Un gruppo internazionale di scienziati ha creato un nuovo modello per la valutazione dei pannelli solari fotovoltaici su tetto (RPVSP) nei microclimi urbani.
Il modulo utilizza il più recente modello di ricerca e previsione meteorologica (WRF) integrandovi il modello energetico dell’edificio (BEM) e la parametrizzazione dell’effetto edificio (BEP). Il modello è stato convalidato con dieci stazioni di osservazione a Kolkata, in India, utilizzando modelli convalidati sperimentalmente.
“La letteratura esistente riporta l’impatto dell’RPVSP sull’ambiente urbano, ma la maggior parte si basa su esperimenti sul campo o su simulazioni a scala di edificio, senza un’analisi completa su scala multicentrica. Questi studi trascurano anche il trasferimento di calore convettivo tra la superficie del tetto e il retro dei pannelli solari”, hanno dichiarato i ricercatori. “Il nostro studio affronta queste lacune incorporando nuove parametrizzazioni per gli RPVSP, compreso il trasferimento di calore convettivo, ottenendo risultati più allineati con altri studi che incorporano considerazioni simili”.
L’approccio combinato, denominato modello WRF/BEP + BEM, è in grado di calcolare gli scambi di calore, la quantità di moto, l’umidità e il flusso di energia cinetica turbolenta tra gli edifici e l’ambiente esterno in condizioni atmosferiche stabili. Il modello è stato inizialmente testato nella città indiana di Kolkata e poi convalidato a Sydney, Australia; Austin, Texas, USA; Atene, Grecia; e Bruxelles, Belgio, per garantire che i risultati non siano limitati a una specifica zona climatica.
“Sono stati condotti cinque esperimenti per valutare l’impatto regionale di un’ampia diffusione di RPVSP durante l’attuale mese di canicola a Kolkata. La simulazione di controllo ha utilizzato un’albedo del tetto di 0,15 e nessun RPVSP”, ha spiegato il gruppo. “Gli esperimenti hanno esplorato scenari di RPVSP con frazioni di copertura di 0,25, 0,50, 0,75 e 1,0 sui tetti della città. I parametri standard degli RPVSP, tra cui l’albedo, l’efficienza di conversione e l’emissività, sono stati impostati rispettivamente a 0,11, 0,19 e 0,95”.
Secondo i dati raccolti a Kolkata, gli RPVSP possono aumentare le temperature diurne dell’aria in prossimità della superficie fino a 1,5°C, in quanto assorbono circa il 90% dell’energia solare, convertendone fino a circa il 20% in elettricità, mentre il resto contribuisce al loro riscaldamento. Di notte, invece, la copertura fotovoltaica cittadina completa può ridurre le temperature massime notturne dell’aria vicino alla superficie fino a 0,6°C. Nelle ore di picco del calore, la temperatura della superficie del tetto aumenterebbe fino a 3,2°C e avrebbe un raffreddamento medio di 1,4 durante la notte.
Le temperature dell’aria vicino alla superficie erano simili in tutti i paesi. A Sydney si è registrato un raffreddamento di 0,8°C di notte e un aumento di 1,9°C durante il giorno; Austin ha mostrato un raffreddamento di 0,7°C e un aumento di 1,8°C, mentre Atene ha registrato rispettivamente 0,4°C e 1,2°C. I risultati di Bruxelles hanno mostrato un raffreddamento notturno di 0,3°C e un aumento diurno di 1,1°C.
“Il nostro studio rivela anche che i pannelli solari fotovoltaici sui tetti alterano in modo significativo i bilanci energetici della superficie urbana, i campi meteorologici vicini alla superficie, le dinamiche dello strato limite urbano e le circolazioni della brezza marina”, ha aggiunto il gruppo. “L’innalzamento delle temperature urbane dovuto all’installazione dei pannelli solari fotovoltaici migliora la miscelazione atmosferica inferiore e aumenta l’altezza dello strato limite planetario (PBL) fino a 615,6 m, riducendo l’inquinamento a livello del suolo”. Il PBL rappresenta la parte più bassa dell’atmosfera, che è direttamente influenzata dalla superficie terrestre.
I risultati sono stati presentati nello studio “Rooftop photovoltaic solar panels warm up and cool down cities“, pubblicato su Nature Cities. La ricerca è stata condotta da ricercatori dell’Università indiana di Calcutta, dell’Istituto indiano di tecnologia di Kharagpur, dell’Università di Jadavpur, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) degli Stati Uniti, dell’Università del Texas ad Austin, dell’Accademia cinese delle scienze e dell’Università australiana del Nuovo Galles del Sud.
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