La finestra fotovoltaica termica raggiunge il 3,6% di efficienza elettrica e fornisce acqua calda a 50°C

Un team di ricercatori tedeschi e britannici ha sviluppato un nuovo finestra ibrida fotovoltaica-termica integrata nell'edificio (PVTW) che genera sia elettricità che acqua calda sanitaria (ACS).

"L'installazione di normali pannelli solari e collettori nell'ambiente edificato richiede l'uso di uno spazio significativo sul tetto, che è limitato. Ciò ha ispirato lo sviluppo di tecnologie efficienti e integrate nell'edificio che possono massimizzare l'uso dello spazio e l'approvvigionamento energetico". "In questo lavoro, abbiamo fabbricato e testato un PVTW ibrido integrato nell'edificio, che consiste in uno strato PV traslucido e un assorbitore di calore a base di liquido ad assorbimento selettivo".

Il componente principale del PVTW è uno strato di vetro con una serie di microstrisce di silicio amorfo (a-si) distanziate. Solo una parte della luce solare viene assorbita dallo strato PV per la generazione di energia, mentre il resto viene trasmesso a uno strato d'acqua spesso 4 mm sottostante. Due tubi di ottone fungono da ingresso e uscita dell'acqua e due telai in policarbonato vengono utilizzati per racchiudere uno strato di vetro standard a basso contenuto di ferro.

I test sono stati effettuati su un tetto a Londra dal 16 al 23 luglio 2021, quando la temperatura ambiente massima misurata era di 34 gradi Celsius e l'irradiazione solare a mezzogiorno era di circa 1100 W m - 2. Il dispositivo è stato testato a inclinazioni di 30°, 60° e 90° e le sue prestazioni sono state confrontate con quelle di un modulo di riferimento per un Finestra solare termica (STW) senza un componente PV. Quest'ultimo è identico al PVTW, tranne per il fatto che lo strato PV è sostituito da uno strato di vetro per formare due strati.

I risultati del test mostrano che il sistema PVTW ha un'efficienza elettrica del 3,6% e un'efficienza termica del 17,6%.

“A un angolo di inclinazione di 30°, il PVTW ha un'efficienza elettrica del 3,6% e un'efficienza termica del 10,7%. La capacità di produrre acqua calda a circa 50°C lo rende adatto per applicazioni domestiche, mentre la sua generazione di energia supporta il fabbisogno energetico dell'edificio", ha osservato il team. "Regolando l'inclinazione del PVTW da 30° a 90°, si possono osservare cambiamenti nella temperatura di uscita e nell'efficienza termica, dimostrando l'importanza dell'orientamento sulle prestazioni del sistema".

Hanno aggiunto: "A un'inclinazione di 90°, il sistema ha un'efficienza elettrica del 3,3% e un'efficienza termica del 17,6%, con una temperatura massima dell'effluente di circa 42 gradi Celsius. Il sistema non solo fornisce acqua calda a temperature più elevate rispetto a un impianto di trattamento delle acque reflue autonomo, ma è sicuramente più efficiente termicamente del 10% e genera anche elettricità".

Gli accademici hanno affermato: "Per comprendere il potenziale impatto del PVTW nel soddisfare le esigenze di energia termica di un edificio, possiamo stimare la superficie di PVTW necessaria per soddisfare le esigenze di acqua calda di una tipica casa bifamiliare con tre camere da letto a Londra, Regno Unito, occupata da due adulti e due bambini". "Utilizzando un bilancio energetico, un'intera superficie PVTW di non più di 1,2 metri quadrati con un'inclinazione di 30° sarebbe necessaria per soddisfare immediatamente questa domanda. Supponendo un sistema più grande con un serbatoio di accumulo dell'acqua calda, stimiamo che alla stessa inclinazione, sarebbero necessari circa 2,8 m2 di superficie PVTW per soddisfare l'intera domanda giornaliera senza la necessità di una caldaia di riserva".

Il sistema è pubblicato in "Building-integrated hybrid photographic-thermal (PV-T) windows for synergistic light management, electricity and heat generation" sulla rivista Advanced Science. I ricercatori dell'Imperial College di Londra, Regno Unito, e del Karlsruhe Institute of Technology, Germania, hanno condotto lo studio.