Titolo dell’incarico: Attività di analisi energetica del patrimonio storico urbano e dei consumi energetici connessi ai flussi turistici
Contrattista: Ph.D. Ing. Michelangelo Scorpio
Tutor: Prof. Ing. Sergio Sibilio
Prof. Ing. Antonio Rosato
1. Il sistema serra
Obiettivo principale della serra è filtrare ed utilizzare la radiazione solare attraverso il comportamento selettivo di materiali trasparenti. Essa non è solamente una protezione dal clima e dalle avversità climatiche, ma è un vero e proprio collettore solare capace di ottimizzare gli apporti di luce e calore. Tale capacità di utilizzare l’energia solare dipende dalle caratteristiche del luogo in cui viene realizzata la struttura, dalle caratteristiche climatiche e microclimatiche della zona; caratteristiche che influenzano fortemente anche le specie coltivabili.
Per comprendere il funzionamento della serra è necessario individuare i flussi energetici che influenzano il bilancio di energia sul “sistema serra” ed in particolare definire le caratteristiche ed il comportamento dei materiali opachi e trasparenti utilizzati rispetto alla radiazione solare ed alla radiazione termica nel campo dell’infrarosso.
L’atmosfera terrestre altera lo spettro delle radiazioni elettromagnetiche emesse dal Sole, ed ognuno dei vari strati di cui è composta è responsabile dell’assorbimento di radiazioni di una specifica lunghezza d’onda: vengono assorbite quasi tutte le radiazioni con lunghezza d’onda inferiori a 300 nm, quelle con lunghezza d’onda comprese tra 900 nm e qualche millimetro e, infine, quelle di lunghezza superiore ad una cinquantina di metri.
Di contro, le radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 300 nm e 900 nm e maggiore di circa cinquanta metri, dette, rispettivamente, finestra ottica e finestra radioastronomica, rimangono pressoché inalterate.La radiazione solare che giunge fino al suolo della Terra è generalmente divisa in due componenti: luce diretta (la porzione di radiazione che emessa dal sole raggiunge direttamente la terra senza subire alcuna deviazione) e luce diffusa (la porzione di radiazione che emessa dal sole prima di raggiungere il suolo ha colpito almeno una particella dei gas atmosferici cambiando direzione). Per la radiazione solare si assume la distribuzione spettrale riportata nella Figura 1.
Figura 1 – Spettro della radiazione solare.
Le piante, attraverso il processo biochimico della fotosintesi, convertono l’anidride carbonica (CO2) e l’acqua (H2O) in materiale vegetale, sfruttando l’energia luminosa che proviene dal Sole. In questo modo, l’energia si conserva sotto forma di sostanza organica. Ma in realtà, solo una parte della radiazione che colpisce la pianta viene sfruttata dalla clorofilla contenuta nelle sue foglie ed utilizzata per tale processo. Tale frazione della luce è definita radiazione fotosinteticamente attiva (Photosynthetically Active Radiation o PAR) e comprende le radiazioni luminose con lunghezza d’onda comprese tra i 400 e i 700 nm (con punte massime a 430 e 680 nm, corrispondenti alle bande del blu e del rosso) ed è considerata pari al 50% della radiazione solare totale incidente al suolo; la PAR viene generalmente misurata in mmoli/m2·s oppure in W/m2. Esistono due tipi di clorofilla, chiamati clorofilla a e clorofilla b che differiscono significativamente per composizione chimica e per luce assorbita [1]. A titolo di esempio, nella Figura 2 viene riportato lo spettro di assorbimento per le due tipologie di clorofilla, la clorofilla a e la clorofilla b.
Figura 2 – Spettro di assorbimento della clorofilla a e clorofilla b.
Alcuni materiali, come il vetro, presentano coefficiente di trasmissione elevato nei confronti della radiazione visibile, ma nello stesso tempo molto basso nei confronti della radiazione infrarossa. Un involucro costituito da un materiale con simili caratteristiche, dunque, permette alla radiazione visibile (proveniente dal Sole) di entrare al suo interno ma non permette alla radiazione infrarossa (emessa dalle piante e dal terreno) di uscire, con conseguente aumento della temperatura interna.
Per le attività svolte nella serra vi sono, quindi, sostanzialmente due componenti rilevanti, che sono alla base del cosiddetto “effetto serra”:
- la PAR, che rende possibile la fotosintesi;
- la radiazione infrarossa, che influisce sulla temperatura interna della serra.
L’“effetto serra” dipende dal bilancio di energia tra l’energia entrante per irraggiamento nelle lunghezze d’onda compreso tra 350 e 2,500 nm e l’energia uscente per irraggiamento nelle lunghezze d’onda tra 2500 e 35,000 nm (radiazioni infrarosse a cui è associato un’elevata quantità di energia termica). Pertanto, l’effetto serra risulta tanto più elevato quanto maggiore è la trasparenza del materiale di copertura alle radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 350 e 2,500 nm e quanto minore risulta a quelle con lunghezza d’onda compresa tra 2,500 e 35,000 nm.
A tale proposito, la Figura 3 mostra l’andamento del coefficiente di trasmissione monocromatico di una lastra di vetro con spessore 1 mm in funzione della lunghezza d’onda.
Figura 3 – Coefficiente di trasmissione monocromatico di una lastra di vetro ottico di 1 mm di spessore.
Osservando i valori riportati in figura, si può notare come la superficie vetrata consenta una forte penetrazione della radiazione solare con lunghezze d’onda comprese tra circa 0.5 mm e 3.5 mm, mentre diventi quasi opaca per lunghezze d’onda superiori a circa 3.5 mm. Questo differente comportamento di un materiale nei confronti delle radiazioni con lunghezze d’onda differenti, è alla base dell’effetto serra, una cui descrizione schematizzata è riportata in Figura 4.
Figura 4 – Schematizzazione dell’effetto serra: A) radiazione solare; B) radiazione riflessa; C) radiazione trasmessa; D) radiazione emessa dal terreno; E) radiazione riflessa nella serra; F) radiazione dispersa all’esterno.
1.1 I materiali di copertura di una serra
La scelta del materiale di copertura è quindi fondamentale per il corretto funzionamento del “sistema serra” e, oltre all’aspetto economico, deve considerare differenti fattori [2] quali:
- clima;
- località;
- trasmissione del calore;
- trasparenza alle radiazioni PAR;
- peso e facilità di montaggio;
- durata e resistenza alle intemperie.
I materiali maggiormente utilizzati nella realizzazione delle serre sono:
- vetro;
- laminati flessibili o film plastici;
- polietilene (PE)
- cloruro di polivinile (PVC)
- etivinilacetato (EVA)
- laminati semirigidi od ondulati;
- poliestere (PRFV)
- cloruro di polivinile (PVC)
- polimetacrilato ondulato (PMMA)
- lastre rigide o alveolari;
- policarbonato (PC)
- polimetalacrilato (PMMA)
Nella Tabella 1 sono riassunti i vantaggi e gli svantaggi di ciascuna tipologia di materiale di copertura di una serra.
Tabella 1 – Vantaggi e svantaggi dei diversi materiali di copertura.
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Vantaggi
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Svantaggi
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Vetro
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· ottima trasmissione nel visibile
· ottima opacità all’infrarosso lungo
· prezzi contenuti
· basso coefficiente di dilatazione lineare
· buona durata
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· fragilità
· peso elevato
· scarsa resistenza alle intemperie
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Film plastici
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· prezzi contenuti
· ottima trasmissione nel visibile
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· elevata trasmissione del calore all’esterno
· durata limitata
· fenomeni di condensa
· bassa resistenza alla rottura
· caratteristiche ottiche non stabili nel tempo
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Lastre semirigide
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· facilità di montaggio
· resistenza alle intemperie
· leggerezza
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· caratteristiche ottiche non stabili nel tempo
· alto coefficiente di dilatazione lineare
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Lastre rigide
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· facilità di montaggio
· resistenza alle intemperie
· elevata rigidità
· bassa trasmissione del calore all’esterno
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· caratteristiche ottiche non stabili nel tempo
· formazione di alghe e muffe
· alto coefficiente di dilatazione lineare
· prezzo elevato
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1.2 Struttura e consumi di riferimento del sistema serra
In genere, la struttura di una serra comprende molteplici elementi che possono essere così schematizzati:
- le fondazioni, ovvero il sistema di vincolo al terreno;
- la struttura primaria, ovvero quella portante, con la funzione di sopportare carichi permanenti ed accidentali che gravano su di essa, costituita da colonne di sostegno, incavallature e piedritti;
- le strutture secondarie, ovvero quelle di fissaggio, costituite da tutto ciò che serve a sostenere e fissare il materiale di copertura, con porta vetro o reggiplastica e gli arcarecci.
I principali parametri dimensionali riguardanti le serre sono (Figura 5):
- la larghezza o luce della campata (La);
- la lunghezza della serra (Lu);
- il modulo strutturale (I);
- l’altezza di colmo (Hc);
l’altezza di gronda (Hg);
Figura 5 – Principali parametri dimensionali di una serra.
L’altezza della serra, oltre a dover consentire lo svolgimento di tutte le operazioni colturali, deve essere tale da permettere un’efficiente ventilazione e quindi condizioni ambientali più naturali. In genere, nel caso di serre in ferro e vetro si osservano altezze di 2,5-3 m sui lati e 4-5 m sulla linea di colmo, mentre altezze inferiori si rilevano nel caso di serre in legno e plastica.
Le caratteristiche peculiari che distinguono una serra da altri sistemi di semplice protezione sono da ricercare nell’uso di impianti di climatizzazione (principalmente riscaldamento e/o raffrescamento), e nell’accessibilità e praticabilità al suo interno da parte dell’uomo e delle macchine. Tali requisiti richiedono determinate dimensioni di altezza e larghezza, ovvero di volume per unità di superficie coperta; si può infatti parlare di serra a partire da volumi unitari di 1,8-2 m3 per m2 di superficie coperta.
La distribuzione delle varie tipologie di serre è strettamente condizionata dai fattori climatici: (1) nelle regioni del Nord e Centro Europa, dove gli inverni sono freddi e le estati miti, con una bassa radiazione solare, nella quale oltretutto la componente diffusa spesso prevale su quella diretta, sono presenti quasi esclusivamente serre del tipo Venlo in vetro, in cui la struttura portante è rappresentata da un portale costituito da colonne verticali ed una trave reticolare orizzontale, sul cui estradosso poggia la struttura portante secondaria del tetto, costituito da due o più ordini di falde simmetriche, (2) nelle regioni del bacino del Mediterraneo, caratterizzate da inverni miti ed estati molto calde con elevata radiazione solare, la tipologia costruttiva di serra più diffusa è caratterizzata da un tetto curvilineo, spesso a tunnel [3-7].
In particolare, possiamo distinguere tre tipologie di serra:
- Serre a tunnel, ovvero apprestamenti con arco più o meno ribassato la cui struttura portante risulta costituita da sostegni di vario tipo e con copertura in film plastico. Caratteristiche fondamentali di questa tipologia di serra sono la semplicità, il basso costo e la bassa tecnologia per la climatizzazione.
- Serre a tetto curvilineo, caratterizzate da un tetto a profilo curvilineo i cui elementi portanti, in tubo di acciaio zincato ad arco ribassato o di tipo gotico, si innestano su montanti verticali. Questa soluzione consente di realizzare serre a campate multiple. Il materiale di copertura è di tipo plastico, sotto forma di film o lastre. Le aperture per la ventilazione sono presenti nelle pareti e sul tetto.
- Serre con tetto a falde piane simmetriche ed asimmetriche. Le serre con tetto a due falde simmetriche vengono chiamate serre a padiglione. Queste presentano le pareti verticali ed il tetto a falde piane in cui la campata può essere singola o multipla, definendo la luce libera utile che coincide con quella del telaio portante, mentre la circolazione dell’aria è garantita da aperture collocate lungo i lati ed al colmo. In questa tipologia rientrano le serre Venlo, che di norma vengono realizzate con campate multiple.
La Tabella 2 riporta le tipologie di serre sopra elencate assieme alle principali caratteristiche.
La domanda di energia termica necessaria per il riscaldamento di una serre, varia al variare della temperatura desiderata al suo interno, del materiale di copertura e della temperatura esterna. Prendendo in considerazione le sei fasce climatiche in cui è stata suddivisa l’Italia, nella Tabella 3 sono riportate le potenze termiche medie richieste per m2 di superficie di serra al variare della fascia climatica [8].
Tabella 2 – Tipologie di serre e principali caratteristiche.
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Tipologia
di serre
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Serre a
tunnel
|
Serre a
tetto curvilineo
|
Serre
con tetto a falde piane simmetriche ed asimmetriche
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ad arco
(singola)
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con tetto
ad arco ribassato (singola e multipla)
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a padiglione
(singola e multipla)
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a mansarda
(singola)
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con tetto gotico
(singola e multipla)
|
tipo Venlo
(singola e multipla)
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Altezza
di colmo (m)
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Fino a
5.00
|
–
|
–
|
|
Altezza
di gronda (m)
|
–
|
Fino a
5.50
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Vetro
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Plastica
|
|
Fino a
6.50
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Fino a
5.00
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Cubatura
unitaria (m3/m2)
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Fino a
4.00
|
Fino a
6.50
|
Fino a
7.50
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Struttura
portante
|
Nella gran
parte dei casi viene utilizzato acciaio
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Materiale
di copertura
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Tetto
|
film
plastici
lastre di materiale plastico |
film
plastici
lastre di materiale plastico |
vetro
lastre/film plastici |
|
Pareti
laterali
|
costituite
dalla continuazione dell’arco fino a terra
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film
plastici
lastre di materiale plastico |
vetro
lastre/film plastici |
|
Testate
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film
plastici
lastre di materiale plastico |
film
plastici
lastre di materiale plastico |
vetro
lastre/film plastici |
Tabella 3 – Potenza termica media installata.
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Potenza termica media istallata per riscaldamento
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Fascia climatica
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A-B
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C
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D
|
E
|
F
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Potenza termica media (W/m2)
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30-50
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75-100
|
100-125
|
125-175
|
>175
|
Sulla base dei valori riportati nella Tabella 3 sono stati calcolati i consumi medi di riferimento per il riscaldamento per differenti materiali di copertura al variare della fascia climatica in cui è stata suddivisa l’Italia e della temperatura mantenuta all’interna della serra [8]. Per ciascuna fascia climatica, fissata la temperatura interna della serra ed il materiale di copertura, i consumi energetici sono stati calcolati sulla base della differenza tra il valore di temperatura all’interno della serra e quello medio giornaliero all’esterno e sull’apporto termico dovuto alla radiazione solare.
La Figura 6 riporta i valori calcolati dell’energia termica necessaria per il riscaldamento al variare della fascia climatica, della temperatura interna alla serra e del materiale di copertura.
Figura 6 – Consumi medi di riferimento per il riscaldamento di serre al variare del materiale di copertura e della fascia climatica per differenti temperature interna della serra [8] a) 20 °C; b) 16 °C; c) 12°C.
2. Criteri di progettazione di una serra fotovoltaica
Si identifica come “Serra Fotovoltaica” una serra nei cui elementi di chiusura (in genere, il tetto) sono integrati moduli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica. Al crescere della superficie destinata all’istallazione dei moduli, se da un lato si ha un aumento dell’energia elettrica producibile, dall’altro si ha una riduzione della quantità di radiazione solare disponibile per la corretta crescita delle colture sottostanti e quindi del reddito derivante della produzione agricola.
Lo scopo principale di una corretta progettazione di una serra fotovoltaica è quindi quello di realizzare una corretta integrazione tra la produzione di energia elettrica ed il reddito agricolo; in quest’ottica, è necessario prendere in considerazione i vincoli di carattere legislativo, tecnico e di buona pratica per la corretta crescita delle colture.
2.1 I limiti geometrico-architettonici e gli incentivi
Il D.M. 5 LUGLIO 2012 [9] (il c.d. Quinto Conto Energia) prevede degli incentivi economici per la produzione di energia elettrica mediante impianti solari fotovoltaici e stabilisce una serie di limitazioni di carattere geometrico ed architettonico alle quali i produttori devono attenersi per potervi accedere.
Al fine di ottenere il riconoscimento della tariffa prevista per gli impianti fotovoltaici, i cui moduli costituiscono elementi costruttivi di pergole, serre, tettoie, barriere acustiche e pensiline, è necessario allegare alla richiesta di concessione della tariffa incentivante un documento che comprovi la loro effettiva funzione.
