Lo stesso Sistema di copertura BIPV può guastarsi in tre modi completamente diversi se installato in tre posizioni diverse.
Nei siti costieri, la corrosione è il rischio principale. Nei deserti, le alte temperature e la polvere hanno il loro prezzo. Ad alta quota, le intense radiazioni UV e i carichi di neve diventano le principali preoccupazioni. Questi ambienti impongono esigenze diverse, e talvolta contrastanti, alla struttura, all’involucro dell’edificio e ai moduli fotovoltaici.
Molti progetti utilizzano ancora lo stesso design convenzionale della copertura, indipendentemente dalla posizione. Questo approccio può funzionare bene in un clima mite dell’entroterra, ma in ambienti difficili può lasciare irrisolte diverse vulnerabilità. Questo articolo esamina le principali sollecitazioni ambientali, i meccanismi di guasto e le considerazioni minime sulla progettazione per ciascuna impostazione.
Perché gli ambienti difficili sono un vero stress test per il BIPV
Tre ambienti, tre percorsi di fallimento
La differenza fondamentale tra il BIPV e la copertura convenzionale è che i moduli fotovoltaici stessi fanno parte dell'involucro dell'edificio. Ciò significa che devono svolgere tre funzioni contemporaneamente: generazione di energia, impermeabilizzazione e portanza. Il fallimento in una qualsiasi di queste aree può compromettere le altre due.
La corrosione attacca innanzitutto gli elementi di fissaggio e le piastre di collegamento, seguiti dai telai dei moduli e dalle scatole di giunzione. Le alte temperature riducono l’efficienza della generazione di energia accelerando l’invecchiamento dei materiali di incapsulamento. Le radiazioni UV degradano innanzitutto il backsheet e l'incapsulante, causando potenzialmente guasti all'isolamento nel tempo.
Lo schema comune a tutti e tre i percorsi di fallimento è questo il fallimento raramente avviene all'improvviso. Invece, i danni si accumulano gradualmente durante i primi cinque anni, con problemi che diventano più evidenti tra il quinto e l’ottavo anno.
Perché le pratiche convenzionali di copertura non sono sufficienti
Gli obiettivi primari della progettazione convenzionale delle coperture sono l’impermeabilizzazione e la capacità portante strutturale. La protezione dalla corrosione e l’invecchiamento dei materiali sono spesso valutati sulla base del presupposto di un “ambiente industriale generale”.
Gli ambienti difficili richiedono un approccio diverso. Prendiamo come esempio le aree costiere: per lo stesso componente in acciaio, la protezione dalla corrosione C3 o C4 può essere sufficiente per un progetto nell’entroterra, mentre un progetto entro 500 metri dalla costa può richiedere una protezione C5-M, a seconda delle effettive condizioni di esposizione e degli standard applicabili. Lo spessore del rivestimento richiesto può differire di oltre il doppio, determinando una significativa differenza di costo.
| Ambiente | Fattori di stress primari | Tipiche modalità di guasto | Considerazioni chiave sulla progettazione |
| Costiero | Nebbia salina, ioni cloruro, elevata umidità | Corrosione degli elementi di fissaggio, corrosione delle piastre di collegamento, macchie bianche di corrosione sui telai dei moduli | Categoria di protezione dalla corrosione, spessore del rivestimento, isolamento di metalli diversi |
| Deserto | Alte temperature, sabbia e polvere, forti venti, grandi sbalzi di temperatura | Degrado della potenza erogata, accumulo di polvere sul vetro, danni causati dal vento | Coefficiente di temperatura, dettagli resistenti al vento, accesso per la pulizia |
| Alta quota | Intensa radiazione UV, basse temperature, carichi di neve, grandi escursioni termiche tra il giorno e la notte | Rottura del backsheet, ingiallimento dell'incapsulante, danni dovuti al carico di neve | Resistenza agli agenti atmosferici dei materiali, calcoli del carico di neve, vie di drenaggio |
Progetti costieri: la corrosione è la massima priorità
Cosa significa ISO 12944 C5-M?
