alto in veri e propri poli di produzione energetica decentralizzati.
Un grattacielo commerciale moderno, con superficie vetrata compresa tra 15.000 e 30.000 metri quadri, è in grado di generare centinaia di megawattora all’anno. Questo apporto permette di coprire tra il 35% e il 45% del fabbisogno elettrico totale dell’edificio. Ciò riduce i picchi di carico sulla rete elettrica metropolitana e fornisce energia a chilometro zero nei luoghi di effettivo consumo.
Eliminando la necessità di elettrodotti dedicati alla veicolazione di energia rinnovabile prodotta in altri luoghi, si riducono le esigenze infrastrutturali connesse alle forniture energetiche.
La scalabilità dei materiali ecologici e i costi di produzione industriale per i concentratori solari luminescenti
La sostenibilità economica della tecnologia LSC è legata all’evoluzione della sintesi dei materiali. L’impiego di fluorofori a base di carbonio organico, o altri derivati del silicio, sta progressivamente sostituendo l’uso di elementi rari o metalli tossici. Ciò riduce sensibilmente i costi delle materie prime.
In aggiunta a ciò, il processo di fabbricazione dei concentratori si integra direttamente nelle linee industriali già esistenti. È affiancabile alla produzione di vetro stratificato destinato all’edilizia e non necessita di macchinari complessi dedicati: l’extra-costo iniziale dell’installazione si riduce sensibilmente, garantendo un tempo di rientro dall’investimento stimato accettabile, tra 6 e 8 anni di funzionamento operativo.