Tali manufatti devono, inoltre, possedere le seguenti caratteristiche:
- essere conformi alle definizioni dettate dal D.M. 6 agosto 2010 [10] che, per il caso di una serra, all’art. 20, comma 5, riporta:
“Rientrano nelle tipologie […] le serre fotovoltaiche nelle quali i moduli fotovoltaici costituiscono gli elementi costruttivi della copertura o delle pareti di manufatti adibiti, per tutta la durata dell’erogazione della tariffa incentivante, a serre dedicate alle coltivazioni agricole o alla floricoltura. La struttura della serra, in metallo, legno o muratura, deve essere fissa, ancorata al terreno e con chiusura eventualmente stagionalmente rimovibile.”
- per pergole, serre, tettoie e pensiline, l’altezza minima dal suolo dei moduli deve essere non inferiore a 2 metri;
- il manufatto realizzato deve essere praticabile in tutta la sua estensione;
- le serre, a seguito dell’intervento, devono presentare un rapporto tra la proiezione al suolo della superficie totale dei moduli fotovoltaici installati sulla serra e la proiezione al suolo della superficie totale della copertura della serra stessa non superiore al 30%. Il predetto limite è incrementato al 50% limitatamente alle serre per le quali l’autorizzazione alla costruzione e all’esercizio sia stata rilasciata in data antecedente alla data di entrata in vigore del Decreto (11 luglio 2012).
Gli incentivi sono erogati dal Gestore dei Servizi Energetici [11] (GSE S.p.A.), azienda di proprietà del Ministero dell’Economia e delle Finanze, che ha il compito di promuovere la produzione di energia da fonti rinnovabili, di verificare e documentare gli impianti di produzione e svolgere attività di divulgazione sullo sviluppo sostenibile.
Il D.M. 5 maggio 2011 [12] (il c.d. Quarto Conto Energia) definisce il “costo indicativo cumulato annuo degli incentivi” come la sommatoria degli incentivi, gravanti sulle tariffe dell’energia elettrica, riconosciuti a tutti gli impianti alimentati da fonte fotovoltaica, di qualunque potenza e tipologia, fra i quali sono inclusi anche gli impianti realizzati nell’ambito dei precedenti Conti Energia.
Il Quinto Conto Energia disciplina le modalità d’incentivazione per la produzione di energia elettrica da fonte fotovoltaica da applicarsi successivamente al raggiungimento di un costo indicativo cumulato annuo degli incentivi (costantemente monitorato dal GSE attraverso il “Contatore fotovoltaico”, reso pubblicamente visibile attraverso il proprio sito internet) pari a 6 miliardi di euro, valore che rappresenta il limite ultimo di applicazione del Quarto Conto Energia.
Il 12 luglio 2012 il costo indicativo cumulato ha raggiunto il valore annuale di 6 miliardi di euro ed il 27 agosto 2012 è stato fissato quale data di decorrenza delle nuove modalità di incentivazione disciplinate dal Quinto Conto Energia, che resterà in vigore fino al raggiungimento del costo indicativo cumulato di 6.7 miliardi di euro.
Rispetto ai precedenti decreti è stato sostanzialmente modificato lo schema d’incentivazione, finora basato sul riconoscimento di una tariffa incentivante sull’energia prodotta dall’impianto. Con l’attuale Decreto la tariffa incentivante riconosciuta all’impianto dipende, salvo eventuali maggiorazioni, dalle seguenti variabili:
- la data di entrata in esercizio, in quanto il periodo di vigenza del Quinto Conto Energia è suddiviso in intervalli semestrali, caratterizzati da valori tariffari decrescenti. La tariffa spettante è quella vigente alla data di entrata in esercizio dell’impianto, è riconosciuta per un periodo di venti anni a decorrere dalla data di entrata in esercizio e rimane costante in moneta corrente per tutto il periodo dell’incentivazione.
- la tipologia di impianto fotovoltaico, poiché il Decreto classifica gli impianti fotovoltaici prevedendo la distinzione tariffaria tra due tipologie di intervento:
- gli impianti fotovoltaici “sugli edifici”;
- gli “altri impianti fotovoltaici”, ovvero tutti gli impianti fotovoltaici non ricadenti nella precedente tipologia, inclusi gli impianti a terra.
Gli impianti i cui moduli costituiscono elementi costruttivi di pergole, serre, barriere acustiche, tettoie e pensiline hanno diritto alla tariffa pari alla media aritmetica tra la tariffa spettante per impianti fotovoltaici “su edifici” e la tariffa spettante per “altri impianti fotovoltaici”.
- la potenza nominale. Infatti, con il Quinto Conto Energia, il GSE eroga:
- In riferimento alla quota di produzione netta immessa in rete
- per gli impianti di potenza nominale fino a 1 MW, una tariffa omnicomprensiva, determinata sulla base della potenza e della tipologia di impianto;
- per gli impianti di potenza nominale superiore a 1 MW, la differenza, se positiva, fra la tariffa omnicomprensiva e il prezzo zonale orario*; nei casi in cui il prezzo zonale orario fosse negativo, tale differenza, non può essere superiore alla tariffa omnicomprensiva applicabile all’impianto in funzione di potenza, tipologia e semestre di riferimento; l’energia prodotta dagli impianti di potenza nominale superiore a 1 MW resta nella disponibilità del produttore.
- In riferimento alla quota della produzione netta consumata in sito, una tariffa premio.
* Il Prezzo Zonale Orario (PO) è il prezzo di mercato dell’energia che viene definito tramite borsa elettrica e che varia in base all’area territoriale e alle fasce orarie di acquisto (F1-F2-F3).
L’incentivo spettante, nel caso di impianto con autoconsumo, sarà la somma della tariffa omnicomprensiva in riferimento alla quota di produzione netta immessa in rete e della tariffa premio in riferimento alla quota della produzione netta consumata.
Nella Tabella 4 sono riportate le tariffe incentivanti spettanti per impianti fotovoltaici realizzati su serre poste a confronto con le tariffe spettanti nel caso in cui l’impianto non rispetti i vincoli geometrico-architettonici previsti dal decreto, ossia quelle per gli “altri impianti fotovoltaici”. I valori mostrati sono riferiti ad impianti che entrano in esercizio nel sesto semestre di applicazione (febbraio-agosto 2015) del Quinto Conto Energia, tenendo conto della riduzione del 15% rispetto al semestre precedente, e, per quanto riguarda le tariffe relative agli impianti su serre, esse sono basate sulla media aritmetica tra la tariffa spettante per impianti fotovoltaici “su edifici” e la tariffa spettante per “altri impianti fotovoltaici”, come previsto dal Decreto.
Sebbene la differenza tra le tariffe spettanti nei due casi sia di modesta entità e possa, quindi, suggerire che sia più conveniente, sul piano economico, la realizzazione di un impianto fotovoltaico che massimizzi la potenza nominale, svincolandosi, quindi, dai limiti previsti dal GSE affinché sia riconosciuto come “serra fotovoltaica” (in particolare, il limite del 30% sul rapporto tra la proiezione al suolo della superficie totale dei moduli fotovoltaici installati sulla serra e la proiezione al suolo della superficie totale della copertura della serra stessa), bisogna, però, tener conto del fatto che l’obiettivo di una serra fotovoltaica è quello di far coesistere la produzione di energia elettrica con la produzione agricola, garantendo un adeguata quantità di radiazione solare per quest’ultima.
In questo senso, considerando che il costo di un impianto fotovoltaico è direttamente proporzionale alla sua potenza nominale e che i limiti previsti dal GSE rispecchiano i limiti che è necessario rispettare affinché sia garantita un’adeguata crescita delle colture sottostanti, risulta più conveniente realizzare un impianto fotovoltaico cui spetta un incentivo di poco superiore, piuttosto che massimizzare la potenza nominale compromettendo la produzione agricola (ed il reddito da essa derivante).
Tabella 4 – Tariffe incentivanti per impianti fotovoltaici su serre e per “altri impianti”.
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|
Impianti fotovoltaici su serre
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“Altri impianti fotovoltaici”
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|
Intervallo di potenza
(kW)
|
Tariffa omnicomprensiva
(€/MWh)
|
Tariffa premio sull’energia
consumata in sito
(€/MWh)
|
Tariffa omnicomprensiva
(€/MWh)
|
Tariffa premio sull’energia
consumata in sito
(€/MWh)
|
|
1 ≤ P ≤ 3
3 < P ≤ 20
20 ≤ P ≤ 200
200 ≤ P ≤ 1,000
1,000 ≤ P ≤ 5,000
P > 5,000
|
111
107
102
88
83
79
|
42
37
32
18
14
9
|
110
105
100
86
82
78
|
40
35
30
17
12
8
|
2.2 I limiti legati alle colture
Il vincolo più importante per le serre fotovoltaiche riguarda la possibilità di produrre energia elettrica senza che le colture siano danneggiate dalla riduzione dell’intensità luminosa dovuta alla presenza dei moduli fotovoltaici.
La possibilità di installare un impianto fotovoltaico integrato nel tetto delle serre dedicate al florovivaismo, parte dal presupposto che queste ultime, spesso, necessitano dell’apposizione di schermi finalizzati a limitare la radiazione luminosa durante molti mesi dell’anno.
In ogni caso, la presenza dei pannelli fotovoltaici influenza inevitabilmente il microclima interno della serra e, quindi, il ciclo biologico delle piante, con effetti diretti sulla loro fisiologia (lunghezza del ciclo produttivo, produttività della coltura, ecc.), e, di conseguenza, con ricadute sull’economia della coltivazione in serra. Per questo motivo, è necessario definire e controllare i principali parametri climatici che maggiormente influiscono sul corretto sviluppo delle colture. L’analisi bibliografica condotta ha evidenziato che la srescita delle colture è maggiormente influenzata da due parametri microclimatici: il valore di temperatura e la quantità di radiazione all’interno della serra.
La temperatura
La temperatura costituisce la variabile più importante per il microclima di una serra in quanto da essa dipende non solo la sopravvivenza delle piante al suo interno, ma anche il ritmo di crescita. Molte specie vegetali, infatti, non sono in grado di sopravvivere per periodi prolungati con valori della temperatura inferiori a 5 °C o superiori a 35 °C, motivo per cui talvolta risulta necessario intervenire mediante raffrescamento e riscaldamento artificiali al fine di mantenere le colture in un microclima adatto alla loro fisiologia. In generale, gran parte delle piante coltivate in serra presentano una temperatura ottimale di crescita compresa tra i 17 °C e i 27 °C. Nella Tabella 5 sono riportati i valori di temperatura ottimali dell’aria interna per le principali colture vegetali in serra.
Tabella 5 – Temperature medie indicate per la coltivazione di piante in serre [13].
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Specie
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Temperature ottimali (°C)
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|
Giorno
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Notte
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Orticole
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20-24
|
12-16
|
|
Pomodoro
|
21-26
|
13-18
|
|
Lattuga
|
17-22
|
10-13
|
|
Melone
|
22-28
|
15-18
|
|
Floricole
|
19-25
|
14-16
|
|
Rosa
|
20-24
|
14-16
|
|
Crisantemo
|
17-21
|
16-17
|
|
Gerbera
|
21-27
|
12-16
|
|
Garofano
|
18-21
|
10-13
|
La radiazione solare e l’influenza della presenza di moduli fotovoltaici sulle colture
L’intensità e la qualità della luce che penetra all’interno della serra dipendono anche dai valori del coefficiente di trasmissione alla radiazione visibile dei materiali di copertura impiegati, oltre che dall’ombreggiamento determinato dalle strutture portanti. Il coefficiente di trasmissione indica la capacità di un materiale di lasciarsi attraversare radiazione incidente ed è valutato come il rapporto tra la radiazione solare trasmessa e quella incidente, misurate sulle due facce del materiale.
La trasmissione della radiazione è diretta o diffusa a seconda che, incidendo su una faccia, emerga dall’altra in direzione parallela al raggio incidente o si ripartisca in tutte le direzioni.
Per quanto riguarda l’intensità della radiazione fotosinteticamente attiva (PAR), per la crescita e lo sviluppo delle piante, la Tabella 6 riporta i livelli di PAR, espressi in W/m2, consigliati per diverse specie vegetali.
Tabella 6 – Livelli di PAR raccomandati per diverse specie vegetali [14].
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Specie vegetale
|
Livelli di PAR raccomandati (W/m2)
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|
Violetta africana
|
32.8 – 54.7
|
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Piante da foglia ornamentali
|
32.8 – 54.7
|
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Garofano e crisantemo
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54.7 – 98.5
|
|
Giglio
|
54.7 – 98.5
|
|
Geranio
|
54.7 – 98.5
|
|
Poinsettia
|
54.7 – 98.5
|
|
Cetriolo
|
54.7 – 98.5
|
|
Lattuga
|
54.7 – 98.5
|
|
Fragola
|
54.7 – 98.5
|
|
Rosa
|
98.5 – 164.2
|
|
Pomodoro
|
98.5 – 164.2
|
Da quanto detto finora si evince che nell’ambito della progettazione di una serra fotovoltaica bisogna porre estrema attenzione alla quantità di radiazione foto-sinteticamente attiva che giunge sulla coltura.
Il Centro Regionale di Sperimentazione e Assistenza Agricola [15] (CeRSAA, azienda speciale della Camera di Commercio Industria Artigianato e Agricoltura di Savona che svolge attività di sperimentazione, dimostrazione, formazione e assistenza tecnica in campo agroindustriale, agroambientale e agroalimentare), sulla base di sperimentazioni effettuate dal 2007 al 2011, indica, in relazione alla tipologia di copertura fotovoltaica posta sul tetto della serra, quali colture possono essere coltivate in modo redditizio, ovvero quali sono capaci di fornire produzioni che rientrano negli standard di qualità richiesti dal mercato.
Dovendo verificare l’effetto sulle colture dell’ombreggiamento causato da moduli fotovoltaici, presso il CeRSAA sono stati realizzati impianti fotovoltaici montati sia su serre a campata larga preesistenti (per rappresentare la condizione in cui le serre non vengono costruite in funzione della migliore esposizione solare, bensì in relazione allo spazio disponibile), sia su serre costruite ex novo. Gli impianti fotovoltaici sono stati realizzati utilizzando differenti tipologie di moduli fotovoltaici, con differenti configurazioni al fine di realizzare differenti valori della percentuale di ombreggiamento.
Gli effetti del parziale ombreggiamento sulle colture sono stati valutati confrontando la crescita delle diverse specie orticole e floreali coltivate nelle serre, con quelli ottenuti in ambienti di coltivazione convenzionali: (1) in pieno campo ed (2) in una serra a campata larga non fotovoltaiche, costruttivamente identiche a quelle su cui sono stati installati gli impianti.
Gli effetti dell’ombreggiamento dovuto alla presenza dei moduli fotovoltaici, sono riportati nella Tabella 7. I dati riportati evidenziano che, al variare della percentuale di ombreggiamento e della coltura, la presenza di moduli fotovoltaici possa produrre alterazioni molto limitate, così come alterazioni talmente gravi da compromettere la commerciabilità del prodotto. Le difformità risultano più evidenti tra le piante coltivate nelle aree più costantemente investite dalla radiazione solare diretta e quelle coltivate sotto le falde del tetto su cui erano installati pannelli fotovoltaici totalmente oscuranti. In relazione ai dati riportati nella Tabella 7, i “sì” indicano le colture coltivabili in modo redditizio, i “sì, difformità produttiva” indicano le colture che presentano alterazioni limitate della produzione, mentre i “no” e “no, eccessiva difformità” indicano le colture le cui produzioni risultano rispettivamente non commerciabili o commerciabili solo in parte. Per “corpo unico” si intende che l’intera superficie dei moduli fotovoltaici è opaca, mentre per “corpi separati” si intendono moduli fotovoltaici le cui celle sono distanziate e lo spazio fra di esse è realizzato con materiale trasparente.
Dai risultati ottenuti su numerose colture appare evidente l’effetto negativo dei moduli fotovoltaici quando questi vengono disposti in maniera continua e totalmente oscurante su una delle due falde del tetto. Al contrario, una parziale riduzione della radiazione solare è ampiamente tollerata da molte specie quando le coperture generano coni d’ombra di piccole dimensioni ed in rapido spostamento, in conseguenza del movimento relativo del Sole rispetto alla Terra. Questo effetto è particolarmente evidente nel caso di pannelli in cui le celle sono distanziate ed inserite in lastre di materiale trasparente.
Risulta importante, quindi, nell’ambito della progettazione di una serra fotovoltaica, porre attenzione non solo alla quantità di radiazione PAR garantita all’interno della serra, ma anche alla sua distribuzione, prediligendo moduli fotovoltaici con supporto trasparente e celle distanziate tali da garantire coni d’ombra proiettati a terra di piccola dimensione.
