Energie rinnovabili,
per “imparare facendo”
Utilizzo delle fonti alternative per piccole esperienze di fisica applicata.
Di tutti gli aspetti ecologici, la parte dedicata alle energie rinnovabili rimane, per un educatore la più difficile da presentare o comunque, sulla quale si incontrano diverse difficoltà nel realizzare esperienze pratiche e coinvolgenti.
Si tratta però di pensarci un attimo, di avere un minimo di preparazione pratica, per arrivare a proporre attività energetiche accattivanti e che riescono effettivamente a dimostrare un appropriato utilizzo dell’energia.
Per una più immediata operatività, ben si adatta a questo scopo, l’arte del recupero, del riuso, per utilizzare quelle parti di oggetti, macchinari obsoleti o non più funzionanti altrimenti destinati alla discarica.
Prima di lanciarci in questa avventura esplicativa della didattica delle energie rinnovabili, vorrei presentarvi due libri che, credo, siano veramente importanti per il nostro scopo, anche se con approcci diversi.
Il primo “Le energie rinnovabili sulla punta delle dita”, realizzato nel 2001 dal WWF Italia Settore educazione“e da due associazioni francesi Assem (per l’animazione scientifica) e Enerplan (professionisti del settore rinnovabile). Si tratta di schede operative basate sul metodo interattivo che viene dalla pedagogia del progetto. In sostanza è quello “dell’imparare facendo” caro, qualche anno fa, alla disciplina che insegno, Educazione Tecnica; oggi viene chiamato PBL, Project Based Learning, più usato per la progettazione informatica e l’uso di queste macchine, che a mio avviso devono essere trattate come strumenti utili non idolatrati, necessari per una scorrevole documentazione, che non deve essere solamente presentata, ma fatta propria dagli allievi, all’interno del progetto stesso.
Il testo in sostanza è basato sul metodo di Dewey: Eco nell’inserto “Insegnare Verde” n°41 della primavera 2001, gli ha dato un ampio spazio.
Il secondo “Gli esperimenti facili: energia solare” di Thomas W. Norton ed Muzzio del 1980” presenta una serie di semplici esperimenti di fisica applicata all’energia solare; più teorico, ma conduce bene i lettore, sia alla realizzazione della sperimentazione , che ai successivi calcoli.
I ragazzi, se accompagnati, passo passo nell’osservazione dei fenomeni, arrivano ad ipotizzare, realizzano e sperimentano, misurano, riportano i risultati, verificano, modificano, riprovano.
Ecco quindi che l’abbinamento con l’apprendimento teorico, diventa una conseguenza del loro operare: nella quarta prova dell’esame scritto di matematica, i miei ragazzi di terza media, hanno calcolato il rendimento di un impianto solare domestico.
L’uso del vocabolario è piuttosto importante per poter capire i termini specifici che incontrano nelle esperienze; raccolti in un glossario verranno riportati nelle rispettive relazioni.
Vediamo ora qualche esperienza dedicata alle fonti energetiche rinnovabili, realizzate con i miei studenti.
Il cuore principale del modello è uno specchio concavo, di quelli che le signore usano per truccarsi meglio, dato il loro potere di ingrandimento.
Con tre aste di filo di rame pieno, identiche, abbiamo realizzato i sostegni per il recipiente, che vanno agganciati sullo specchio, per fissare sul fuoco della parabola un piccolo recipiente metallico (quello di alcuni medicinali o di pennarelli professionali) della grandezza di poco superiore ad una provetta di laboratorio.
Al fine di dimostrare la potenza del vapore
prodotto, abbiamo praticato nel tappo di chiusura, un foro per far passare un
refil metallico di una penna a sfera, al quale abbiamo tolto la parte estrema
della punta. Lo scopo è quello di ottenere
un ugello di uscita del vapore abbastanza piccolo. Sulla parte opposta
del tappo abbiamo fissato una piccola girante di alluminio, precedentemente
ricavata dal fondo di una lattina di bibite, che abbiamo fissato con un sottile
chiodo sul tappo, distanziata da questo con delle semplici perline da collana in
vetro.
