Marco Paggi Assistente Politecnico di Torino DIpartimento di Ingegneria strutturale

Assistant Professor of Structural Mechanics
Dept. of Structural, Geotechnical and Building Engineering
Politecnico di Torino

A cura di Nicolò Teglia- Intervista all’Ing. Marco Paggi ( Assistant Professor of Structural Mechanics
presso Dept. of Structural, Geotechnical and Building Engineering – Politecnico di Torino)

Da molto tempo ormai si dibatte in Italia e all’estero sull’impiego dei pannelli fotovoltaici come fonte di energia alternativa. Cuore del dibattito, oltre ad efficienza ed impatto ambientale, la durabilità dei pannelli fotovoltaici nel quale l’industria della green economy sta investendo e sul quale moltissimi ancora si interrogano.  Zwick è al Politecnico di Torino, presso il Dipartimento di Ingegneria strutturale e geotecnica con l’Ing. Paggi* vincitore dell’ ERC Starting Grants 2011 con il suo progetto “Multi-field and multi-scale Computational Approach to design and durability of PhotoVoltaic Modules.” che rappresenta l’eccellenza nel panorama della ricerca italiana.

Buongiorno Dott. Paggi, il suo progetto è arrivato primo tra tanti. Terza volta che ad un italiano viene conferito nell’ambito dell’ingegneria strutturale. Concorso istituito a livello europeo dall’ERC (European Research Council) con quale scopo?

Il concorso ambisce a premiare i migliori progetti che perseguano attraverso la ricerca l’obiettivo di influenzare le tecnologie esistenti in grado di migliorare la qualità della vita dell’essere umano. L’ERC (European Research Council) si impegna a sostenere e quindi finanziare i progetti più promettenti ed ambiziosi ( 500 circa i progetti finanziati nel 2011) in diversi ambiti, dalla fisica alla chimica, arrivando nel mio caso all’ingegneria strutturale. La persona che presenta il progetto oltre ad avere un curriculum di tutto rispetto e un’eccellente proposta di ricerca, deve vantare dai 5 ai 7 anni di esperienza dopo il dottorato e garantire che le attività di ricerca siano svolte presso un’organizzazione di ricerca pubblica o privata situata in uno degli stati membri dell’Unione Europea.
Il mio progetto sulla durabilità dei pannelli fotovoltaici è stato ritenuto di elevato interesse dall’ ERC ed ha ricevuto un finanziamento di circa 1,5 milioni di euro.

Rendimento pannelli fotovoltaici

Rendimento pannelli fotovoltaici. Photovoltaics (CC)

 

Di quale progetto si tratta?

Da anni ormai l’industria si interroga su come migliorare l’efficienza dei pannelli fotovoltaici in termini di resa che la cella ha di trasformare la luce incidente in energia elettrica. In pochi, però, si sono interrogati sulla durabilità nel tempo dei pannelli e quindi in termini pratici sulla sua capacità nel tempo di produrre energia. Il Materiale su cui si concentra la ricerca è il silicio policristallino che compone le celle di silicio inserite nei pannelli solari. Parliamo di circa 60 celle, sottili 0,2 mm delle dimensioni di 15x15cm che insieme formano il pannello solare che possiamo acquistare sul mercato. Il problema più rilevante è appunto la durata nel tempo del pannello. Il silicio che di fatto ha tradizione nell’ingegneria elettronica, è un materiale con cui non si riesce a superare un’efficienza del 16-18%.  Oggi acquistiamo un pannello fotovoltaico e abbiamo molte meno certezze e garanzie sulla sua durabilità. Si prevede ad esempio che dopo 10 anni si abbia una perdita del 10% nella sua resa e possa raggiungere il 20% in 20 anni  il che è significativo per un sistema che è già inizialmente non particolarmente efficiente.

Un nuovo laboratorio per il vostro progetto che durerà?