Tabella 7 – Sintesi dei risultati ottenuti dalle sperimentazioni compiute dal CeRSAA.
|
Colture
|
Copertura
50% in corpo unico
|
Copertura
20-30% in corpi separati
|
|
|
|
|
Colture
orticole
|
|
Zucchino
|
No
|
Sì
|
|
Lattuga
|
Sì,
difformità produttiva
|
Sì,
accorciamento ciclo*
|
|
Lattughe
da taglio
|
Sì,
difformità produttiva
|
Sì,
accorciamento ciclo*
|
|
Fragola
|
No,
eccessiva difformità
|
Sì
|
|
Pomodoro
|
No,
eccessiva difformità
|
Sì
|
|
Colture
floricole
|
|
Ciclamino
|
No
|
Sì
|
|
Crisantemo
|
No
|
Sì
(lieve allungamento degli internodi e anticipo fioritura)
|
|
Poinsettia
|
No
|
Sì
(lieve ritardo fioritura)
|
|
Margherita
|
No
|
Sì
|
|
Rosmarino
|
No
|
Sì
|
|
Salvia
|
No
|
Sì
|
|
Piante
verdi
|
Sì
(parziale ombreggio)
|
Sì
(necessario ombreggio)
|
|
* La
riduzione, anche modesta, della PAR provoca una più rapida distensione della
lamina fogliare delle piante, che può essere erroneamente identificata con un
più rapido completamento del ciclo colturale.
|
2.2.1 La tecnologia fotovoltaica, le tipologie e i modelli di sistemi fotovoltaici
Nell’ambito della progettazione di una serra fotovoltaica risulterà, ovviamente, necessario dedicare una particolare attenzione a quella che oggi è la tecnologia alla base dei sistemi fotovoltaici la cui applicazione possa essere compatibile con le funzioni di una serra.
Le principali tipologie di celle
La ricerca sul fotovoltaico ha dato origine a varie tipologie di celle che si differenziano per uso di materiale, produzione, struttura e applicazioni. Esse possono essere sostanzialmente raggruppate in due famiglie: le celle in silicio e le celle a film sottile.
Le celle in silicio risultano ricoprire un ruolo dominante nel campo delle celle fotovoltaiche. Il motivo della diffusione di questo semiconduttore è dovuto principalmente alla sua grande disponibilità in natura. L’industria elettronica, inoltre, utilizza principalmente questo elemento e ciò ha incentivato il progressivo miglioramento dei metodi di lavorazione del materiale e ha reso disponibili scarti di produzione riutilizzabili nella realizzazione di celle fotovoltaiche.
Il silicio disponibile in natura, infatti, non è sufficientemente puro e quindi non è utilizzabile direttamente. Mediante processi di lavorazione è possibile, però, ottenere varie tipologie di silicio suddivise dalla diversa quantità di impurità presenti al loro interno:
- silicio di grado elettronico: una parte di impurità per ogni 107 e oltre parti di silicio;
- silicio di grado solare: una parte di impurità per ogni 104 – 107 parti di silicio;
- silicio metallurgico: una parte di impurità per ogni 104 parti di silicio.
Per la realizzazione di celle fotovoltaiche è necessario almeno del silicio di grado solare. Ciò risulta molto vantaggioso in termini economici in quanto è possibile ricavarlo dagli scarti di produzione dell’industria elettronica che è costretta ad utilizzare solamente silicio di grado elettronico.
Le applicazioni fotovoltaiche del silicio si possono, infine, suddividere in tre grosse categorie determinate della struttura molecolare del materiale che può avere varie forme:
- monocristallina: gli atomi sono orientati e legati nello stesso modo realizzando una struttura cristallina regolare;
- policristallina: insieme di piccoli cristalli monocristallini uniti assieme in maniera irregolare;
- amorfa: gli atomi sono orientati in modo casuale come nei fluidi. La struttura degli atomi risulta non cristallina e alcuni atomi non possiedono tutti e quattro i legami con altri atomi.
Il silicio monocristallino (Ci-Si) presenta una struttura molecolare composta da un reticolo continuo regolare in cui ogni atomo è legato ad altri quattro atomi. Questa tipologia di silicio è ampiamente utilizzata in elettronica ed il suo metodo di produzione, che risale agli ’50, prende il nome di “metodo Czochralski”.
Il silicio policristallino è costituito da vari cristalli di silicio monocristallino orientati in modo casuale. Si realizza riciclando componenti elettronici scartati, rifondendoli assieme per ottenere una composizione compatta. Ciò permette alle celle prodotte di essere più economiche della controparte monocristallina ma, di contro, le celle di silicio policristallino sono meno efficienti. Il metodo utilizzato per fondere assieme i vari cristalli di silicio viene denominato casting. Il materiale di scarto viene frantumato e sottoposto ad una operazione di decapaggio per una prima purificazione. Successivamente viene fuso e colato nelle forme apposite in cui viene lasciato ricristallizzarsi. Il processo di fusione e cristallizzazione sono critici per quanto concerne il tasso di impurezze presenti nel materiale. Dopo la cristallizzazione si procede al taglio del blocco in lingotti da cui si ricavano i c.d. wafer, dallo spessore dell’ordine di 0,5 mm, che vengono poi ossidati per protezione. La produzione di un blocco di silicio policristallino di 100 – 150 kg richiede una giornata circa.
Il silicio amorfo (a-Si) è caratterizzato da una struttura molecolare irregolare. In esso gli atomi formano un reticolo disordinato: non tutti possiedono legami con altri quattro atomi di silicio. Alcuni atomi, dunque, hanno dei legami disponibili che costituiscono dei difetti nell’ordine del reticolo e sono responsabili del suo comportamento elettrico. Le applicazioni del silicio amorfo per il fotovoltaico ricadono nel filone delle celle solari cosiddette a film sottile.
Le celle a film sottile (o TFSC dall’acronimo Inglese thin-film solar cells) appartengono ad una categoria di fotovoltaico realizzato mediante la deposizione di molteplici strati sottili di spessore compreso tra la decina di nanometri ed il micrometro su un substrato plastico o di vetro o metallico. Questo substrato è non rigido per consentire la realizzazione di lunghe lamine poco pesanti che possano essere arrotolate e facilmente installate.
I moduli fotovoltaici
Come già accennato, gli effetti dell’ombreggiamento sulle piante sono maggiormente tollerati quando le superfici opache sono piccole e distanziate tra loro in modo da proiettare sulle colture coni d’ombra di piccole dimensioni ed in rapido spostamento. Ciò è ottenibile utilizzando moduli fotovoltaici trasparenti, ovvero moduli per i quali viene utilizzato del materiale trasparente come strato di supporto del modulo e le celle sono opportunamente distanziate fra di loro. Su questo tipo di moduli fotovoltaici è stata compiuta un’analisi merceologica attraverso la quale sono stati individuati diversi modelli le cui caratteristiche principali, quali potenza nominale, efficienza, tipologia e numero di celle, dimensioni del modulo e percentuale di superficie ombreggiante, sono state riportate all’interno della Tabella 8; i datasheet di ogni modulo sono riportati in allegato. I valori della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici riportati in tabella rappresentano il rapporto tra la superficie delle celle (superficie opaca) e l’area totale del modulo.
Tabella 8 – Modelli di moduli fotovoltaici trasparenti presenti sul mercato.
|
Modello
|
Tipologia celle
|
Numero celle
|
Potenza nominale
(Wp)
|
Efficienza modulo
(%)
|
Dimensioni
(mm)
|
Percentuale di ombreggiamento
(%)
|
Datasheet
|
|
Azimut – Daylight AZM486 PT
|
Silicio policristallino
|
48
|
190
|
11.63
|
1,650 x 990 x 38
|
72
|
Allegato 2.1
|
|
Azimut – Daylight AZM486 MT
|
Silicio monocristallino
|
48
|
205
|
12.55
|
1,650 x 990 x 38
|
72
|
Allegato 2.1
|
|
BISOL – Lumina multicristallini
|
Silicio policristallino
|
28
|
120
|
7.3
|
1,649 x 991 x 40
|
47.8
|
Allegato 2.2
|
|
BISOL – Lumina monocristallini
|
Silicio monocristallino
|
28
|
125
|
7.6
|
1,649 x 991 x 40
|
47
|
Allegato 2.3
|
|
Brandoni – Vetro/Vetro
|
Silicio policristallino
|
36
|
130
|
9.2
|
1,755 x 809 x 10
|
64.2
|
Allegato 2.4
|
|
Brandoni – Backsheet trasparente
|
Silicio policristallino
|
48
|
165
|
10
|
1,661 x 997 x 42
|
74.3
|
Allegato 2.5
|
|
Ferrania Solis – Clear AP 30
|
Silicio policristallino
|
30
|
125
|
7.55
|
1,663 x 998 x 38
|
50
|
Allegato 2.6
|
|
Primitech – GETWATT see-through NLS
|
Silicio amorfo
|
N\D
|
80
|
5.59*
|
1,300 x 1,100 x 8.5
|
77
|
Allegato 2.7
|
|
SUN technology – Revolution 6 Go
green 45-12
|
Silicio policristallino
|
12
|
45
|
3.75*
|
2,000 x 600 x 5
|
25
|
Allegato 2.8
|
|
SUN technology – Revolution 6 Go
green 100-24
|
Silicio policristallino
|
24
|
100
|
8.33*
|
2,000 x 600 x 5
|
50
|
Allegato 2.9
|
|
V-Energy – Serie 100-200 VE136PVTT
|
Silicio policristallino
|
36
|
145
|
8.88
|
1,650 x 990 x 35
|
54
|
Allegato 2.10
|
|
* Dati non presenti sui
datasheet. I valori sono stati ricavati.
|
2.3 I Best Cases
I best cases rappresentano i casi più significativi di serre fotovoltaiche realizzate in Italia e all’estero. Nell’ambito della progettazione di una serra fotovoltaica, tale analisi può risultare utile al fine di ottenere un quadro complessivo all’interno del quale potersi orientare attraverso l’osservazione degli accorgimenti messi in atto in altre installazioni e dei vantaggi e svantaggi che questi hanno portato. Le caratteristiche prese in considerazione in questa analisi spaziano da quelle di carattere più generale come la localizzazione, l’anno di realizzazione, la tipologia di serra, la superficie che la serra occupa, l’inclinazione delle falde e le colture presenti, a quelle specifiche dell’impianto fotovoltaico, quali la tipologia dei moduli, il numero di celle, la potenza di picco, la superficie occupata dall’impianto e la produzione di energia elettrica annua. Le caratteristiche dei best cases realizzati in Italia e all’estero sono riportate rispettivamente nelle Tabella 9 e 10.
Tabella 9 – I best cases in Italia.
|
Località
|
Anno
|
Tipologia serra
|
Inclinazione falda
|
Superficie
serra (m2)
|
Colture presenti
|
Tipologia
moduli
|
Numero moduli
|
Potenza di picco (kWp)
|
Superficie impianto fotovoltaico (m2)
|
Rapporto tra superficie in pianta
dell’ impianto FV e superficie serra (%)
|
Produzione elettrica annua (MWh)
|
Produzione annua per unità di
superficie fotovoltaica (MWh/m2)
|
|
Buronzo (VC) [16]
|
2013
|
Con tetto a falde piane
|
–
|
20,000
|
–
|
Silicio policristallino
|
4,226
|
1,000
|
10,000*
|
50*
|
–
|
–
|
|
Eboli
(SA) [17]
|
2011
|
Con tetto a falde piane
|
–
|
14,500
|
lattughino, rucola, valerianella,
asparago, fragolina, melone, finocchio, cavolfiore
|
–
|
17,972
|
1,000
|
7,250*
|
–
|
1,500
|
0.21*
|
|
Esenta di Lonato
(BS) [18]
|
2009
|
Venlo
|
24°
|
15,000
|
–
|
Silicio policristallino
|
4,800
|
888
|
6,825
|
46
|
1,100
|
0.16
|
|
Leverano (LE) [19]
|
2009
|
Con tetto a falde piane
|
–
|
–
|
–
|
Silicio monocristallino
|
450
|
99
|
–
|
–
|
–
|
–
|
|
Merlino
(LO) [20]
|
2011
|
Venlo
|
22°
|
13,672*
|
Melanzana
|
Silicio monocristallino
semitrasparenti
|
5,000
|
918
|
6,836
|
50
|
992
|
0.15
|
|
Montecorvino
di Rovella
(SA) [21]
|
–
|
–
|
–
|
–
|
lattughino, red chard, red cos,
spinacino, valeriana, rucola selvatica
|
Silicio policristallino
|
25,499
|
5,864
|
–
|
–
|
–
|
–
|
|
Sannicandro
di Bari
(BA) [22]
|
2010
|
Venlo
|
30°
|
14,000
|
fagiolino, fiori di zucchino,
fragola, basilico, salvia, peperoncino, menta
|
Silicio amorfo
|
–
|
999
|
7,000*
|
50
|
1,500
|
0.21*
|
|
Villasor
(CA) [23]
|
2011
|
Con tetto a falde piane
|
–
|
260,000
|
melone, anguria, zucchina romanesca,
finocchio, rosa da bacca
|
Silicio policristallino
|
84,400
|
20,000
|
130,000*
|
50
|
41,666
|
0.32*
|
|
* Valori ricavati
|
Tabella 10 – I best cases all’estero.
|
Località
|
Anno
|
Tipologia
serra
|
Inclinazione
falda
|
Superficie
serra (m2)
|
Colture
presenti
|
Tipologia
moduli
|
Numero
moduli
|
Potenza
di picco (kWp)
|
Superficie
impianto fotovoltaico (m2)
|
Rapporto
tra superficie in pianta dell’ impianto FV e superficie serra (%)
|
Produzione
elettrica annua (MWh)
|
Produzione
annua per unità di superficie fotovoltaica (MWh/m2)
|
|
Derio,
(Biscaglia),
Spagna [24]
|
2012
|
Con tetto a
falde piane
|
–
|
–
|
pomodori,
peperoni
|
Moduli
sperimentali
con lenti
|
–
|
–
|
400
|
–
|
–
|
–
|
|
Floriade
Exhibition Hall, Harlemmermeer, (Olanda settentrionale), Paesi Bassi [25]
|
2002
|
Con tetto a
falde piane
|
18.5°
|
–
|
Esposizione
internazionale di giardinaggio
|
Silicio
monocristallino semitrasparenti
|
19,383
|
2,310
|
26,110
|
–
|
1,230
|
0.05
|
|
Istres
(Bocche del Rodano), Francia [26]
|
–
|
Con tetto a
falde piane
|
–
|
–
|
–
|
–
|
55,224
|
10,490
|
–
|
–
|
–
|
–
|
|
Linyi
(Shandong), Cina [27]
|
2013
|
Con tetto a
falde piane
|
–
|
660,000
|
mirtilli,
funghi, fiori
|
–
|
124,980
|
20,000
|
–
|
–
|
22,400
|
–
|
|
Moclin e
Colomera (Granada), Spagna [28]
|
2012
|
Con tetto a
falde piane
|
20°
|
62,000
|
–
|
–
|
17,000
|
4,300
|
31,000*
|
50
|
6,500
|
0.21
|
|
Montélimar
(Dròme), Francia [29]
|
–
|
Venlo
|
–
|
40,000
|
–
|
Silicio
policristallino semitrasparente
|
13,440
|
2,500
|
20,000*
|
50
|
3,000
|
0.15
|
|
Ontario,
Canada [30]
|
2013
|
Con tetto a
falde piane
|
–
|
40,000
|
–
|
Silicio
policristallino
|
9,294
|
2,300
|
20,000*
|
50
|
2,540
|
0.13
|
|
* Valori ricavati
|
In Italia
Le serre fotovoltaiche hanno avuto una notevole diffusione sul territorio italiano rispetto agli altri paesi del mondo. Il primo caso che, per le sue dimensioni, si distingue dagli altri è sicuramente quello di Villasor in Sardegna [23] (Figura 7). Con una superficie complessiva di 260,000 m2, di cui circa la metà destinati al fotovoltaico, è attualmente l’impianto serricolo fotovoltaico più grande del mondo, con una potenza di picco di 20,000 Wp ed una produzione elettrica annua di 41,666 MWh.
Figura 7 – Vista aerea dell’impianto di Villasor, Sardegna.
Tuttavia, a parte le sue dimensioni, per il resto si tratta di una semplice serra con tetto a falde inclinate con moduli fotovoltaici senza caratteristiche di trasparenza o altri particolari accorgimenti (Figura 8).
Figura 8 – Serre dell’impianto di Villasor, Sardegna.
Uno dei casi sicuramente più interessanti è quello di Sannicandro di Bari [22]. Si tratta di una serra fotovoltaica di 14,000 m2, con strutture in ferro zincato e copertura in vetro, parzialmente sostituita da moduli fotovoltaici di silicio amorfo, disposti con inclinazione di 30° lungo tutte le falde esposte a Sud. Trattandosi di una serra tipo venlo (Figura 9), le falde sono molto più piccole rispetto al caso precedente e, di conseguenza, lo sono anche i coni d’ombra che i moduli fotovoltaici proiettano sulle colture sottostanti.