Lo stesso sostegno dello specchio ci ha permesso di ottenere un facile orientamento al sole.
(da”Esperienze
di fisica divertente” di Francois Cherrier ed. Giunti Marzocco 1978 Firenze)
Questa realizzazione è un ottimo strumento per fare diverse prove di rendimento sui pannelli solari.
Vediamo come è realizzata. Si tratta di una normalissima borsa per acqua calda, alla quale abbiamo collegato un recipiente esterno con due tubi di polietilene di giusto diametro, ovviamente forandola alle due estremità. Le tubazioni sono state sigillate con un apposito mastice. La borsa è stata alloggiata in un involucro isolante di polistirolo, di quelli utilizzati per i prodotti congelati. Delle barrette di legno servono per non far “gonfiare” troppo la borsa. Una copertura trasparente di plexiglas viene fissata sopra tramite degli elastici. Il nostro pannello è così pronto per essere esposto al sole e utilizzarlo per le varie misure. Per un corretto funzionamento le tubazioni devono avere una inclinazione graduale senza contropendenze.
Vediamo ora come lo possiamo utilizzare. Possiamo valutarne i diversi rendimenti e ovviamente misurarne le perdite, con e senza scatola isolante (i collettori solari da piscina sono “guide” nere semplicemente appoggiate nel prato), con e senza vetro, per valutare il recupero delle perdite per “effetto serra”, dal lato più liscio e più ruvido (quelle delle linguette) della borsa ed infine lasciandola al naturale e successivamente colorandola con vernice nera opaca.
Quindi un la nostra realizzazione si presenta come un valido dispositivo didattico per studiare i collettori solari piani ad assorbimento.
Avevamo pensato di acquistare una cucina solare (www.eg-solar.de), ma non siamo rientrati nei tempi previsti. Ciò ci ha suggerito questa realizzazione, molto più artigianale, ma che, una volta terminata si è rilevata veramente efficace.
Un ombrello del papà (la parabola è più larga), dei fogli di alluminio da cucina, mastice, un supporto per il sostegno orientabile del pannello, un appoggio per la pentola.
Le ragazze si sono dedicate a ritagliare i fogli di alluminio ed incollarli nei rispettivi settori. I ragazzi hanno realizzato il sostegno girevole dell’ombrello che viene semplicemente infilato con la punta in un tubo incernierato. Dalla parte opposta abbiamo fissato con dei fisher, un mattone pieno per contrappeso.
Orientato al sole, abbiamo trovato “il fuoco” della parabola, utilizzando un cartoncino nero, per tagliare il manico alla giusta distanza. Qui abbiamo fissato con una vite, l’appoggio per il recipiente, con inclinazione regolabile.
Durante il collaudo due litri di acqua sono arrivati all’ebollizione in 30 minuti.
Questa può essere recuperata da una vecchia lavagna luminosa non più utilizzata ed è facilmente riconoscibile dalla serie di cerchi concentrici che ha incisi su una superficie. Può essere utilizzata per concentrare una ampia superficie (quella della lente) in unico punto, dove è stata messa… una tazza di caffè freddo.
Va detto, che se vogliamo ottenere il calcolo del rendimento dei nostri pannelli solari è necessario conoscere l’irradiazione solare diretta che batte sul suolo; questo è possibile collegandosi con le università, osservatori meteorologici, aeronautica.
Per il calcolo teorico e per diverse di queste esperienze si rimanda al sito www.educambiente.it
E’ possibile trovare sul mercato piccoli pannelli fotovoltaici a costi accessibili www.dmail.it www.ilportaledelsole.it o anche recuperare alcuni lampioncini FV da giardino. Nella mia scuola ho a disposizione tre pannelli diversi, in silicio monocristallino, policristallino e amorfo. Conoscendo i dati del pannello tensione e potenza è possibile inserire un resistore di carico specifico per ottenere la massima corrente erogabile alla tensione data o, se siamo fortunati utilizzare un reostato variabile, da regolare in modo tale da ottenere i massimi parametri elettrici (se la resistenza è troppo piccola avremo corrente elevata ma bassa tensione e viceversa se troppo elevata) Una volta collegati un voltmetro ed un amperometro, possiamo trovarne i diversi rendimenti di conversione.