5 anni. Il progetto è cominciato a Dicembre 2012 e prevede sia una parte modellistica di meccanica computazionale per i compositi fotovoltaici che una importante componente sperimentale. Per quest’ultima sto sviluppando presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica del Politecnico di Torino un nuovo laboratorio equipaggiato con attrezzature scientifiche con caratteristiche di unicità nel panorama italiano dove la macchina di prova Zwick avrà un ruolo fondamentale. L’idea è di eseguire la caratterizzazione dei materiali alle diverse scale, a partire da quella del micron o sub micron con un microscopio a scansione elettronica dotato di stage tensile, sino alla dimensione di mini-moduli fotovoltaici.

Quali sono le prove che effettuerete all’interno del vostro laboratorio?

Per studiare la durabilità delle celle effettueremo dei test di prova su mini-moduli, realizzati appositamente, del tutto identici a quelli dei pannelli fotovoltaici, composti in genere da 3 celle di silicio. Parliamo di prove di flessione. L’idea è quella di testare questi elementi strutturali con la macchina di prova equipaggiata di camera climatica e monitorare i test con una termocamera di precisione e con la tecnica di correlazione degli spostamenti. Effettueremo quindi dei test sulle celle di silicio, materiale molto fragile per il quale abbiamo richiesto a Zwick un telaio molto rigido orientandoci nella scelta alla categoria Allround , la più prestazionale che ci permette di eseguire prove anche in ambito dinamico con una velocità di applicazione del carico sia statica che dinamica.

macchina di prova zwick

Zwick Z010 con camera climatica

Cosa vi ha convinto ad affidarvi a Zwick nella scelta tra gli strumenti da laboratorio della nostra macchina di prova Z010?

L’esperienza di Zwick nel fotovoltaico per prove di adesione o prove di  strappo  è stata sicuramente importante. Questi tipi di test, infatti, in futuro potrebbero interessare anche al progetto. La possibilità, inoltre, di aggiungere alla macchina di prova ulteriori accessori idonei a questo tipo di test  in un secondo momento, ci è stata offerta solo da Zwick.
Sulle attrezzature di questo tipo si fanno sempre gare, ma oltre all’offerta economica quella di Zwick si è dimostrata la migliore anche dal punto di vista tecnico-scientifico. Le prestazioni richieste, alle quali Zwick ha risposto con un prodotto al top della gamma tra gli altri produttori invitati al bando sono state sicuramente determinanti. La rigidità del telaio, ad esempio, è indispensabile per fare questo tipo di test anche a regime dinamico, ed infine l’ottimo rapporto qualità prezzo.

A cosa è dovuta la scelta della Camera climatica?

Nel progetto per questo tipo di problematiche i cicli termici e le variazioni termiche sono fondamentali. Abbiamo materiali che compongono i moduli le cui proprietà meccaniche dipendono fortemente dalla temperatura. Il modulo elastico del polimero incapsulante le celle, molto soft ad alte temperature, ma molto rigido a – 20 °C  risente delle condizioni climatiche che facilmente nell’arco dell’anno si verificano, sul tetto di casa o negli spazi esterni dove i moduli vengono installati. Faremo dei test meccanici in condizioni ambientali al variare della temperatura. Con la camera climatica che già abbiamo in Dipartimento faremo dei test di invecchiamento termico. Tuttavia, l’attrezzatura che disponevamo non ci permetteva di effettuare dei test meccanici al variare della temperatura. Con la macchina di prova attrezzata di camera termostatica saremo in grado di effettuare queste prove meccaniche per valutare la resistenza dei componenti alla frattura sia in condizioni climatiche tipiche del caldo estivo che del gelo invernale.

 

Link utili:

Prove su fotovoltaici Zwick
Pubblicazione, Gennaio 2013 “ A multi-physics and multi-scale numerical approach to microcracking and power-loss in photovoltaic modules “
Marco Paggi
DISEG (Politecnico di Torino)
ERC