Figura 9 – Serra fotovoltaica di Sannicandro di Bari, vista laterale.
La produzione di energia elettrica è di 1,500 MWh all’anno con una potenza di picco 999 kWp. La serra è, inoltre, dotata di sensori per il controllo della temperatura, impianto automatizzato per la gestione delle aperture laterali e di colmo, impianto di riscaldamento aereo e basale, e impianto di nebulizzazione per il raffrescamento (Figura 10).
Figura 10 – Serra fotovoltaica di Sannicandro di Bari, vista dell’interno.
Per quanto riguarda la produzione agricola, si è scelto di concentrarsi su colture che meglio tollerano il parziale ombreggiamento. Nell’inverno, quando l’ombreggiamento diviene più continuo e diffuso, al posto delle piante da frutto, si coltivano piante aromatiche e da foglia, come aneto, basilico, erba cipollina, menta, salvia e timo.
Altro caso, ancor più interessante, è quello di Merlino, nel Lodigiano [20]. Si tratta anche in questo caso di una serra tipo venlo (Figura 11) nella cui copertura, sulle falde esposte a Sud, sono stati inseriti 5,000 moduli fotovoltaici in silicio monocristallino da 185 Wp ciascuno, per una potenza totale di 918 kWp. La superficie fotovoltaica complessiva di 6,836 m2 e la produzione di energia elettrica annua di 992 MWh, energia quasi interamente immessa in rete e quindi rivenduta sul mercato.
Figura 11 – Serra fotovoltaica di Merlino, in provincia di Lodi.
A differenza dei casi precedenti, i moduli fotovoltaici, sono semitrasparenti senza cornice e la distanza tra le celle è stata studiata per ridurre l’ombreggiamento prodotto sulle colture (Figura 12).
Figura 12 – Serra fotovoltaica di Merlino, in provincia di Lodi, vista dell’interno.
Nel mondo
Per quanto riguarda le realizzazioni all’estero, è degno di nota il caso di Linyi, nella provincia di Shandong, Cina [27]. Oltre che per le enormi dimensioni dell’impianto (Figura 13), con 124,980 moduli fotovoltaici per una produzione elettrica annua di 22,400 MWh ed una potenza di picco pari a 20,000 kWp (che diverranno 100,000 kWp quando l’impianto verrà completato), questo caso si distingue anche per la particolarità delle colture a cui è destinato: fiori, mirtilli e funghi.
Figura 13 – Vista aerea dell’impianto di Linyi, nella provincia di Shandong, Cina.
Anche il caso di Montélimar, nel dipartimento di Dròme, in Francia [29], è caratterizzato dall’utilizzo di moduli fotovoltaici semitrasparenti applicati su una serra tipo venlo (Figura 14). La produzione elettrica annua di questo impianto è di 3,000 MWh, prodotta da 134,440 moduli in silicio policristallino con una potenza di picco di 2,500 kWp.
Figura 14 – Interno della Serra di Montélimar, nel dipartimento di Dròme, Francia.
Infine, uno dei casi più innovativi è senz’altro quello realizzato in Biscaglia, nei Paesi Baschi [24], in Spagna (Figura 15). Si tratta di un’installazione sperimentale, dall’estensione di 400 m2, in cui, per ottimizzare al massimo la radiazione solare, si combinano i moduli fotovoltaici con un sistema di lenti che, in base alle necessità del momento, convogliano la luce all’interno della serra o sulle celle fotovoltaiche, sfruttando il cambiamento del percorso solare durante l’anno (Figura 16).
Figura 15 – Impianto sperimentale di Derio, Spagna.
Figura 16 – Impianto sperimentale di Derio, dettaglio delle lenti.
Così, senza bisogno di un sistema di inseguimento solare, in inverno, le lenti convoglieranno la luce all’interno della serra evitando un ombreggiamento eccessivo, mentre in estate, la luce sarà convogliata sulle celle fotovoltaiche per incrementare la produzione di energia elettrica e, nello stesso tempo, proteggere le colture da una eccessiva esposizione alla radiazione solare. Le colture selezionate per i test sono il pomodoro ed il peperone. Queste due colture sono state scelte sia per la loro grande diffusione nel mondo, sia per il fatto che la loro coltivazione richiede una grande quantità di luce.
2.4 Caratteristiche del territorio
Proiettare il progetto di una serra fotovoltaica all’interno della realtà di Pompei significa andare a confrontare, alla luce di quanto detto finora, gli aspetti presi in considerazione per una generica serra fotovoltaica con quelli propri del comune campano.
La coltivazione dei fiori in Campania si concentra maggiormente nelle province di Napoli (61%) e Salerno (26%), seguite dalle province di Avellino (6%), Caserta (4%) e Benevento (3%). Il 39% della Superficie Agricola Utilizzata (SAU) si caratterizza per la coltivazione di fiori e piante ornamentali in campo, mentre il 61% si distingue per la coltivazione in apprestamenti protettivi (serre e tunnel), questi ultimi distribuiti principalmente in comuni di pianura e collina delle province di Salerno, Napoli e Caserta.
Il florovivaismo è un comparto avanzato dell’agricoltura che in Campania occupa una superficie di 1,600 ettari, dove il 79% interessa esclusivamente il settore floricolo ed il 21% il vivaismo. La Campania è stata tra le prime regioni italiane a dedicarsi alla coltivazione di specie florovivaistiche ed è il primo produttore di fiori recisi in Italia, raggiungendo il 24% dell’intera produzione nazionale. La Tabella 11 indica le principali specie floreali prodotte in Campania.
Tabella 11 – Dati ISTAT del 2000 sulla produzione di fiori in serra in Campania [31].
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Specie
|
Superficie
(m2)
|
Produzione
(migliaia di pezzi)
|
|
Garofani
|
3,380,000
|
490,600
|
|
Garofani mediterranei
|
2,960,000
|
423,800
|
|
Gerbere
|
1,018,000
|
225,660
|
|
Rose
|
1,820,000
|
179,450
|
|
Crisantemi
|
860,000
|
121,120
|
|
Gladioli
|
1,505,000
|
74,385
|
|
Altri garofani
|
420,000
|
66,800
|
|
Gigli/Lilium
|
1,045,000
|
64,062
|
|
Fresie
|
205,000
|
27,150
|
|
Anemoni
|
90,000
|
23,000
|
|
Tulipani
|
220,000
|
22,000
|
|
Iris
|
290,000
|
14,980
|
|
Ranuncoli
|
120,000
|
7,200
|
|
Margherite
|
40,000
|
2,000
|
|
Calle
|
40,000
|
532
|
|
Orchidee
|
20,000
|
383
|
La coltura del garofano
Poiché dall’analisi effettuata la coltura del garofano risulta essere quella maggiormente diffusa in Campania (Tabella 11), si è ipotizzato di realizzare una serra destinata alla produzione di questi fiori.
Il garofano, nome comune del dianthus, è un fiore originario delle zone temperate del pianeta. Il suo nome scientifico deriva dal greco e significa “fiore degli dei”. Il genere comprende oltre 300 specie di piante erbacee o sublegnose, distinte in annuali, biennali e perenni, in base alla durata della loro vita, e si moltiplicano mediante semina o per mezzo di talee.
Il periodo di coltivazione del garofano varia a seconda della specie (annuale, biennale o perenne), a seconda della tecnica utilizzata per la moltiplicazione (semina o talea) ed a seconda delle condizioni climatiche. Trattandosi di una coltura da effettuare in serra e finalizzata alla massima produzione, si è scelto di coltivare il garofano comune, una specie perenne da moltiplicare per mezzo di semina, per la quale, in clima mediterraneo, il periodo di coltivazione più indicato è quello che va da marzo a maggio, mentre il periodo di fioritura va da aprile a ottobre [32].
Il garofano comune, il dianthus caryophyllus, è una pianta di altezza fino ad 80 cm, probabilmente originaria del mediterraneo. Le foglie sono di colore grigio-verde tendente al verde-blu, sottili e fino a 15 cm di lunghezza. I fiori sono singoli o raggruppati fino a cinque insieme in una inflorescenza, hanno un diametro di 3-5 cm e sono dolcemente profumati. Il colore originale del fiore è un naturale e brillante rosa-porpora, anche se esistono altri cultivar (varietà ottenute attraverso il miglioramento genetico) di colori diversi, tra cui rosso, bianco, giallo e verde. Benché le condizioni microclimatiche per la sua corretta crescita dipendano dalla specie, generalmente, è necessario garantire valori di temperatura compresi tra i 10 °C ed i 21 °C e valori di PAR compresi tra 54.7 W/m2 e 98.5 W/m2.
Dall’analisi bibliografica si evince che il clima presente in Campania consente la coltivazione del garofano anche in “serra fredda” [33], ossia non dotata di impianti di riscaldamento artificiali, mentre, durante il periodo estivo, il controllo della temperatura avviene attraverso la ventilazione naturale e l’utilizzo di teli ombreggianti per limitare la quantità di radiazione solare entrante nella serra.
2.5 Sintesi dei vincoli da rispettare
I risultati dell’analisi bibliografica sui vincoli da rispettare per la realizzazione della serra e la corretta coltivazione del garofano sono stati sintetizzati nelle Tabelle 12 e 13 e nelle Figure 17 e 18. La Tabella 12 riporta in maniera schematica i vincoli indicati dal GSE.
Tabella 12 – I vincoli del GSE.
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Vincoli da rispettare affinché la serra sia riconosciuta dal GSE come serra fotovoltaica
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1) i moduli fotovoltaici devono costituire elementi costruttivi della copertura o delle pareti di manufatti adibiti, per tutta la durata dell’erogazione della tariffa incentivante, a serre dedicate alla floricoltura
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|
2) la struttura della serra, in metallo, legno o muratura, deve essere fissa, ancorata al terreno e con chiusura eventualmente stagionalmente rimovibile
|
|
3) l’altezza minima dal suolo dei moduli deve essere non inferiore a 2 metri
|
|
4) il manufatto realizzato deve essere praticabile in tutta la sua estensione
|
|
5) Il rapporto tra la proiezione al suolo della superficie totale dei moduli fotovoltaici installati sulla serra e la proiezione al suolo della superficie totale della copertura della serra stessa non deve superare il 30%
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La Figura 17 e la Figura 18 riportano una schematizzazione grafica dei vincoli geometrici.
Figura 17 – Schematizzazione grafica dei vincoli indicati dal GSE.
Figura 18 – Schematizzazione grafica dei vincoli indicati dal GSE.
Nella Tabella 13 sono riassunti i valori ottimali di temperature e di radiazione PAR affinché sia garantita la corretta crescita del garofano.
Tabella 13 – I vincoli microclimatici relativi alla coltura del garofano.
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Specie
|
Temperature indicate (°C) [13]
|
|
Giorno
|
Notte
|
|
Garofano
|
18-21
|
10-13
|
|
Livelli di PAR raccomandati (W/m2)
[14]
|
|
54.7 – 98.5
|
3. Serra classica, Serra d’Arte e metodologie di analisi
3.1 La serra “classica”
L’obiettivo principale dell’attività di ricerca è quello di analizzare le prestazioni energetiche di una serra definita Serra d’Arte. A tale scopo, è stato necessario definire un modello di serra “classica” che facesse da riferimento nella valutazione delle prestazioni della Serra d’Arte. Si è scelto, quindi, di creare una Serra d’Arte che presentasse dimensioni – fra quelle disponibili in commercio – che fossero analoghe a quelle di una serra “classica”, e che rispetto ad essa consentisse l’installazione di un uguale numero di pannelli fotovoltaici per ogni modulo-base di serra, in modo da poter operare più facilmente un confronto tra le loro prestazioni.
Si è scelto di considerare la tipologia di serre definite “a tetto a falde piane e simmetriche” per due ragioni: (1) in primo luogo perché questa tipologia garantisce una certa distanza tra le falde occupate dai pannelli fotovoltaici, evitando che ci sia ombreggiamento reciproco fra le varie schiere parallele di pannelli; (2) in secondo luogo perché questa tipologia risulta essere quella più rappresentativa dei prodotti che il mercato offre nel campo delle serre fotovoltaiche, nonché quella maggiormente utilizzata nei Best Cases analizzati nel precedente capitolo. La stessa analisi ha portato a scegliere un valore di inclinazione della falda pari a 20°.
Le dimensioni della serra classica di riferimento sono state scelte per essere da un lato rappresentative delle serre disponibili sul mercato (che offrono comunque la possibilità di personalizzazione) e di quelle analizzate come Best Cases, e dall’altro per essere rispettose dei vincoli geometrici definiti precedentemente. Come risultato di queste considerazioni, per il modulo base della serra classica sono state scelte le seguenti dimensioni:
- Larghezza della campata, La = 7.00 m
- Lunghezza del modulo, Lu = 7.20 m
- Inclinazione delle falde = 20°
- Altezza di colmo, Hc = 4.27 m
- Altezza di gronda, Hg = 2.50 m
Tali dimensioni sono state schematizzate in Figura 19.
Figura 19 – Schizzo schematico delle dimensioni della serra classica.
3.2 La Serra d’Arte
Il progetto della Serra d’Arte è frutto del lavoro svolto dal gruppo di ricerca composto dal Prof. Arch. Carmine Gambardella, dall’Arch. Elena di Grazia e dall’Arch. Giuliana Chierchiello nell’ambito del progetto di ricerca “Campus Pompei”.
Cosa definisce una serra una Serra d’Arte?
Prima di tutto la ricerca formale volta all’identificazione di una spazialità articolata pur se generata da una struttura elementare, ed in secondo luogo il modo in cui essa conferisce valore aggiunto all’area in cui sorge.
“Serre d’A Pompei” è un sistema di serra fotovoltaica che nasce dall’assunto per cui ogni processo di trasformazione dell’ambiente naturale e costruito, presuppone che i segni che si imprimono nel presente stabiliscano relazioni continue e mutevoli con tutti i segni che li hanno preceduti dando origine così ad un tessuto di relazioni complesso e dinamico.
L’obiettivo del progetto è di realizzare, nel territorio di Pompei, un sistema di tali serre fotovoltaiche in grado di produrre energia elettrica tale da essere utilizzata per il funzionamento della serra stessa e per essere ceduta alla rete elettrica.
Il concept iniziale (Figura 20) prevedeva la possibilità di aggregare una serie di moduli componibili, in soluzioni spaziali varie, attraverso nuclei di collegamento fissi (con forma pentagonale, esagonale o quadrata), articolabili attraverso l’aggiunta o meno, su ogni lato, di moduli estensibili.
Figura 20 – Concept iniziale della Serra d’Arte.
Tuttavia, la soluzione prevista nel primo concept si è dimostrata incompatibile con l’obiettivo di sviluppare una serra fotovoltaica che fosse al contempo esteticamente innovativa ed energeticamente efficiente. Infatti, per massimizzare la quantità di energia elettrica annualmente prodotta dei moduli fotovoltaici è necessario che essi siano rivolti verso SUD.
Alla luce dei vincoli geometrici imposti non solo dal cosiddetto V Conto Energia, ma anche dalla necessità di garantire, per quanto possibile, la massima producibilità elettrica dei moduli fotovoltaici, il modello di aggregazione inizialmente sviluppato è stato sostituito da un sistema di aggregazione dei moduli esteso lungo un’unica direzione, al fine di assicurare ai moduli fotovoltaici sia la migliore inclinazione che il migliore orientamento.
L’angolo di inclinazione della falda su cui sono stati installati i moduli fotovoltaici è stato scelto pari a 30°. Tale valore è stato scelto per ottimizzare la produzione elettrica annuale in relazione alla località in cui la serra sarà installata.
Nel progetto finale rimane, comunque, il concept dell’elemento modulare (Figura 20), il cui “frame” riflette l’immagine del tempio pompeiano, ispirandosi al gioco prospettico delle sue colonne in successione, dal quale è stata tratta la geometria di base che attraverso la modificazione dei suoi punti nello spazio genera la struttura e quindi la spazialità della serra.
Gli anelli strutturali principali che formano i moduli, inizialmente pensati in legno, sono poi stati sostituiti da profili scatolari rettangolari in acciaio di dimensioni 60 x 50 mm e spessore 2 mm, uniti gli uni agli altri attraverso placche di acciaio bullonate. Gli anelli sono poi collegati da rompi-tratta di irrigidimento orizzontali sempre in acciaio di dimensioni 30 x 50 mm. Allo scopo di ridurre le deformazioni, è stato studiato un sistema di controventi posizionati sull’ampia facciata della struttura e sulla falda su cui non sono posizionati i moduli fotovoltaici. Tali controventi hanno anche la funzione di bloccare il film plastico di copertura ed evitare il cosi detto “effetto vela” prodotto dal vento.