Secondo la classificazione della corrosività atmosferica nella norma ISO 12944-2, i siti costieri situati entro 500 metri dalle onde che si infrangono possono rientrare nella categoria C5-M, indicando una corrosività molto elevata, a seconda delle condizioni ambientali effettive.
Non si tratta semplicemente di applicare una protezione leggermente più rigorosa. Negli ambienti C5-M, il tasso di corrosione annuale dell’acciaio al carbonio può essere da cinque a dieci volte superiore rispetto agli ambienti C3. I componenti in acciaio senza un'adeguata protezione possono sviluppare ruggine significativa e perdita di sezione trasversale entro tre-cinque anni.
Requisiti minimi per la selezione del rivestimento e degli elementi di fissaggio
Negli ambienti C5-M, la zincatura a caldo richiede uno spessore di rivestimento sostanzialmente maggiore:
| Categoria di corrosione | Ambiente tipico | Requisiti di spessore del rivestimento in acciaio | Sistema di protezione consigliato |
| C3 | Città dell'entroterra; ambienti industriali generali | 55–70 μm | Zincatura a caldo, oppure primer + finitura |
| C4 | Aree industriali, ambienti costieri mediamente corrosivi | 70–85 μm | Zincatura a caldo + strato intermedio epossidico + finitura poliuretanica |
| C5-M | Entro 500 m dalla costa, ambienti offshore | 85-100 μm (per componenti di spessore superiore a 6 mm); ≥120 μm per componenti di ingegneria navale | Sistema di zincatura a caldo + rivestimento duplex, con spessore totale del film secco ≥ 300 μm |
Gli elementi di fissaggio sono un altro dettaglio che spesso viene trascurato. Negli ambienti C5-M, i normali bulloni zincati possono sviluppare macchie di ruggine entro due o tre anni. Vale la pena prendere in considerazione i dispositivi di fissaggio in acciaio inossidabile 316 oppure è possibile installare rondelle isolanti in punti di contatto di metalli diversi per aiutare a prevenire la corrosione galvanica.
Anche i moduli fotovoltaici hanno requisiti specifici. Un'anodizzazione inadeguata dei telai in alluminio o una sigillatura insufficiente della scatola di giunzione possono portare alla formazione di depositi bianchi di corrosione o all'ingresso di acqua entro due o tre anni.
Progetti nel deserto: la doppia sfida delle alte temperature e della polvere
Temperatura del modulo e perdita di potenza
Negli ambienti desertici, le temperature operative dei moduli fotovoltaici possono raggiungere i 65–70°C. I moduli in silicio cristallino hanno un coefficiente di temperatura di potenza negativo, che in genere varia da −0,25% a −0,35%/°C per i prodotti tradizionali.
Utilizzando un coefficiente di temperatura di -0,3%/°C, la potenza relativa diminuisce di circa il 12% quando la temperatura del modulo aumenta dalla condizione di test standard di 25°C (STC) a 65°C. A 70°C la riduzione si avvicina al 14%.
| Temperatura del modulo | Potenza nominale relativa (a −0,3%/°C) | Descrizione |
| 25°C | 100% | Condizioni di prova standard (STC) |
| 45°C | 94% | Condizioni estive soleggiate nei climi temperati |
| 55°C | 91% | Condizioni estive tipiche in Asia centrale e Medio Oriente |
| 65°C | 88% | Intensa irradiazione solare a mezzogiorno in ambienti desertici |
| 70°C | 86,5% | Condizioni operative estreme |
Quando si selezionano i moduli, le tecnologie TOPCon e HJT di tipo N offrono generalmente coefficienti di temperatura inferiori rispetto ai moduli PERC convenzionali, fornendo potenzialmente un vantaggio nella resa energetica effettiva in condizioni desertiche.
