Brevetti | Sistema per fotovoltaico integrato

Approccio «multi-criteria» per facciate ad alte prestazioni

Un componente architettonico di nuova generazione, che consente di creare facciate continue ad alta prestazione utilizzando i più avanzati metodi «multi-criteria». Questo metodo di applicazione di moduli fotovoltaici integrati all’interno di un edificio trova applicazione nel settore Bipv (Building Integrated Photo Voltaic) e va nella direzione tracciata a livello comunitario dalla Energy Performance of Buildings Directive.

Dal progetto di ricerca Tifain (Tessere integrate di vetro fotovoltaico per applicazioni architettoniche innovative), finanziato dalla Regione Lombardia tramite il Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (Fesr) e dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca, e condotto dal Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito del Politecnico di Milano con alcuni partner, nasce un brevetto per un componente architettonico di nuova generazione, che consente di creare facciate continue ad alta prestazione utilizzando i più avanzati metodi «multi-criteria».

Il modulo base del sistema è una piastrella in vetro trasparente di dimensioni medio grandi dalla forma complessa che può essere prodotta per stampaggio: una tecnica relativamente economica e a basso impatto ambientale, se comparata ai processi tipici della produzione del vetro float per l’edilizia. Ha un’area centrale, che può essere trasparente oppure opaca, in grado di assumere differenti trattamenti e colorazioni e ospitare le celle fotovoltaiche.

Il modulo base del sistema è una piastrella in vetro trasparente di dimensioni medio grandi dalla forma complessa che può essere prodotta per stampaggio.

Sviluppato dai due ricercatori Nebojsa Jakica e Alessandra Zanelli a seguito di un lavoro biennale (dal 2013 al 2015) e articolato in tre fasi successive, questo metodo di applicazione di moduli fotovoltaici integrati all’interno di un edificio, che trova applicazione nel settore Bipv (Building Integrated Photo Voltaic), va nella direzione tracciata a livello comunitario dalla  Energy Performance of Buildings Directive, secondo cui i nuovi edifici costruiti a partire dal 2020 dovranno essere a energia quasi zero (nZeb), e lo fa sia tramite proprietà di tipo passivo (illuminazione, visibilità) che di tipo attivo (generazione di potenza elettrica attraverso le celle integrate).
TIFAIN
Il modulo base del sistema è una piastrella in vetro trasparente di dimensioni medio grandi dalla forma complessa che può essere prodotta per stampaggio: una tecnica relativamente economica e a basso impatto ambientale, se comparata ai processi tipici della produzione del vetro float per l’edilizia. Ha un’area centrale, che può essere trasparente oppure opaca, in grado di assumere differenti trattamenti e colorazioni e ospitare le celle fotovoltaiche.

Uno dei vantaggi principali è quello di poter creare una varietà di configurazioni entro lo stesso set tipologico, grazie alla combinazione di differenti tecnologie per gli elementi dell’intero edificio, in relazione a uno specifico contesto urbano, ambientale e climatico.
L’invenzione si basa su un concetto di facciata ibrida in grado di raggiungere alti livelli di efficienza energetica e comfort di utilizzo. Combinare questi due elementi significa trovare un equilibrio ottimale fra molteplici criteri anziché considerarli separatamente, e quindi massimizzare le prestazioni di ciascuno. TIFAIN2
Tale approccio richiede una specifica metodologia per superare problemi di incoerenza: durante un’analisi preliminare compiuta dal team di ricerca nell’ambito del progetto Tifain, è stata analizzata l’offerta del mercato attuale, che non riflette in modo adeguato le esigenze del cliente, specialmente per quanto riguarda il punto di vista degli architetti rispetto all’estetica e all’integrazione del fotovoltaico. In questa lacuna è stata individuata l’opportunità di proporre un’invenzione radicalmente nuova, in grado di rispondere a bisogni futuri in materia di sostenibilità e ridefinire il mercato esistente.

Il metodo viene utilizzato per sviluppare una tipologia di moduli di facciata che possono essere successivamente utilizzati nel processo progettuale dell’utente finale per creare soluzioni su misura. Il campo di applicazione ideale è quello di edifici con facciate in curtain-wall, dunque prevalentemente terziario, ma il brevetto si rivolge anche a interventi di riqualificazione su organismi edilizi preesitenti, anche a destinazione residenziale, laddove sia consigliabile adottare soluzioni a doppia pelle, con un trattamento differenziato a seconda delle esigenze di illuminazione naturale, trasparenza e produzione di energia elettrica.