Il film plastico di copertura, di spessore 0.2 mm, è fissato a profili sagomati in PVC incastrati su profilati di alluminio di 50 x 10 mm [34] bullonati alla struttura principale. Il concept della Serra d’Arte è stato sviluppato utilizzando del film plastico come materiale di copertura, tuttavia, per analizzare il comportamento della Serra d’Arte anche con altri materiali di copertura, le simulazioni effettuate per la valutazione delle prestazioni energetiche sono state condotte considerando non solo il film plastico, ma anche il vetro.
I pannelli fotovoltaici scelti, i Revolution 6 go green, le cui caratteristiche sono descritte negli allegati 2.8 e 2.9, sono disposti orizzontalmente e retti da profili fermavetro [34] di dimensioni 40 x 40 mm e ancorati a loro volta a profili scatolari in acciaio di 20 x 30 mm saldati agli anelli principali.
Ciascun modulo estensibile presenta una larghezza massima pari a 5.40 m e lunghezza pari a 2.20 m; il punto più basso ha un’altezza di 2.23 m, mentre quello più alto un’altezza di 4.16 m. La Figura 21 mostra un’assonometria del modulo estensibile della Serra d’Arte evidenziato all’interno del modulo base, il quale è composto da 3 moduli estensibili ed è il modulo preso in considerazione per le simulazioni.
Figura 21 – Assonometria di un modulo base di Serra d’Arte.
I 2 profili dai quali scaturisce la forma del modulo estensibile sono rappresentati nella Figura 22.
Figura 22 – a) Sezione profilo 1; b) Sezione profilo 2.
Le Figura 23 mostrano i render della Serra d’Arte con diverse ambientazioni.
Figura 23 – Render della Serra d’Arte in differenti ambientazioni.
La Figura 24 mostra un’ipotesi di utilizzo della Serra d’Arte in sostituzione delle tipologie classiche di serra preesistenti sul territorio.
Figura 24 – Utilizzo della Serra d’Arte in sostituzione di serra preesistenti.
3.3 Il software di simulazione
Il software utilizzato per le simulazioni è Ecotect® Analysis, prodotto dalla Autodesk® [35]. Ecotect® è un software che consente di effettuare la verifica delle prestazioni degli edifici sia dal punto di vista illuminotecnico che termico. È caratterizzato da un’interfaccia grafica tridimensionale per la costruzione del modello, integrato con una serie di funzioni di analisi e simulazione. La sua principale caratteristica è l’approccio interattivo all’analisi che costituisce un supporto durante tutta la fase progettuale, consentendo di valutare soluzioni progettuali alternative per l’ottimizzazione degli edifici così come dei suoi componenti. Attraverso l’utilizzo di file climatici ed analisi di carattere tecnico-economico è possibile ottimizzare l’utilizzo delle risorse naturali disponibili. Infatti, Ecotect® Analysis è in grado di fornire un’ampia gamma di funzionalità per la simulazione e l’analisi energetica finalizzata al miglioramento delle prestazioni energetiche di edifici esistenti e di nuove costruzioni: strumenti per l’analisi energetica, idrica e delle emissioni di CO2 on-line integrati con strumenti che consentono di visualizzare e simulare le prestazioni degli edifici nel loro contesto ambientale.
Tra le principali informazioni fornite dal programma, troviamo:
- Analisi energetica dell’intero edificio: Calcolo del consumo di energia e delle relative emissioni di CO2 su base annua, mensile, giornaliera e oraria, utilizzando un database globale di informazioni meteo;
- Prestazioni termiche: Calcolo dei carichi di riscaldamento e raffrescamento su modelli di analisi che valutano gli effetti derivanti da fattori di occupazione e guadagni interni;
- Valutazione dell’impiego idrico e relativi costi: Stima dell’impiego idrico all’interno e all’esterno dell’edificio;
- Irraggiamento solare: Visualizzazione dell’irraggiamento solare incidente su vetrate e superfici, in qualunque periodo dell’anno;
- Illuminazione con luce diurna: Calcolo dei fattori diurni e dei livelli di illuminamento in qualunque punto del modello;
- Ombre e riflessioni: Visualizzazione della posizione e del percorso del Sole relativi al modello per qualsiasi data, orario e ubicazione.
Le analisi vengono effettuate su un modello 3D realizzabile tramite l’interfaccia grafica del software oppure importando modelli realizzati con l’ausilio di altri software di modellazione 3D. Per ciascun elemento del modello è possibile definire la tipologia di elemento (muro, tetto, pavimento, finestra, vuoto ecc.) ed, in funzione del tipo di elemento, assegnare i valori delle varie proprietà termofisiche.
Come accennato precedentemente, il software Ecotect® consente di caricare i file climatici della località analizzata al fine di consentire una modellazione più accurata. Si tratta di file che descrivono le condizioni climatiche di varie località del pianeta e si basano su rilevazioni sperimentali delle condizioni climatiche effettuate su un opportuno intervallo temporale. I file climatici utilizzati per le simulazioni sono stati reperiti dal sito internet dello U.S. Department of Energy [36] alla sezione Weather Data in cui sono disponibili file relativi a numerose località nel mondo.
Le principali informazioni sulle condizioni climatiche contenute in un file climatico sono:
- la latitudine e la longitudine della località selezionata;
- la distribuzione oraria dei valori della temperatura esterna;
- l’andamento orario della radiazione solare;
- l’andamento orario della direzione e della velocità dei venti.
I materiali di copertura
L’analisi merceologica e bibliografica circa i materiali utilizzati per la copertura delle serre ha permesso di individuare due differenti materiali: un vetro ed un film plastico. I materiali scelti sono: il vetro Hortiplus N® prodotto dalla Van Looveren [37] ed il film plastico TRE CHIARO® prodotto dalla Pardini S.p.A. [38], i cui datasheet sono stati inseriti rispettivamente negli allegati 3.1 e 3.2. Entrambi sono realizzati e commercializzati per applicazioni nel campo delle coltivazioni in ambiente protetto.
I valori delle proprietà termofisiche settate all’interno del programma di simulazione sono stati desunti dalle schede tecniche fornite dai distributori.
Tra le principali caratteristiche termofisiche da assegnare a ciascun materiale in ambiente Ecotect® troviamo:
- Trasmittanza termica (U-Value)
- Coefficiente di guadagno solare (Solar Heat Gain Coefficient)
- Coefficiente di trasmissione della radiazione visibile (Visible Transmittance)
- Spessore (Thickness)
- Peso (Weight)
Il vetro Hortiplus N® è un vetro float spesso 4 mm, ricoperto sulla faccia esterna da un sottile strato di ossido di stagno che, pur riducendo la trasmissione della radiazione luminosa nel campo del visibile (81%), riduce anche la trasmissione del calore all’esterno della serra. Poiché presenta un buon livello di assorbimento delle radiazioni infrarosse, questo materiale risulta essere anche efficace nel contrastare la formazione di condensa.
Il film plastico TRE CHIARO® è un film in polietilene dallo spessore di 0.2 mm, caratterizzato da un alto grado di trasparenza nel campo del visibile (91%) ed è indicato per le coltivazioni d’alto pregio e vivai. Inoltre, la versione a luce diffusa è particolarmente adatta alle coltivazioni floreali.
Le proprietà dei due materiali di copertura considerati per le simulazioni sono riportate nella Tabella 14.
Tabella 14 – Proprietà inserite in Ecotect® dei materiali di copertura scelti per le simulazioni.
|
Materiale
|
Vetro
Hortiplus
N® [37]
|
Film
plastico TRE
CHIARO® [38]
|
|
Tipo di elemento settato nel programma di simulazione
|
Window (finestra)
|
Window
(finestra)
|
|
Trasmittanza (W/m2K)
|
3.72
|
5.61
|
|
Coefficiente di guadagno solare
|
0.87
|
0.76
|
|
Coefficiente di trasmissione della radiazione visibile
|
0.81
|
0.91
|
|
Spessore (mm)
|
4.0
|
0.2
|
|
Massa per unità di superficie (kg/m2)
|
9.2
|
0.2
|
I moduli fotovoltaici
I modelli di moduli fotovoltaici selezionati per la Serra d’Arte sono i Revolution 6 Go Green nelle versioni 45-12 e 100-24 (Allegati 2.8 e 2.9), prodotti dalla SUN-Technology [39]. Si tratta di moduli fotovoltaici con celle distanziate e poggiate su un supporto di vetro al fine di consentire il passaggio della radiazione solare. Tra i possibili produttori di moduli fotovoltaici trasparenti sono stati selezionati i moduli fotovoltaici Revolution 6 Go Green in quanto la versione 45-12 è l’unico modulo fotovoltaico con una percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25% in commercio. Le caratteristiche principali di entrambe le versioni di modelli considerati per le simulazioni sono riportate nella Tabella 15.
Tabella 15 – Proprietà dei moduli fotovoltaici scelti per le simulazioni.
|
Modello
|
Revolution 6 Go Green 45-12 [39]
|
Revolution 6 Go green 100-24 [39]
|
|
Potenza di picco (Wp)
|
45
|
100
|
|
Numero di celle
|
12
|
24
|
|
Efficienza modulo (%)
|
3.75
|
8.33
|
|
Efficienza celle (%)
|
15.41
|
17.15
|
|
Dimensioni modulo (mm)
|
2,000 x 600 x 5
|
2,000 x 600 x 5
|
|
Dimensioni celle (mm)
|
156 x 156
|
156 x 156
|
|
Percentuale di ombreggiamento (%)
|
25
|
50
|
Per ottenere dei risultati corretti dalla simulazione, per la modellazione del modulo fotovoltaico è stato necessario considerare le celle fotovoltaiche e la superficie trasparente del modulo fotovoltaico come due entità distinte. Il modulo è stato quindi modellato costruendo le singole celle fotovoltaiche (156 x 156 mm) e costruendo intorno a queste ultime una superficie con opportune caratteristiche termofisiche per riprodurre le lastre di vetro (spessore 5 mm) del modulo fotovoltaico.
Fra le principali proprietà dei materiali precedentemente elencate che è possibile settare in Ecotect®, nel caso dei moduli fotovoltaici si aggiunge anche l’Efficienza (Electrical Efficacy).
I valori delle proprietà settate in Ecotect®, sia delle celle fotovoltaiche che del vetro che le racchiude, sono riportate nella Tabella 16.
Tabella 16 – Proprietà inserite in Ecotect® delle celle e del vetro che costituiscono i moduli fotovoltaici.
|
Elemento
|
Cella
modulo 45-12
|
Cella
modulo 100-24
|
Vetro
moduli fotovoltaici
|
|
Tipo di elemento settato nel programma si simulazione
|
Solar collector
(Pannello solare)
|
Solar collector
(Pannello solare)
|
Window
(finestra)
|
|
Efficienza (%)
|
15.41
|
17.15
|
–
|
|
Trasmittanza (W/m2K)
|
–
|
–
|
5.580
|
|
Coefficiente di guadagno solare
|
–
|
–
|
0.82
|
|
Coefficiente di trasmissione della radiazione visibile
|
0
|
0
|
0.88
|
|
Spessore (mm)
|
–
|
–
|
5
|
|
Dimensioni (mm)
|
156 x 156
|
156 x 156
|
2,000 x
600
|
Modelli virtuali delle serre
Il modello della serra classica è stato costruito in Ecotect® partendo dalle caratteristiche e dalle dimensioni definite precedentemente. Ai materiali del modello così realizzato sono state poi attribuite le proprietà termofisiche dei materiali scelti per la simulazione.
Il modello della Serra d’Arte, ha richiesto, invece, rispetto al modello .3ds fornito dal gruppo di lavoro che ha curato lo sviluppo del suo concept, una riorganizzazione ed una semplificazione al fine di garantire l’esecuzione di una corretta simulazione.
Nel caso del modello della serra classica, come modulo base è stato utilizzato un modulo di 7.20 m di lunghezza e 7.00 m di larghezza della campata, il quale consente l’installazione di 15 moduli fotovoltaici. Per avere delle dimensioni quanto più possibile simili tra la serra classica e la Serra d’Arte, è stato scelto per quest’ultima di utilizzare un modulo base costituito da 3 moduli estensibili, per una lunghezza totale pari a 6.60 m, tale da consentire l’installazione, anche in questo caso, di 15 moduli fotovoltaici.
In Ecotect® è possibile associare ai vari ambienti che costituiscono il modello 3D delle cosiddette “zone termiche” (thermal zones), ciò risulta necessario al fine di garantire una maggiore accuratezza delle simulazioni di tipo termico. Una zona termica deve identificare uno spazio delimitato del modello che definisce un volume di aria chiuso ed omogeneo e, come tale, esso deve essere completamente circoscritto da oggetti piani che definiscono il suoi muri, pavimenti, soffitti o tetti.
Al contorno del modello realizzato è invece associata la cosiddetta “zona esterno” (outside zone). Tale zona rappresenta sempre una zona non termica di volume infinito e la sua temperatura è presa direttamente dalla temperatura di bulbo secco relativa al file dei dati climatici della località caricata nel modello.
A valle di opportune semplificazioni, i modelli rielaborati sono composti esclusivamente da piani, ai quali gli spessori, assieme ad altre proprietà, sono stati assegnati in maniera numerica. I principali modelli creati, mostrati nella Figura 25, sono:
- Serra classica non fotovoltaica (Figura 25a);
- Serra classica fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25% (Figura 25c);
- Serra classica fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 50% (Figura 25e);
- Serra d’Arte non fotovoltaica (Figura 25b);
- Serra d’Arte fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25% (Figura 25d);
- Serra d’Arte fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 50% (Figura 25f).
In relazione alle analisi sulla producibilità elettrica sono stati realizzati anche modelli con falde inclinate a 10°, 20° e 30°.
Figura 25 – Modelli Ecotect® realizzati: a) serra classica non fotovoltaica; b) Serra d’Arte non fotovoltaica; c) serra classica fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25%; d) Serra d’Arte fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25%; e) serra classica fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 50%; f) Serra d’Arte fotovoltaica con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 50%.
3.4 Le simulazioni
L’attività di ricerca è stata volta ad analizzare le prestazioni energetiche di una Serra d’Arte per l’area di Pompei. In mancanza di un file climatico specifico per Pompei, le simulazioni sono state condotte utilizzando il file climatico di Napoli [40] (Lat. = 40.8° N e Long. = 14.3° E).
Le simulazioni effettuate con Ecotect® riguardano essenzialmente le temperature interne alla serra, i livelli di PAR e la loro distribuzione. Successivamente sono stati valutati l’influenza dell’inclinazione e dell’orientamento dei moduli fotovoltaici sulla producibilità elettrica. A tal fine, le simulazioni sono state eseguite sia sul modello di serra classica di riferimento che sulla Serra d’Arte, al variare:
- del materiale utilizzato per la copertura, ossia il vetro Hortiplus N® ed il film plastico TRE CHIARO®;
- della presenza o meno dei pannelli fotovoltaici;
- del differente valore della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici e, di conseguenza, della differente potenza di picco di questi ultimi;
- della diversa inclinazione ed orientamento delle falde.
Le simulazioni per la valutazione dei valori di temperatura e radiazione PAR, sono state condotte su modelli la cui falda ospitante i moduli fotovoltaici fosse orientata verso Sud.
Le Tabella 17 e 18 riepilogano tutte le configurazioni di serra utilizzate per le simulazioni.
Tabella 17 – Configurazioni di serre realizzati in Ecotect® utilizzati per le simulazioni relative a temperature e PAR.
|
Simulazioni
temperature
e PAR
|
Serra
classica
|
Vetro
|
Inclinazione
falda =
20°
|
Non FV
|
Orient. =
0° (SUD)
|
|
FV
Ombregg. =
25%
|
|
FV
Ombregg. =
50%
|
|
Plastica
|
Inclinazione
falda =
20°
|
Non FV
|
|
FV
Ombregg. =
25%
|
|
FV
Ombregg. =
50%
|
|
Serra
d’Arte
|
Vetro
|
Inclinazione
falda =
30°
|
Non FV
|
|
FV
Ombregg. =
25%
|
|
FV
Ombregg. =
50%
|
|
Plastica
|
Inclinazione
falda =
30°
|
Non FV
|
|
FV
Ombregg. =
25%
|
|
FV
Ombregg. =
50%
|
Tabella 18 – Configurazioni di serre realizzati in Ecotect® utilizzati per le simulazioni relative alla producibilità elettrica.
|
Simulazioni
Producibilità
elettrica
|
Serra
d’Arte
|
FV
Ombregg. =
25%
|
Inclinazione
falda =
10°
|
Per ogni
inclinazione della falda sono stati considerati orientamenti da -90° (OVEST)
a 90° (EST) rispetto al SUD con un passo di 10°
|
|
Inclinazione
falda =
20°
|
|
Inclinazione
falda =
30°
|
|
FV
Ombregg. =
50%
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Inclinazione
falda =
10°
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|
Inclinazione
falda = 20°
|
|
Inclinazione
falda =
30°
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Il calcolo delle temperature
Ecotect® è un software pensato per una progettazione finalizzata al comfort termico degli occupanti. Per questo motivo, esso non considera come parametro rappresentativo delle condizioni di comfort il valore della temperatura dell’aria bensì il valore della temperatura operativa. Il valore fornito dalla temperatura operativa tiene conto sia della temperatura dell’aria che dello scambio radiativo con l’ambiente circostante, nonché della velocità dell’aria.