Sporcizia, tempeste di sabbia e sollevamento del vento
La seconda sfida negli ambienti desertici è l’accumulo di polvere. Quando la densità dello sporco raggiunge i 20 g/m², l'efficienza del modulo può diminuire del 15–35%. Le perdite annuali di inquinamento in Medio Oriente possono variare dal 12% al 25%, mentre le aree lungo i margini del Sahara possono subire perdite del 15-30%.
Ciò significa che la pulizia non è facoltativa; si tratta di una spesa operativa ricorrente. La pulizia dei percorsi di accesso, delle passerelle di manutenzione, dei punti di approvvigionamento idrico o dei sistemi di spazzolatura a secco dovrebbero essere tutti incorporati nella progettazione fin dall'inizio.
Il sollevamento del vento è la terza sfida. Le pressioni transitorie del vento associate alle tempeste di sabbia possono essere più gravi di quelle incontrate in condizioni di vento tipiche. La spaziatura dei dispositivi di fissaggio, i dettagli delle giunzioni verticali e la resistenza al sollevamento del vento dei morsetti dei moduli devono essere tutti ricalcolati in base ai carichi del vento locali.
Progetti ad alta quota: radiazioni UV, basse temperature e carichi di neve
Intensità UV e invecchiamento dei materiali
Per ogni aumento di 1.000 metri di altitudine, il filtraggio atmosferico delle radiazioni UV diminuisce, con un conseguente aumento di circa il 10-12% dell’irradianza UV.
Gli impatti principali sui moduli fotovoltaici riguardano i materiali non silicio, compresi i backsheet, le pellicole incapsulanti, la plastica delle scatole di giunzione e l’isolamento dei cavi.
Per i progetti ad alta quota, si consigliano backsheet con rating di resistenza agli agenti atmosferici più elevati. Gli incapsulanti POE o TPO possono essere preferiti rispetto all'EVA convenzionale, a seconda della progettazione del modulo e dei requisiti ambientali. In condizioni di intensa esposizione ai raggi UV, l'EVA può essere più suscettibile all'ingiallimento e alla formazione di acidi.
Le basse temperature sono un vantaggio; I carichi di neve sono un rischio
Le basse temperature possono favorire la produzione di energia. Poiché i moduli fotovoltaici hanno un coefficiente di temperatura negativo, temperature operative più basse possono comportare una potenza in uscita superiore al livello nominale. Nelle giornate soleggiate ad alta quota, la potenza del modulo può superare la potenza nominale di oltre il 10%.
Il rischio maggiore è il carico di neve. I carichi di neve nelle regioni ad alta quota sono spesso sottovalutati, in particolare nelle zone di accumulo vicino a parapetti, grondaie e variazioni di elevazione del tetto. I carichi di neve localizzati potranno raggiungere il doppio del valore medio.
I valori di progetto del carico di neve sia per l’involucro dell’edificio che per la struttura di supporto devono essere ricalcolati utilizzando i dati meteorologici locali piuttosto che adottare valori standard provenienti da progetti a bassa quota.
Tre principi chiave di progettazione
Specificare la protezione dalla corrosione in base all'esposizione più grave
Se un progetto è esposto sia alle condizioni costiere che all’inquinamento industriale, la progettazione dovrebbe seguire i più rigorosi requisiti applicabili di protezione dalla corrosione. Non scendere a compromessi calcolando la media dei due livelli di esposizione.
La relazione tra costi e rischi è chiara: il miglioramento della categoria di protezione dalla corrosione comporta generalmente un costo aggiuntivo gestibile, mentre le rilavorazioni e i tempi di fermo della produzione causati da guasti per corrosione possono comportare perdite molte volte maggiori.
Abbina la durata utile dell'involucro edilizio a quella dei moduli fotovoltaici
I sistemi di copertura BIPV sono generalmente progettati per una durata di servizio di circa 25 anni e le garanzie sui moduli fotovoltaici si estendono comunemente a 25 anni.