La facciata Bipv in oggetto è concepita come una serie di moduli dalla forma incurvata, trasparenti e di dimensioni medie o grandi, che, sia nella versione 10×10 cm virata al rosso sviluppata nella prima fase con due gruppi di fisici dell’Università Statale di Milano-Bicocca e dell’Istituto Italiano di Tecnologia, sia nel mockup con cella da 20×30 realizzato per le prove ottiche nella seconda, sono in vetro, ma possono essere realizzati anche in materiale plastico, con un’area centrale piana, in grado di essere trasparente oppure opaca, a seconda dell’integrazione delle diverse tecnologie fotovoltaiche e dei colori.
Nel caso di un’area centrale trasparente, il modulo funziona soltanto come un dispositivo per ridirezionare la luce diurna, mentre con il fotovoltaico diventa anche attivo, producendo energia. Questa parte centrale può essere ruotata secondo numerose angolazioni predefinite che caratterizzano specifiche proprietà di ciascun modulo in materia di controllo solare.
A queste alternative corrispondono varianti estetiche anche a livello di colori, grado di trasparenza e curvatura delle superfici.
I due gruppi di fisici dell’Università Statale di Milano-Bicocca e dell’Istituto Italiano di Tecnologia sono stati consultati con l’obiettivo di raggiungere la trasparenza della cella fotovoltaica.

Tifain

Fra i partner industriali, Industria e Innovazione è stato quello che si è occupato del coordinamento e, tramite una propria consociata, dello stampaggio dei supporti vetrosi, mentre Energy Glass si è occupato dell’integrazione architettonica e ha realizzato il mockup progettato dal gruppo del Politecnico di Milano. Flame Spray si è occupata invece dell’applicazione del secondo layer, applicato a spray direttamente sulla piastrella (il primo strato è stato fatto in laboratorio).
Il passo successivo per arrivare alla messa in produzione dovrà essere quello di aumentare il rendimento delle celle fotovoltaiche, e per questo il gruppo di lavoro si sta muovendo in due direzioni, alla ricerca sia di un altro bando finanziato che di possibili nuovi partner industriali interessati a investire in un impianto pilota, cui verrebbe garantito in esclusiva l’accesso ai dettagli del brevetto prima della scadenza dei 18 mesi della fase di protezione.

IL BREVETTO
Cronologia progetto di ricerca Tifain: 2013-2015
Data di approvazione: 15 ottobre 2015
Data di pubblicazione: 22 ottobre 2015
Titolare: Politecnico di Milano
Dipartimento: Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito
Autori: Nebojsa Jakica, Alessandra Zanelli
Partner: Industria e Innovazione, Energyglass, Flame Spray, Università degli Studi di Milano-Bicocca, Istituto Italiano di Tecnologia
Stadio di sviluppo: prototipo
Prospettive attuali: ricerca di un partner industriale interessato a investire in un impianto pilota con l’obiettivo della messa in produzione

LE CARATTERISTICHE
– Progettazione performativa «multi-criteria»
– Combinazione di proprietà passive (illuminazione, visibilità) e attive (generazione di potenza elettrica)
– Varietà di configurazioni entro lo stesso set tipologico
– Applicazioni ideali in edifici con facciate in vetro e come «seconda pelle» in riqualificazioni dell’esistente
– Possibilità di realizzare il modulo base in varie forme e dimensioni
– Realizzabile sia in vetro che in materiale sintetico
– Sistema di supporto leggero a cavi

Alessandra ZanelliI RICERCATORI | ALESSANDRA ZANELLI è professore associato confermato di Tecnologia dell’architettura presso il Dipartimento Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito del Politecnico di Milano, e ha sviluppato la propria attività scientifica attorno al ruolo dell’innovazione tecnica nel progetto di architettura, approfondendo i seguenti fulcri tematici: i sistemi costruttivi portatili e adattabili, i metodi e le tecnologie per la reversibilità della costruzione, le tecniche di assemblaggio a secco e la loro applicabilità al settore residenziale, i processi produttivi dei materiali avanzati, con particolare riferimento ai tessili tecnici. Ha partecipato a ricerche di base e applicate, su scala nazionale e internazionale inerenti l’applicabilità di materiali iper-leggeri e tessili tecnici innovativi nel campo dell’architettura, dell’edilizia e del design.


SONY DSCI RICERCATORI | NEBOJSA JAKICA
ha ottenuto un master in architettura presso l’Università di Novi Sad e un master specialistico di secondo livello presso il Politecnico di Milano, dove ha portato a termine nel 2015 il suo dottorato di ricerca occupandosi della progettazione architettonica, simulazione e ottimizzazione dei sistemi fotovoltaici integrati per gli edifici. Dal 2011 al 2013 ha collaborato con Vittorio grassi Architect and Partners, occupandosi tra le altre cose di modellazione 3D, processi di sincronizzazione della progettazione digitale con gli strutturisti, visualizzazione, Bim per proposte di concorso e sviluppo di progetti. Attualmente fornisce consulenze in materia di sostenibilità ed edifici passivi, e di progettazione di facciate ad alte prestazioni attraverso l’impiego di soluzioni attive e passive.

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