I valori di temperatura forniti dal programma si riferiscono ad un punto posto al centro di ciascuna zona termica del modello analizzato e sono riportati con un time step pari ad un’ora.
Per riprodurre la condizione che vede gli agricoltori rimuovere le chiusure laterali della serra nei mesi dell’anno più caldi al fine di evitare che al suo interno si raggiungano temperature eccessivamente alte, le simulazioni sono state condotte senza considerare le chiusure laterali durante il periodo compreso tra maggio ed ottobre. Le superfici considerate aperte tra maggio ed ottobre sono rappresentate in rosso nella Figura 26. Le rimanenti superfici laterali sono state considerate amovibili, ipotizzando su di esse la presenza delle aperture di accesso alla serra stessa.
Le aperture sono state realizzate all’interno dei modelli sostituendo agli elementi di chiusura laterali dei moduli-serra, degli elementi void (vuoto) privi di massa, completamente trasparenti e che non ostacolano il passaggio di aria.
Figura 26 – Serra classica e Serra d’Arte con pareti laterali rimosse.
Sono state quindi effettuate due serie di simulazioni, la prima considerando la presenza delle chiusure laterali per il periodo compreso tra novembre e dicembre e tra gennaio e aprile, la seconda ipotizzando la rimozione delle chiusure laterali per i restanti mesi dell’anno. Per ciascuna configurazione di serra, i valori della distribuzione di temperatura delle due serie di simulazioni sono state integrate in un foglio di calcolo per le successive elaborazioni. I risultati ottenuti dalle varie simulazioni per la Serra d’Arte e quella classica sono stati confrontati in termini di temperatura massima e temperatura minima media mensile. I due valori di temperatura (minimo e massimo) sono stati calcolati partendo dalla distribuzione oraria delle temperature e per ogni giorno dell’anno sono stati estrapolati i valori massimi e minimi giornalieri della temperatura. Successivamente i valori massimi e minimi di temperatura giornalieri di ciascun mese sono stati mediati per ottenere un valore di temperatura medio mensile massimo e minimo. I risultati sono stati restituiti sotto forma di grafico, come quello mostrato in Figura 27, in modo da poter confrontare i risultati relativi ad ogni configurazione di serra simulata.
Figura 27 – Grafico annuale dei valori medi delle temperature massime e minime di ogni mese.
Il calcolo dei livelli di PAR
Ecotect® permette di calcolare (oltre ai livelli di radiazione solare totale) i livelli di PAR incidenti su di una superficie del modello o su di una griglia di analisi (analysis grid) posta al suo interno. La griglia di calcolo sulla quale valutare i valori di PAR dovrebbe essere rappresentativa della superficie superiore delle colture; si è ipotizzato di posizionare la griglia di calcolo ad un’altezza di 0.80 m dal suolo. I livelli medi di PAR sono stati calcolati in ogni vertice della griglia di calcolo per ogni mese dell’anno; i valori così ottenuti rappresentano la quantità di radiazione PAR che mediamente nel mese considerato raggiunge ciascun vertice della griglia di calcolo. La Figura 28 mostra un tipico esempio di calcolo della distribuzione di PAR all’interno della serra.
I risultati della simulazione sono stati confrontati in termini di livello medio mensile di PAR, calcolato, per ciascun mese, partendo dai valori forniti dal programma di simulazione per ciascun vertice della griglia di calcolo ed effettuandone una media spaziale. I valori del livello medio di PAR relativi ad ogni mese sono stati infine convertiti [41] da MJ/m2/d in W/m2 e quindi restituiti sotto forma di grafico.
Figura 28 – Esempio di calcolo della distribuzione della PAR.
Il calcolo della producibilità elettrica
Il calcolo della producibilità elettrica effettuato restituisce la quantità di energia elettrica, espressa in Wh, prodotta nell’arco di un anno dai moduli fotovoltaici inseriti nel modello. Il valore ottenuto è la somma dalla produzione elettrica oraria in ognuna delle 8,760 ore che compongono un anno.
La valutazione dell’influenza dell’orientamento e dell’inclinazione dei moduli è stata effettuata prendendo in considerazione la Serra d’Arte ed i calcoli sono stati effettuati tenendo conto di diversi orientamenti della struttura, ossia rivolgendo la falda su cui sono installati i moduli fotovoltaici da 90° (EST) a -90° (OVEST) passando per il SUD con un passo di 10°, come mostrato in Figura 29.
Figura 29 – Schizzo schematico dei diversi orientamenti per i quali è stata calcolata la producibilità elettrica.
Inoltre, sono stati considerati anche diversi valori dell’angolo di inclinazione delle falde (10°, 20° e 30° rispetto al piano orizzontale). L’angolo di inclinazione o tilt delle falde b è definito come l’angolo compreso tra il piano orizzontale ed il piano della falda, come mostrato in Figura 30.
Figura 30 – Schema dell’angolo di inclinazione della falda.
La producibilità elettrica calcolata considerando un singolo modulo base della Serra d’Arte è stata successivamente divisa per la superficie proiettata a terra della serra, in modo da avere un valore di energia elettrica prodotta per unità di area in pianta che potesse essere utilizzato per ottenere un valore indicativo dell’energia elettrica teoricamente producibile da un impianto di dimensione qualsiasi.
A tal proposito, occorre precisare che, facendo riferimento alle indicazioni fornite dalla norma CEI 82-25 [42] sulle distanze minime atte ad evitare fenomeni di ombreggiamento reciproco fra schiere parallele di pannelli fotovoltaici, mentre la serra classica presenta falde la cui larghezza è tale da garantire che non ci sia ombreggiamento reciproco fra le varie file di pannelli anche nel caso di moduli-serra disposti in file in adesione, nel caso della Serra d’Arte, poiché la falda dotata di moduli fotovoltaici è significativamente più grande rispetto all’altra, risulta necessario frapporre uno spazio di almeno 0.65 m tra una fila di serre e la successiva perché non si abbia ombreggiamento reciproco ponendo i moduli fotovoltaici con un’inclinazione di 30°. Nel calcolo della superficie proiettata a terra dalla Serra d’Arte, dunque, è stata considerata, oltre alla superficie effettivamente proiettata a terra, una ulteriore fascia profonda 0.65 m e larga quanto l’intero modulo-serra, come schematizzato in Figura 31.
Figura 31 – Schizzo schematico dell’area proiettata a terra dalla Serra d’Arte comprensivo della fascia supplementare atta ad evitare l’ombreggiamento reciproco fra i pannelli fotovoltaici di serre contigue.
4. Risultati
Al fine di verificare il corretto comportamento della Serra d’Arte dal punto di vista energetico sono state condotte simulazioni per valutare l’andamento della temperatura operativa all’interno della serra e dei valori di PAR al variare della materiale di copertura: vetro [37] o film plastico [38], della presenza o meno di moduli fotovoltaici e della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici. L’utilizzo di file climatici ha consentito di effettuare le simulazioni considerando andamenti annuali della temperatura esterna e della radiazione solare realistici e rappresentativi dell’area in cui si è ipotizzato di installare la nuova serra.
I risultati della simulazione ottenuti per la Serra d’Arte fotovoltaica e non sono stati quindi confrontati con quelli ottenuti per il modello di serra classica fotovoltaica e non di riferimento.
Successivamente, sono state eseguite ulteriori simulazioni allo scopo di valutare non solo come varia il microclima all’interno della serra durante l’anno, ma anche come varia la producibilità elettrica al variare dell’orientamento, dell’inclinazione e della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici utilizzati.
I risultati ottenuti sono stati analizzati non solo dal punto di vista energetico, ma anche dal punto di vista economico utilizzando il metodo del Simple Payback.
Si è, quindi, ipotizzato di utilizzare le informazioni tecniche ed economiche relative alla Serra d’Arte su una piattaforma GIS e sono stati, infine, realizzati dei render in cui la Serra d’Arte viene contestualizzata all’interno del paesaggio di Pompei.
4.1 Confronto tra i dati ottenuti
Per valutare il comportamento energetico della Serra d’Arte e l’effetto dei moduli fotovoltaici sulle condizioni microclimatiche interne delle serre sono state prese in considerazione varie configurazioni della serra classica e della Serra d’Arte, differenti per materiali di copertura, presenza o meno di moduli fotovoltaici, due diverse percentuali di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici e presenza o meno delle chiusure laterali.
Per valutare, invece, la variazione di energia elettrica annualmente prodotta dai moduli fotovoltaici al variare dell’inclinazione e dell’orientamento dei moduli, mediante il software Ecotect® è stata valutata la radiazione solare incidente sulla superficie dei moduli fotovoltaici considerando una loro inclinazione pari a 10°, 20° e 30° ed orientamenti che vanno da EST (+90°) ad OVEST (-90°) passando per il SUD con passo di 10°.
A valle di un’accurata analisi bibliografica, è stato possibile identificare nella temperatura e nella quantità di radiazione foto-sinteticamente attiva (PAR) i due parametri che maggiormente influenzano la crescita e la produttività delle colture. Alla luce di tali informazioni, la validità della Serra d’Arte, come sostituta delle più tradizionali forme di serre, è stata valutata proprio sulla base di questi due parametri; a tal fine, i risultati della simulazione per la Serra d’Arte sono stati confrontati con quelli ottenuti per la serra classica di riferimento.
La Figura 32 mostra il confronto tra i valori della temperatura operativa media mensile ottenuti per la serra di riferimento e quella d’Arte sulle quali non vi sono moduli fotovoltaici, al variare del materiale di copertura, vetro [37] o film plastico [38]. Per ciascun mese, i valori delle temperature riportate nelle figure sono stati calcolati come media aritmetica dei valori della temperatura operativa massima/minima giornaliera. La figura mostra che, a parità di materiale di copertura, i valori di temperatura operativa all’interno delle due serre risultano essere abbastanza simili. Considerando le temperature massime, la massima e la minima differenza tra i risultati ottenuti per la serra classica e quella d’Arte sono state riscontrate per la serra con copertura in vetro:
- la massima nel mese di luglio, con valori di temperatura pari a circa 49.2 °C e 46.4 °C, rispettivamente, per la serra classica e quella d’Arte;
- la minima nel mese di marzo, con valori di temperatura pari, rispettivamente, a circa 36.2 °C e 36.3 °C per la serra classica e quella d’Arte.
Anche per le temperature minime, la massima e la minima differenza tra la serra classica e quella d’Arte è stata riscontrata per la copertura in vetro:
- la massima nel mese di aprile, con valori di temperatura pari a circa 0.1 °C e -0.5 °C, rispettivamente, per la serra classica e quella d’Arte;
la minima nel mese di ottobre, per il quale i valori di temperatura sono identici e pari a 9.2 °C.
Figura 32 – Variazione della temperatura operativa media mensile all’interno della serra classica e d’Arte non fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
La Figura 33 mostra il confronto tra i valori della temperatura operativa, al variare del materiale di copertura, ottenuti per la serra di riferimento e quella d’Arte, sulle quali è stata ipotizzata la presenza di moduli fotovoltaici Revolution 6 Go Green 45-12 [39] con percentuale di ombreggiamento paria a circa il 25%. I risultati della simulazione mostrano in questo caso un comportamento differente in funzione del tipo di materiale di copertura utilizzato.
Utilizzando il film plastico, le differenze tra la serra classica e quella d’Arte risultano abbastanza simili a quelle ottenute per le serre senza moduli fotovoltaici, mentre, utilizzando come materiale di copertura il vetro, si riscontra una maggiore differenza tra i valori di temperatura calcolati all’interno della serra d’Arte rispetto a quelli riscontrati nella serra classica nel caso di assenza di moduli fotovoltaici.
In generale, la figura evidenzia per la Serra d’Arte una riduzione dei valori delle temperature massime ed un aumento dei valori delle temperature minime rispetto alla serra classica.
Figura 33 – Variazione della temperatura operativa media mensile all’interno della serra classica e d’Arte fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
Nella Figura 34, la Serra d’Arte non fotovoltaica e quella classica non fotovoltaica sono confrontate in termini di radiazione solare foto-sinteticamente attiva (PAR) media mensile. I risultati sottolineano una diversa disponibilità di radiazione PAR in funzione del tipo di materiale utilizzato per la copertura; i valori massimi si riscontrano nel caso in cui venga utilizzato il film plastico, a cui corrisponde un valore del coefficiente di trasmissione della radiazione visibile maggiore (91%), rispetto al caso in cui si utilizza il vetro (81%). Fissato il materiale di copertura, i risultati delle simulazioni mostrano che la quantità di PAR disponibile all’interno della Serra d’Arte ed all’interno di quella classica è pressoché la stessa.
Figura 34 – Disponibilità di radiazione PAR media mensile all’interno della serra classica e d’Arte non fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
La Figura 35 riporta i risultati ottenuti per la Serra d’Arte e quella classica sulle quali è stata ipotizzata la presenza di moduli fotovoltaici trasparenti Revolution 6 Go Green 45-12 [39] con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%. I risultati mostrano una disponibilità di radiazione PAR leggermente inferiore per la Serra d’Arte rispetto a quella classica; tale differenza varia al variare del materiale di copertura e del periodo dell’anno considerato. Per coperture in film plastico, la differenza percentuale in termini di radiazione PAR (calcolata come rapporto tra la differenza della PAR disponibile nella Serra d’Arte ed in quella classica e la radiazione PAR disponibile nella serra classica) varia fra l’1%, nei mesi da novembre a gennaio, ed il 5%, nei mesi da maggio ad agosto; per coperture in vetro la differenza percentuale in termini di radiazione PAR varia fra l’1%, nei mesi da ottobre a gennaio, ed il 3%, nei mesi da aprile a settembre.
Analizzando i risultati delle simulazioni, si evince che la Serra d’Arte fotovoltaica con moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25% riesce a garantire valori di temperatura e quantità di radiazione PAR sufficienti a consentire la corretta crescita del garofano nel periodo di coltivazione definito precedentemente (da marzo a maggio per la semina e da aprile ad ottobre per la fioritura).
Figura 35 – Disponibilità di radiazione PAR media mensile all’interno della serra classica e d’Arte fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
4.2 L’influenza dei moduli fotovoltaici
Per valutare il modo in cui la presenza dei moduli fotovoltaici influenza i valori di temperatura e la quantità di radiazione PAR disponibile all’interno della serra, i dati ottenuti per la Serra d’Arte non fotovoltaica e quella fotovoltaica, con moduli con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%, sono stati messi a confronto per i due materiali di copertura considerati.
La Figura 36 riporta i risultati ottenuti in termini di temperatura operativa media mensile. La figura mostra che quando viene utilizzato il film plastico come materiale di copertura, all’interno della serra non fotovoltaica e quella fotovoltaica si riscontrano valori di temperatura pressoché identici.
Considerando come materiale di copertura il vetro, invece, i risultati mostrano valori di temperatura differenti rispetto alla Serra d’Arte senza moduli fotovoltaici. Essi mostrano che la presenza di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento peri a circa il 25% sulla copertura della Serra d’Arte comporta per le temperature massime una riduzione dei valori con una differenza media percentuale pari a circa il 5.7% rispetto a quelli calcolati per la stessa serra senza moduli fotovoltaici, per le temperature minime un incremento dei valori, con una differenza media percentuale è pari a circa il 25.2%.
Figura 36 – Variazione della temperatura operativa media mensile all’interno della Serra d’Arte non fotovoltaica e la Serra d’Arte fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
Nella Figura 37 sono riportati i risultati ottenuti in termini di radiazione PAR media mensile. Come si evince dalla figura, la radiazione PAR disponibile all’interno della Serra d’Arte fotovoltaica, con moduli caratterizzati da un valore della percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%, è sempre inferiore a quella disponibile all’interno della serra non fotovoltaica, differenza che varia al variare del materiale di copertura e del mese considerato. La differenza maggiore si riscontra per la serra coperta con film plastico, con differenze percentuali che variano tra circa il 5.0% per il mese di dicembre e circa l’11% per i mesi di luglio ed agosto.
Figura 37 – Disponibilità di radiazione PAR media mensile all’interno della Serra d’Arte non fotovoltaica e la Serra d’Arte fotovoltaica al variare del materiale di copertura.
