Fotovoltaico e muro di Trombe, assieme, per produrre energia elettrica e calore

Un gruppo di ricerca iracheno della Al-Kitab University e della Northern Technical University ha deciso di combinare due tecnologie particolarmente interessanti, il muro Trombe e i pannelli fotovoltaici, per ottenere una struttura edilizia passiva, in grado di produrre energia elettrica, calore e acqua calda in modo particolarmente efficiente.

Il Muro Trombe (TW, Trombe Wall), il cui nome completo è muro di Trombe-Michel, è un particolare tipo di muro solare ideato e brevettato quasi due secoli fa, nel 1881, da Edward Morse.

Nonostante l'ideatore fosse lui, l'invenzione prese il nome dall'ingegnere Félix Trombe e dall'architetto Jacques Michel – entrambi francesi – che lo ottimizzarono e resero famoso nel 1964, quando realizzarono alcune applicazioni sperimentali nella cittadina di Odeillo.

(Per approfondimenti: "The Trombe Wall during the 1970s: technological device or architectural space?")

Il TW – posizionato nella zona sud dell'edificio - consiste in una lastra di vetro (inizialmente un vetro semplice, ora invece si prediligono materiali in grado di intrappolare maggiormente il calore), che ne costituisce la parte più esterna.

Seguono un dispositivo di oscuramento (come una pittura nera) e un muro passivo realizzato in materiali ad alta inerzia termica, in modo da captare la maggior quantità possibile di radiazione solare. 

Sia il vetro che il muro di accumulo sono dotati di aperture che permettono diversi tipi di configurazione dipendenti dalla stagione, ovvero: nelle ore diurne del periodo invernale le bocchette (che si trovano nella parte superiore ed inferiore del muro) vengono aperte in modo da mettere in circolazione l'aria calda, tramite moti connettivi.

Quest'ultima tende a spostarsi verso l'alto e ad introdursi all'interno dell'edificio tramite l'apertura superiore; al contrario, l'aria fredda (che si trova dentro l'abitazione) esce dalla bocchetta inferiore e, intrappolandosi nell'intercapedine muro/vetro, viene scaldata e ri-spinta all'interno della casa, tramite la bocchetta superiore.

Durante la notte, per evitare che la circolazione dell'aria comporti il raffreddamento dell'edificio, le bocchette vengono chiuse.

A questa tecnologia, i ricercatori iracheni hanno unito un impianto fotovoltaico (PV/TW), descrivendolo come "un sistema in grado di fornire acqua calda, aria calda ed elettricità, dove il TW viene utilizzato anche per raffreddare il modulo fotovoltaico".

Il fatto che spesso i TW siano realizzati sfruttando superfici riflettenti ha comportato un aumento complessivo dell'efficienza dell'intero sistema, spingendo i ricercatori a portare quest'ultima al massimo, indagando sull'angolo migliore con cui inclinare gli specchi.

"L'influenza degli specchi è stata studiata con l'introduzione di un ventilatore DC e di uno scambiatore di calore, con uno studio dell'influenza delle diverse condizioni meteorologiche per i due sistemi per verificare le funzioni del muro fotovoltaico di Trombe", ha spiegato il team all'interno dello studio "Optimum angle of reflective mirrors integrated on PV/Trombe wall: An experimental assessment", pubblicato su Energy Reports.

L'esperimento è stato svolto in un ambiente costituito da due camere (con le seguenti misure: lunghezza di 1,25 m, altezza di 2 m e larghezza di 1,25 m) dotate di pannelli solari e specchi riflettenti: una aveva anche uno scambiatore di calore posto dietro i moduli fotovoltaici, mentre l'altra ne era priva.

Gli specchi sono stati posizionati sui lati destro e sinistro della parete sud dell'impianto e fissati a terra mediante una base in ferro.

I ricercatori hanno quindi testato tre diversi angoli di inclinazione per gli specchi, rispettivamente di 30, 45 e 60 gradi, registrando l'efficienza del sistema tramite sensori di temperatura e un sistema Arduino.

Due ventole DC sono state installate sopra e due sotto ciascuna camera ed è stata utilizzata una pompa dell'acqua per far circolare l'acqua all'interno dello scambiatore di calore.

"Le prestazioni elettriche e termiche del sistema (FV/TW) sono state valutate in questo studio determinando il tasso di assorbimento di calore dell'aria del condotto e il tasso di assorbimento di calore dello scambiatore di calore e calcolando la potenza elettrica che può produrre dal pannello fotovoltaico." hanno spiegato. "Il valore di temperatura, corrente e tensione di ciascuno dei pannelli fotovoltaici e la temperatura di entrata e uscita dell'acqua, dei ventilatori e della stanza interna vengono registrati ogni ora."

Attraverso la loro analisi, gli accademici hanno scoperto che il miglior angolo di inclinazione per lo specchio riflettente, quando si utilizza lo scambiatore di calore, è di 30 gradi, affermando che questa configurazione consente la massima efficienza elettrica giornaliera, pari a 13,86%.

Inoltre, dal momento che i pannelli fotovoltaici rendono di più quando la loro superficie è fredda, l'acqua che gira nel sistema può essere utilizzata (assieme alle ventole) anche per raffreddarli:

"L'uso dell'acqua che passa attraverso lo scambiatore di calore dietro il pannello fotovoltaico ne aumenta le prestazioni complessive, abbassandone la temperatura".

In una nota conclusiva dello studio, il team ha dato un prezioso suggerimento per il futuro dei sistemi PC/TW:

"Per raccomandazioni future, si suggerisce di studiare l'influenza dei materiali a cambiamento di fase (PCM) per il sistema PV/Trombe con la presenza di specchi e l'uso di un doppio condotto dell'aria".