Se l’involucro dell’edificio ha una vita utile effettiva di soli 15 anni, potrebbe essere necessario rimuovere i moduli fotovoltaici in modo che il tetto possa essere sostituito nell’anno 16, minando il modello economico complessivo del progetto.
La scelta del sistema di copertura dovrebbe quindi essere in linea con la durata prevista dei moduli fotovoltaici, piuttosto che scegliere semplicemente l’opzione più economica e praticabile.
Non applicare dettagli convenzionali senza adattamento
Tre aree sono particolarmente soggette a problemi:
- Contatto tra metalli diversi:Il contatto diretto tra i telai dei moduli in alluminio e gli arcarecci in acciaio zincato può causare corrosione galvanica in ambienti umidi. Utilizzare cuscinetti isolanti o selezionare materiali compatibili per ridurre questo rischio.
- Lacune e percorsi di drenaggio: Polvere e sale possono accumularsi negli spazi vuoti, creando punti comuni di inizio corrosione. I percorsi di drenaggio devono essere progettati per evitare ristagni d'acqua.
- Elementi di fissaggio e guarnizioni:Le rondelle di tenuta sulle viti autofilettanti possono deteriorarsi rapidamente in caso di esposizione ai raggi UV e alle alte temperature, rendendole una frequente fonte di reclami per perdite dal tetto.
Domande frequenti
Q1: Quanto tempo può durare un sistema di copertura BIPV in un ambiente C5-M?
Un sistema di protezione C5-M progettato in conformità con gli standard applicabili (zincatura a caldo + rivestimento duplex, con uno spessore totale del film secco ≥ 300 μm) può raggiungere una durabilità di progetto di 15–25 anni (l'intervallo di durabilità "Molto elevato" definito nella norma ISO 12944-5). La durata effettiva dipende dalla manutenzione. Si consiglia di effettuare ispezioni del rivestimento ogni 3-5 anni.
Q2: I moduli fotovoltaici per progetti nel deserto necessitano di modelli speciali?
Non necessariamente, ma i criteri di selezione differiscono. Dai la priorità ai moduli con coefficienti di temperatura più bassi (TOPCon / HJT di tipo N), vetro più spesso per una migliore resistenza alla sabbia portata dal vento, incapsulanti adatti ad ambienti difficili piuttosto che all'EVA convenzionale e percorsi di accesso dedicati alla pulizia.
D3: Le basse temperature possono causare la rottura dei moduli fotovoltaici ad altitudini elevate?
In generale no. Il vetro dei moduli fotovoltaici può effettivamente avere una resistenza meccanica maggiore alle basse temperature. I rischi reali sono i carichi di neve e il ricongelamento dopo lo scioglimento della neve, che possono causare blocchi di ghiaccio negli scarichi di drenaggio.
D4: Quanto costano di più i progetti in ambienti difficili rispetto ai progetti convenzionali?
Il miglioramento della protezione dalla corrosione da C3 a C5-M può aumentare i costi della carpenteria metallica di circa l’8%–15%, a seconda della superficie del componente e del sistema di rivestimento. Includendo gli elementi di fissaggio migliorati e le differenze nella scelta dei moduli, il costo complessivo del progetto aumenta generalmente di circa il 10%–20%. Queste cifre sono indicative e devono essere verificate rispetto alle condizioni e ai preventivi effettivi del progetto.
D5: Possiamo iniziare con un progetto convenzionale e apportare modifiche se sorgono problemi?
Questo non è raccomandato. Nei sistemi BIPV, i moduli fotovoltaici fanno parte dell’involucro dell’edificio e la loro sostituzione può costare quasi quanto la ricostruzione del tetto. La corrosione e l'invecchiamento dei materiali si sviluppano gradualmente e possono rimanere invisibili durante i primi cinque anni. Nel momento in cui i problemi diventano evidenti, l’integrità strutturale e l’impermeabilizzazione potrebbero già essere compromesse.
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