Benché le simulazioni condotte abbiano dimostrato che l’utilizzo di moduli fotovoltaici trasparenti con una percentuale di ombreggiamento pari al 25% garantiscano livelli di radiazioni PAR sufficientemente elevati da garantire la corretta crescita del garofano durante quasi tutto l’arco dell’anno, la potenza elettrica di picco dell’impianto fotovoltaico installabile per unità di superficie risulta molto bassa. Per ottenere una maggiore potenza elettrica installabile per unità di superficie, nelle simulazioni è stato considerato, quindi, anche un modulo fotovoltaico con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%.
La Figura 38 mostra il confronto fra queste due tipologie di moduli fotovoltaici in termini di radiazione PAR.I risultati mostrano che la radiazione PAR disponibile si riduce all’aumentare della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici e che la riduzione maggiore si riscontra per la serra con copertura in vetro, per la quale le variazioni percentuali di PAR variano tra circa il 6.0% per i mesi di dicembre e gennaio e circa il 12% per i mesi di luglio ed agosto.
Figura 38 – Disponibilità di radiazione PAR media mensile all’interno della Serra d’Arte fotovoltaica al variare della percentuale di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici e del materiale di copertura.
4.3 Producibilità elettrica al variare dell’inclinazione e dell’orientamento dei moduli fotovoltaici
Per valutare correttamente la producibilità elettrica annuale ottenibile con le Serre d’Arte fotovoltaiche, è necessario considerare che se da un lato è opportuno orientare verso SUD i moduli fotovoltaici per massimizzare la loro producibilità elettrica annuale, dall’altro è necessario orientare le serre lungo una delle direzioni principali dell’appezzamento di terreno disponibile per massimizzare la superficie utile per la coltivazione.
A tal fine, sono state effettuate delle simulazioni per valutare la producibilità elettrica al variare dell’angolo di inclinazione e di orientamento dei moduli fotovoltaici.
Per rendere i risultati indipendenti dalla potenza di picco dell’impianto fotovoltaico considerato, i valori di energia elettrica annualmente prodotta calcolati per ciascuna configurazione delle serre sono stati adimensionalizzati rispetto alla superficie in pianta della Serra d’Arte fotovoltaica; la superficie in pianta, pari a circa 38.8 m2, è stata valutata come somma del suolo occupato dalla serra d’Arte fotovoltaica e dello spazio tra due schiere parallele di serre atto ad evitare l’ombreggiamento reciproco dei moduli fotovoltaici.
La Figura 39 mostra la producibilità elettrica annua ottenibile per unità di superficie, al variare dell’angolo di inclinazione e di orientamento, considerando i moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%. La figura mostra che:
- per valori dell’orientamento dei moduli compresi tra -40° e 60°, la maggiore producibilità elettrica si ottiene installando i moduli fotovoltaici con un’inclinazione pari a 20°;
per valori dell’orientamento compreso tra -90° e -40° e tra 60° e 90° la maggiore producibilità elettrica si ottiene installando i moduli fotovoltaici con un’inclinazione pari a 10°.
Figura 39 – Producibilità elettrica annua per moduli con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25% al variare dell’inclinazione e dell’orientamento.
La Figura 40 mostra la producibilità elettrica annua per unita di superficie al variare dell’inclinazione e dell’orientamento ottenuta considerando i moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%. La figura mostra un andamento simile a quello ricavato per i moduli fotovoltaici ombreggianti al 25%, sebbene con valori di producibilità pari a più del doppio rispetto a questi ultimi.
Figura 40 – Producibilità elettrica annua per moduli con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50% al variare dell’inclinazione e dell’orientamento.
4.4 Analisi economica
Al fine di promuovere la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, la legislazione italiana individua delle tariffe incentivanti per ogni kWh prodotto da fonte rinnovabile e prevede che il valore di tale incentivo sia funzione della potenza nominale di picco dell’impianto. La stessa normativa prevede un ulteriore incentivo per l’energia elettrica prodotta e consumata in sito.
Ma se da un lato la valutazione dell’energia elettrica annualmente producibile risulta facilmente stimabile, dall’altro la stima della quantità di energia consumata in sito risulta molto difficoltosa in quanto variabile da sito a sito in funzione della tipologia di attività, dalle condizioni climatiche esterne, dalle condizioni climatiche che si vogliono mantenere all’interne della serra e della concomitanza tra la produzione e la richiesta di energia elettrica.
L’analisi economica è stata condotta considerando il metodo del Simple Payback (SPB) che considera i costi di investimento iniziale e il conseguente flusso di cassa annuale. Tale metodo consente di stimare il così detto “Periodo di recupero” o “SPB” che rappresenta la quantità di tempo (in genere misurata in anni) necessaria per rientrare dell’investimento iniziale. Nell’ipotesi di un flusso di cassa costante, il valore del SPB può essere calcolato per mezzo della relazione:
Secondo quanto detto in precedenza, il guadagno annuale conseguibile dalla gestione di un impianto fotovoltaico è influenzato dalla percentuale di energia prodotta che viene autoconsumata in sito. Per comprendere come questo fattore influenzi il valore del SPB, quest’ultimo è stato calcolato per differenti scenari di gestione, ognuno dei quali caratterizzato da differenti percentuali di energia autoconsumata. In presenza di autoconsumo, i ricavi annuali sono stati calcolati come somma dell’incentivo per l’energia prodotta, dell’incentivo per l’energia autoconsumata ed del guadagno dovuto al mancato acquisto di energia elettrica dalla rete elettrica nazionale.
Riguardo ai costi di realizzazione delle serre fotovoltaiche, al fine di condurre un’accurata analisi economica, i costi dei vari componenti sono stati desunti, quando possibile, dai preventivi forniti dai vari costruttori. Per tutti gli altri componenti, i costi sono stati desunti dal prezziario delle opere pubbliche della Regione Campania [43].
Nella Tabella 19 sono riportati i costi per unità di area in pianta presi a riferimento per l’analisi economica.
Il costo della Serra d’Arte è stato stimato considerando dapprima la sua struttura come una struttura standard e quindi calcolandone il costo dai materiali necessari a partire dai costi unitari riportati nel preziario della regione Campania, e successivamente incrementando il prezzo così calcolato del 20% per tenere in conto del maggior costo di manodopera necessaria per realizzare la complessa struttura della Serra d’Arte.
Tabella 19 – Costi unitari considerati per l’analisi economica.
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Voce di costo
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Costo unitario
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Costo impianto FV con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25% per unità di area in pianta di Serra d’Arte (€/m2)
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121.9
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Costo impianto FV con moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 50% per unità di area in pianta di Serra d’Arte (€/m2)
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209.4
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Costo di acquisto/installazione della Serra d’Arte per unità di area in pianta (€/m2)
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60.0
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Costo di acquisto/installazione della Serra classica per unità di area in pianta (€/m2)
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50.0
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Costo di acquisto medio unitario kWh elettrico (€/kWh)
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0.18
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Nella Figura 41 è rappresentato l’andamento del valore del SPB considerando moduli fotovoltaici con percentuali di ombreggiamento pari a circa il 25% ed a circa il 50%, al variare dell’angolo di inclinazione e della percentuale di energia elettrica autoconsumata.
La figura sottolinea che:
- fissato il tipo di modulo, il valore del SPB risulta indipendente dal valore dell’angolo di inclinazione dei moduli fotovoltaici;
- fissata la percentuale di energia elettrica autoconsumata, il valore del SPB diminuisce sensibilmente all’aumentare dalla percentuale di ombreggiamento del modulo fotovoltaico, e quindi della sua potenza nominale. Passando dal modulo fotovoltaico da 45 W a quello da 100 W la diminuzione del valore di SPB varia tra circa 11 anni, con una percentuale autoconsumo pari a 0%, e circa 4 anni, con una percentuale di autoconsumo pari al 100%;
il valore del SPB diminuisce all’aumentare della percentuale di energia autoconsumata.
Figura 41 – Simple Payback per differenti inclinazioni e percentuali di ombreggiamento dei moduli fotovoltaici al variare della percentuale di anergia elettrica autoconsumata rispetto a quella prodotta.
Le Figura 42 e 43 riportano l’andamento dei valori del SPB al variare della percentuale di energia elettrica autoconsumata e della potenza nominale dell’intero impianto fotovoltaico (e quindi della tariffa incentivante ad esso spettante), considerando la presenza di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25% nel primo caso ed a circa il 50% nel secondo caso. Le figure, anche se con valori assoluti differenti, mostrano andamenti simili ed, in particolare, i risultati sottolineano che la differenza tra i valori del SPB al variare della tariffa incentivante considerata si attenua all’aumentare della percentuale di energia autoconsumata. Infatti, dai risultati della Figura 42 si nota che il valore della differenza tra i valori massimi del SPB (calcolati per impianti con potenze elettriche comprese tra 1 kW e 3 kW) ed i valori minimi del SPB (calcolati per impianti con potenze elettriche superiori a 5000 kW) variano tra circa 18.5 anni per una percentuale di autoconsumo pari allo 0% a circa 3.7 anni quando la percentuale di autoconsumo giunge al 100%. La ragione di tale comportamento la si può trovare nel fatto che l’energia elettrica acquistata dalla rete nazionale ha un costo pari a 180 €/MWh, cifra maggiore di circa il 60% rispetto alla tariffa incentivante più alta, spettante agli impianti con potenza nominale compresa tra 1 kW e 3 kW (pari a 111 €/MWh); maggiore è l’autoconsumo minore è il peso che la remunerazione legata alle tariffe incentivanti ha sul ricavo annuale complessivo.
Figura 42 – Simple Payback al variare della percentuale di anergia elettrica autoconsumata e della tariffa incentivante spettante all’impianto fotovoltaico per moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%.
Figura 43 – Simple Payback al variare della percentuale di energia elettrica autoconsumata e della tariffa incentivante spettante all’impianto fotovoltaico per moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%.
4.5 Curve di producibilità della Serra d’Arte
Al fine di consentire una facile stima della producibilità elettrica annuale e del conseguente guadagno economico conseguibile dall’installazione della Serra d’Arte, tutte le informazioni tecnico-economiche sono state sintetizzate in curve di producibilità della Serra d’Arte.
Fissata la tipologia del modulo fotovoltaico e le modalità di gestione economica dell’energia elettrica prodotta, è possibile ottenere delle curve che forniscono una stima dell’energia elettrica annualmente producibile e dei relativi guadagni conseguibili al variare dell’angolo di inclinazione ed orientamento dei moduli fotovoltaici e della superficie totale occupata dall’installazione della Serra d’Arte.
Nella Figura 44 sono ripotate le curve di producibilità della Serra d’Arte considerando che (1) su di essa siano installati i moduli fotovoltaici trasparenti Revolution 6 Go Green 45-12 [39] con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%, (2) l’impianto abbia accesso alle tariffe incentivanti e (3) l’energia prodotta non sia autoconsumata in sito. I range di superficie riportati nel grafico del guadagno, sono rappresentativi dei sei intervalli di potenza per i quali il V Conto Energia definisce le diverse tariffe incentivanti. Gli estremi di ogni range non sono altro che la somma delle superfici proiettate a terra di numeri interi di moduli base di Serra d’Arte ai quali corrispondono (definita la potenza nominale dei moduli fotovoltaici installati) le potenze elettriche per le quali sono definite le tariffe incentivanti. Quindi, variando la potenza nominale dei moduli installati, varieranno anche i range di superficie.
Ipotizzando di voler realizzare un impianto fotovoltaico con la Serra d’Arte su un terreno agricolo con superficie pari a 1000 m2, un’inclinazione dei moduli di 30° ed orientamento dei moduli pari a -20°, entrando nel diagramma di Figura 44 si ricava per esso un valore di producibilità elettrica annua pari a circa 25.5 kWh/m2/anno ed un guadagno pari a circa 2.73 €/m2/anno. Moltiplicando i valori letti per la superficie totale dell’appezzamento di terreno si ricava una produzione elettrica pari a circa 25,500 kWh/anno ed un guadagno pari a circa 2,730 €/anno.
Figura 44 – Curve di producibilità della Serra d’Arte al variare dell’orientamento e dell’inclinazione di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari al 25%.
In maniera analoga, la Figura 45 mostra le curve di producibilità della Serra d’Arte nelle stesse condizioni del caso precedente, ma considerando che su di essa siano installati i moduli fotovoltaici trasparenti Revolution 6 Go Green 100-24 [39] con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%.
Figura 45 – Curve di producibilità della Serra d’Arte al variare dell’orientamento e dell’inclinazione di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari al 50%.
4.6 Esempio applicativo su piattaforma GIS
Una possibile applicazione del lavoro svolto riguarda l’utilizzo del sistema GIS (Geographic Information System).
Un sistema GIS è un sistema informativo computerizzato che permette l’acquisizione, la registrazione, l’analisi, la visualizzazione e la restituzione di informazioni derivanti da dati geografici (geo-riferiti). Si tratta di un sistema informatico in grado di produrre, gestire e analizzare dati spaziali e di associare, quindi, a ciascun elemento geografico una o più descrizioni alfanumeriche.
Nel caso di Pompei, attraverso questo sistema è possibile realizzare un’interfaccia web attraverso la quale l’utente potrà visualizzare tutte le aree in cui sono presenti delle serre, selezionarne una ed ottenere informazioni relative a quella determinata area, come la superficie e l’orientamento (Figura 46a e 46b). Successivamente, l’utente, al fine di valutare gli effetti della sostituzione di una serra convenzionale con la Serra d’Arte fotovoltaica, inserendo ulteriori dati come l’inclinazione delle falde, l’orientamento della serra (nel caso lo si prevedesse diverso rispetto a quello del terreno) e la potenza e l’efficienza dei moduli fotovoltaici, potrà calcolare il numero di moduli base di Serra d’Arte installabili, la potenza massima installabile, l’energia elettrica annualmente prodotta ed i guadagni derivanti da quest’ultima, come mostrato in Figura 47.
Figura 46 – a) Inquadramento dell’area di interesse all’interno del territorio di Pompei; b) Selezione di un’area ed inserimento dei dati di partenza.
Figura 47 – Risultati del calcolo.
4.7 L’inserimento nel paesaggio di Pompei
Pompei rappresenta senza dubbio un patrimonio dal valore culturale immenso ed assolutamente unico al mondo ed in quanto tale merita di essere valorizzato attraverso soluzioni architettoniche che non si limitino ad una mera persecuzione della funzionalità, ma che a questa affianchino anche un lavoro di ricerca finalizzato alla realizzazione di manufatti che siano in sintonia sia dal punto di vista formale che ideologico col suo paesaggio e che si integrino al suo interno in maniera degna e rispettosa della storia millenaria di questo luogo.
Al fine di dare una descrizione di quello che può essere l’impatto visivo della Serra d’Arte nel territorio di Pompei, sono state realizzate delle immagini in cui la Serra d’Arte viene contestualizzata all’interno del paesaggio proprio del comune campano.
Nelle Figura 48 e 49 vengono mostrate rispettivamente delle viste a volo d’uccello e delle viste ravvicinate dell’area presa ad esempio con la presenza delle serre convenzionali e della stessa area con l’installazione della Serra d’Arte, al fine di mettere a confronto l’impatto visivo che le due strutture creano all’interno del paesaggio circostante.
Figura 48 – a) Vista a volo d’uccello dell’area selezionata con la presenza di serre convenzionali; b) Vista a volo d’uccello dell’area selezionata con la presenza della Serra d’Arte.
Figura 49 – a) Vista ravvicinata dell’area selezionata con la presenza di serre convenzionali; b) Vista ravvicinata dell’area selezionata con la presenza della Serra d’Arte.
Le immagini evidenziano come la Serra d’Arte dia l’impressione di una presenza molto meno invasiva sia dal punto di vista geometrico-spaziale sia dal punto di vista cromatico.
I render mostrati in Figura 50 mostrano come la particolare forma della struttura, la presenza delle celle fotovoltaiche, che sembrano sospese nel vuoto, ed i giochi d’ombra che queste creano, fanno sì che la Serra d’Arte trasmetta una sensazione di grande leggerezza e di snellezza, fino a farla sembrare non qualcosa che “occupa” il suolo, ma qualcosa che con esso sembra piuttosto dialogare, come del resto spesso accade per quei manufatti realizzati dall’uomo in cui la ricerca della forma ha svolto un ruolo principale.
Figura 50 – Render della Serra d’Arte contestualizzata nel territorio di Pompei: a) e b) Viste dell’interno; c) Particolare della falda con moduli fotovoltaici.
5. Stazione sperimentale per la valutazione delle prestazioni energetiche di singoli componenti e del sistema serra
Come è possibile desumere dai risultati delle varie simulazioni condotte, la Serra d’Arte fotovoltaica risulta idonea alla coltivazione del garofano anche nel caso in cui vangano utilizzati moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%. Il passo successivo, consiste nella verifica sperimentale dei dati ottenuti dalle simulazioni. A tal fine, è stato ideato un dimostratore da installare presso il Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale della Seconda Università di Napoli al fine di verificare sperimentalmente le funzionalità e le prestazioni energetiche dei singoli componenti e dell’intera Serra d’Arte fotovoltaica.
Il sistema di movimentazione sarà costituito da due strutture circolari collegate tramite ruote che ne consentiranno la reciproca rotazione completa attorno ad un asse. La struttura inferiore avrà la funzione di assicurare l’ancoraggio al suolo di tutto il sistema, mentre la parte superiore (piatto rotante) avrà la funzione di consentire l’ancoraggio della struttura da testare al sistema di movimentazione. In funzione del modo in cui sarà realizzata la parte inferiore, piattaforma di cemento armato oppure struttura metallica da fissare al suolo, essa potrà essere fissa o mobile per poter essere installata in differenti località.
Al di sopra del piatto rotante, sarà presente una struttura rettangolare estensibile che, ampliando l’area utile, consentirà l’installazione contemporanea di due moduli di serra affiancati, ciascuno della dimensione in pianta pari a 4.40 x 5.40 m. Disporre contemporaneamente di due moduli, consentirà di confrontare direttamente due soluzioni progettuali o due materiali di copertura differenti nelle stesse condizioni al contorno.
Le Figura 51 mostrano lo schema del sistema di movimentazione con indicazione della struttura inferiore, del piatto rotante e della struttura rettangolare estensibile.
Figura 51 – a) Struttura di movimentazione chiusa; 2) Struttura di movimentazione estesa.
La Serra d’Arte utilizzata per la stazione sperimentale presenterà degli accorgimenti tecnici che renderanno possibile variare l’inclinazione della falda destinata ad ospitare i moduli fotovoltaici. Oltre a ciò, sulla stessa falda sarà possibile installare dei supporti trasversali aggiuntivi che renderanno possibile l’installazione di moduli fotovoltaici con larghezze differenti. Per consentire le valutazioni delle prestazioni energetiche di differenti materiali di copertura, tutte le chiusure saranno realizzate in modo da permetterne la sostituzione.
La Figura 52 mostra i particolari costruttivi del sistema per la variazione dell’angolo di inclinazione della falda e del sistema per il posizionamento dei differenti materiali di copertura.
Figura 52 – Schizzo schematico dei sistemi per la variazione dell’inclinazione della falda e per la sostituzione dei materiali di copertura.
Per una completa caratterizzazione dei componenti in prova, la stazione sperimentale sarà equipaggiata con sensori di misura atti ad acquisire diverse grandezze fisiche all’esterno ed all’interno di ciascuno dei due moduli di serra. Partendo dalla conoscenza delle condizioni climatiche all’esterno e dei valori di temperatura e radiazione solare all’interno dei moduli, sarà possibile valutare sia il comportamento della serra nel suo insieme, che il comportamento di singoli componenti.
Al fine di caratterizzare completamente le condizioni climatiche esterne, sarà predisposta una centralina climatica composta da:
- sonde di temperatura;
- sonde di umidità;
- sonda di precipitazioni;
- sonde di radiazione solare globale (2 piranometri a termopila – posizionati sulla copertura in posizione verticale e parallela ai moduli fotovoltaici);
- sonda radiometrica per la misura del flusso di fotoni nel campo della fotosintesi della clorofilla PAR (posto sulla copertura della serra);
- sonde di velocità e direzione del vento.
I risultati dell’attività di ricerca hanno evidenziato che per una corretta ed uniforme crescita delle colture, i parametri fondamentali da controllare all’interno della serra sono la temperatura e la quantità e l’uniformità della radiazione PAR disponibile all’interno della serra. Per controllare tali parametri (e le altre grandezze fisiche comunque interessate nel processo di sviluppo delle colture), ciascun modulo di Serra d’Arte sarà equipaggiato con:
- sonde di temperatura (6 termocoppie distribuite uniformemente all’interno della serra);
- sonda radiometrica per la misura del flusso di fotoni nel campo della fotosintesi della clorofilla PAR (6 sonde distribuite uniformemente all’interno della serra);
- sonde di radiazione solare globale (6 sonde distribuite uniformemente all’interno della serra);
- sonda di temperatura ed umidità relativa (posta al centro della serra);
- sonda di velocità del vento (posta in prossimità delle aperture);
- wattmetro (per la misura della corrente prodotta dai moduli fotovoltaici).
Nella Figura 53 è riportata la rappresentazione schematica della disposizione dei sensori per la misura delle condizioni climatiche esterne, mentre nella Figura 54 è riportato lo schema di disposizione dei sensori per la misura delle condizioni climatiche all’interno della serra.
Figura 53 – Schizzo schematico della disposizione dei sensori di misura esterni.
Figura 54 – Schizzo schematico della disposizione dei sensori di misura interni.
I valori di tutte le grandezze saranno registrati su datalogger locali e trasmessi alla stazione di analisi del laboratorio.
Se da un lato la stazione sperimentale consentirà di caratterizzare e confrontare sperimentalmente le caratteristiche termofisiche di differenti materiali e di valutare le prestazioni di varie soluzioni progettuali al variare delle condizioni operative, dall’altro essa potrà essere utilizzata sia come strumento di sensibilizzazione verso le tematiche ambientali e del risparmio energetico, che come dimostratore del funzionamento di materiali e componenti innovativi. A tal fine, oltre al sistema di registrazione di tutte le grandezze fisiche controllate, la stazione sperimentale sarà dotata di un pannello LCD sul quale saranno visualizzati i valori istantanei assunti dalle seguenti principali grandezze fisiche:
- potenza elettrica;
- energia elettrica;
- emissioni di CO2 equivalenti evitate.
La Figura 55 mostra una vista globale della stazione sperimentale equipaggiata con gli strumenti di acquisizione delle grandezze fisiche esterne ed interne ed il display per la visualizzazione dei valori istantanei di funzionamento dell’impianto fotovoltaico.
Figura 55 – Vista globale della stazione sperimentale.
Come descritto precedentemente, la stazione sperimentale consentirà la sperimentazione su differenti tipologie di moduli fotovoltaici. Per tener conto di eventuali sfasamenti tra produzione e richiesta elettrica, nonché dei vincoli sulla qualità dell’energia elettrica che è necessario rispettare perché essa possa essere immessa sulla rete elettrica nazionale, la stazione sperimentale sarà dotata di un sistema di accumulo della energia elettrica.
Per il consumo dell’energia elettrica prodotta od accumulata, sarà predisposto un sistema di apparecchi di illuminazione che potrà essere utilizzato come sorgente luminosa ausiliaria per le colture all’interno della serra.
Infine, per consentire la realizzazione di prove sperimentali per la valutazione degli effetti che le varie soluzioni progettuali e i differenti componenti avranno su differenti colture, la stazione sperimentale sarà dotata anche di un impianto di irrigazione.
Il render di Figura 56 mostra la vista ravvicinata della stazione sperimentale installata presso il Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale della Seconda Università di Napoli.
Figura 56 – Vista ravvicinata del dimostratore installato presso il Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale della Seconda Università di Napoli.
Conclusioni
L’attività di ricerca ha avuto come obiettivo principale quello di effettuare una valutazione delle prestazioni energetiche di una Serra d’Arte fotovoltaica pensata per l’area di Pompei tramite il software di simulazione Ecotect.
L’attività è partita con un’analisi merceologica, dei vincoli e dei best cases per definire lo stato dell’arte delle serre fotovoltaiche. Sono stati definiti i vincoli che è necessario rispettare affinché una serra fotovoltaica possa accedere alle incentivazioni per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili ed affinché la presenza dei moduli fotovoltaici non vada a compromettere la corretta crescita delle colture sottostanti. Successivamente, l’analisi si è focalizzata sull’area di Pompei per definire le colture maggiormente diffuse sul territorio.
A valle dell’analisi condotta nella prima fase dell’attività di ricerca, sono state definite le caratteristiche di una serra definita “classica”, da utilizzare come sistema di riferimento per la valutazione delle prestazioni energetiche della Serra d’Arte, serra dalle forme innovative, e la verifica del suo potenziale utilizzo per la coltivazione dei garofani.
A tal fine, nel programma di simulazione Ecotect® Analysis sono stati creati dei modelli virtuali di entrambe le tipologie di serra. Con essi sono state effettuate delle simulazioni che hanno permesso di valutare gli andamenti delle temperature e dei livelli di radiazione foto-sinteticamente attiva (PAR) disponibili al loro interno considerando due diversi materiali di copertura (vetro e film plastico), la presenza o meno di moduli fotovoltaici installati su una delle falde di copertura e moduli fotovoltaici con due differenti valori della percentuale di ombreggiamento.
Utilizzando lo stesso software è stata valutata la producibilità elettrica annua al variare dell’orientamento e dell’inclinazione dei moduli fotovoltaici e della loro percentuale di ombreggiamento.
Sulla base dei risultati di producibilità ottenuti, e delle tariffe incentivanti previste per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, utilizzando il metodo del Simple Payback è stata effettuata un’analisi economica per valutare il periodo di ritorno dell’investimento legato all’installazione della Serra d’Arte fotovoltaica.
Successivamente, I risultati delle simulazioni sono stati utilizzati per ipotizzare un’interfaccia web GIS con la quale fornire ai produttori agricoli una stima dei guadagni che è possibile ottenere con la sostituzione delle proprie serre con la Serra d’Arte.
Infine, sono state fornite le indicazioni per la realizzazione di una stazione sperimentale che funga da dimostratore da installare presso il Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale della Seconda Università di Napoli al fine di verificare sperimentalmente le funzionalità e le prestazioni energetiche dei singoli componenti e dell’intera Serra d’Arte fotovoltaica..
I risultati delle simulazioni condotte per valutare la distribuzione dei valori di temperatura e dei valori di radiazione PAR all’interno delle varie configurazioni di Serra d’Arte e serra classica hanno evidenziato che:
- a parità di materiale di copertura, i valori di temperatura all’interno della serra classica non FV e della Serra d’Arte non FV risultano simili, con differenze leggermente maggiori registrate nel caso di copertura in vetro;
- la presenza di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25% modifica la distribuzione dei valori di temperatura all’interno della Serra d’Arte fotovoltaica rispetto a quella classica fotovoltaica, e che tale variazione risulta più accentuata per le temperature massime nel caso in cui si utilizzi il vetro come materiale di copertura, con una differenza media pari a circa 1.5 °C;
- in generale, la presenza dei moduli fotovoltaici provoca un abbassamento delle temperature massime ed un innalzamento delle temperature minime. Le variazioni maggiori sono state riscontrate per la Serra d’Arte con copertura in vetro, con una differenza media pari a circa 2.0 °C e circa 0.8 °C, rispettivamente, per le temperature massime e minime;
- in assenza dei moduli fotovoltaici, la serra classica e la Serra d’Arte presentano la stessa disponibilità di radiazione PAR;
- l’utilizzo del film plastico come materiale di copertura consente di ottenere una maggiore disponibilità di radiazione PAR all’interno di entrambi i modelli di serra, grazie al valore maggiore del coefficiente di trasmissione della radiazione visibile (91%) rispetto a quello del vetro (81%);
- in presenza di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 25%, vi è una disponibilità di radiazione PAR leggermente inferiore per la Serra d’Arte rispetto a quella classica. Tale differenza varia al variare del materiale di copertura e del periodo dell’anno considerato e risulta maggiore nel caso di copertura in film plastico con differenze percentuali variabili tra 1% ed il 5%.
I risultati ottenuti evidenziano differenze massime, tra la Serra d’Arte fotovoltaica con moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari al 25% e la serra classica non fotovoltaica, in termini di temperatura pari a circa 4.9 °C e circa 1.7 °C, rispettivamente, per i valori di temperatura massimi e minimi ed in termini di radiazione PAR pari a circa l’11 %. Confrontando tali variazioni con i valori ottimali per la crescita del garofano, si può dedurre che la Serra d’Arte fotovoltaica, con moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari al 25%, risulta idonea alla corretta crescita del garofano nel periodo di riferimento considerato (tra marzo ed ottobre).
L’utilizzo di moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50% piuttosto che pari a circa il 25%, provoca una diminuzione dei livelli di radiazione PAR all’interno della Serra d’Arte che varia al variare del materiale di copertura e del periodo dell’anno considerato; le differenze maggiori di riscontrano nel caso di copertura in vetro con riduzioni che variano tra circa il 6% e circa il 12%.
Installando moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari al 50%, a fronte di un consistente incremento nella produzione annua di energia elettrica, si riscontra un’ulteriore variazione delle condizioni microclimatiche interne alla Serra d’Arte fotovoltaica, specialmente in termini di radiazione PAR. Tuttavia tali variazioni consentono ancora una corretta crescita dei garofani nel periodo di riferimento considerato.
In relazione alla producibilità elettrica, le simulazioni hanno mostrato che:
- la producibilità elettrica è fortemente influenzata dall’angolo di orientamento ed di inclinazione dei moduli fotovoltaici;
- la massima produzione di energia elettrica si ottiene con orientamenti compresi tra 0° (SUD) e 30° (SUD-SUD-EST) ed un’inclinazione delle falde pari a 20°;
- utilizzando moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento pari a circa il 50%, si ottiene una produzione di energia elettrica superiore al doppio rispetto al caso in cui vengono utilizzati moduli con percentuale di ombreggiamento pari al 25%.
Dal punto di vista economico, i risultati hanno sottolineato che il tempo di ritorno dell’investimento è fortemente influenzato dalla potenza elettrica del modulo fotovoltaico, dalla tariffa incentivante, dal costo del kWh elettrico acquistato dalla rete elettrica nazionale e dall’energia elettrica autoconsumata in sito rispetto a quella prodotta. Infatti:
- al crescere della potenza elettrica dei moduli fotovoltaici i valori del SPB diminuiscono, passando da circa 46 anni a circa 34 anni, rispettivamente, per moduli con potenza nominale pari a 45 W e 100 W, nel caso in cui l’energia elettrica prodotta non sia autoconsumata;
- all’aumentare della percentuale di energia autoconsumata i valori del SPB diminuiscono, passando da circa 34 anni a circa 11 anni, rispettivamente, per percentuale di energia elettrica autoconsumata pari a 0% e 100%, per moduli con potenza nominale pari a 100 W;
- all’aumentare della percentuale di energia autoconsumata il valori del SPB diventano sempre più indipendenti dalla valore della tariffa incentivante prevista per l’impianto fotovoltaico.
Anche dal punto di vista estetico, infine, i render di contestualizzazione hanno evidenziato che le Serre d’Arte fotovoltaiche rappresentano, rispetto ad una serra convenzionale, una soluzione caratterizzata da una maggiore integrabilità nel paesaggio di Pompei.
I risultati ottenuti hanno consentito non solo di valutare le prestazioni energetiche di una Serra d’Arte fotovoltaica rispetto alle serre classiche disponibili in commercio, ma ha anche fornito indicazioni su come massimizzare tali prestazioni. I dati ottenuti hanno evidenziato l’opportunità di usare il film plastico come materiale di copertura con moduli fotovoltaici con percentuale di ombreggiamento del 50%. Le simulazioni hanno, inoltre, fornito indicazioni sul valore ottimale dell’angolo di inclinazione e di orientamento dei moduli; per entrambe le tipologie di moduli fotovoltaici analizzati, la massima producibilità elettrica annua si ottiene con inclinazione pari a 20° ed orientamento pari a 20°.
L’analisi, infine, ha evidenziato l’importanza fondamentale di garantire una rilevante percentuale di energia autoconsumata al fine di garantire periodi di ritorno compatibili con l’investimento.
Da tutto ciò è possibile affermare che le Serre d’Arte fotovoltaiche, attraverso una buona progettazione, possono rappresentare effettivamente una soluzione non solo praticabile, ma che mostra potenzialità di sviluppo molto interessanti sia dal punto di vista ambientale che economico.
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Allegati
Allegato 2.1 – Azimut – AZM486 PM-T
Allegato 2.2 – BISOL – Serie Lumina policristallini
Allegato 2.3 – BISOL – Serie Lumina monocristallini
Allegato 2.4 – Brandoni – Vetro/Vetro
Allegato 2.5 – Brandoni – Backsheet trasparente
Allegato 2.6 – Ferrania Solis – Clear AP 30
Allegato 2.7 – Primitech – GETWATT see-through NLS
Allegato 2.8 – SUN technology – Revolution 6 Go green 45-12
Allegato 2.9 – SUN technology – Revolution 6 Go green 100-24
Allegato 2.10 – V-Energy – Serie 100-200 VE136PVTT
Allegato 3.1 – Van Looveren – Vetro Hortiplus N
Allegato 3.2 – Pardini – Film plastico TRE CHIARO