Con della lamiera zincata possiamo realizzare dei piccoli aeromotori che abbiano la stessa area di rotazione (stesso raggio) e ne realizziamo di diverse tipologie, monopala, binala, tripala, fino al multipala. Con un refil esausto di ottone realizziamo delle piccole boccole da saldare a stagno nel punto centrale; sempre con la saldatura a stagno aggiungiamo il contrappeso in piombo per il monopala; fissiamo queste ventole a dei sostegni in legno già preparati con dei chiodi e delle rondelle, che ne permettano la rotazione. Messi di fronte ad un ventilatore, alla medesimo distanza possiamo vedere la velocità di rotazione. Chi è più attrezzato, può usare un sensore di rotazione direttamente collegato al computer e verificare il numero di giri al minuto; meno pale avremo più saranno elevati e viceversa.
E’ necessario acquistare anche un piccolo anemometro; vanno abbastanza bene anche quelli da windsurf a costi accessibilissimi, altrimenti ne possiamo trovare dei più professionali su www.rs-components.it.
Ad una vecchia bicicletta, abbiamo tagliato le due barre che si collegano al mozzo del manubrio, che è stato tolto. Abbiamo quindi utilizzato tutta la parte anteriore, compreso il pneumatico. Ai due monconi del telaio abbiamo saldato il palo di sostegno che va infilato ad una grossa base forata in cemento. Le ragazze utilizzando lo scotch da pacchi, hanno unito a due a due, i raggi della bicicletta, formando così una superficie inclinata, senza arrivare proprio al cerchione. Completato il lavoro, ecco realizzarsi un aeromotore multipala. I ragazzi hanno smontato il freno e la relativa vite passante. Sul foro abbiamo saldato un lungo tondino metallico alla cui estremità abbiamo fissato una coda per l’orientamento. Controllato il circuito elettrico, compreso il generatore abbiamo portato la nostra macchina all’aperto. Con il vento avviene la rotazione che muove la “dinamo” ed il fanale si accende.
Su “L’energia alternativa” di Paolo Cella ed. Longanesi 1979 Milano”, è riportata la realizzazione di un semplice modello di digestore produttore di biogas. In pratica si tratta di due secchi, due bottiglioni di vetro uno intero ed uno senza fondo (ho utilizzato quelli da 5 litri), tappi forati, spezzoni tubo da benzina, tubi di rame di raccordo, un ugello da cucina a gas, un molla di chiusura, una resistenza con termostato da acquario; nel bottiglione intero ho messo acqua e rumine prelevato dal mattatoi comunale. Dato il cattivo odore, nelle prove successivo ho procurato della farina proteica (fava, fagioli, ceci) per alimentazione zootecnica, miscelata con acqua con l’aggiunta di batteri liofilizzati, quelli delle bustine per fosse biologiche. La temperatura deve mantenersi non oltre i 40 ° C e dopo circa 30 giorni il gas che si produce si accumula nel secondo bottiglione che tende a sollevarsi. A questo punto basta togliere la molla di chiusura e accendere il gas che farà una piccola fiamma. Su Educambiente è possibile trovare l’esperienza legata alla realizzazione di un digestore didattico da 80 litri.
Le celle di Peltier sono delle piastre realizzate con materiale semiconduttore, utilizzate nei scalda biberon da auto e negli apparecchi domestici, dispenser di acqua potabile raffreddata; sottoposte a tensione una faccia si riscalda mentre l’altra si raffredda; viceversa se una faccia la si riscalda e l’altra la si raffredda forniscono tensione. Il loro uso più diffuso è nelle termocoppie. Nel link qui allegato è possibile avere informazioni e indicazioni di esperienze.
www.lngs.infn.it/calendario/pdf%20feb-dic/APRILE%20copy/Effetto%20Peltier.pdf
Motore Stirling è un motore funzionante ad aria, con combustione esterna; la testa quindi può essere riscaldata oltre che con combustibili diversi, anche con parabole riflettenti che concentrano il sole sulla “testa”. Esempi di modelli si trovano sul sito www.bekkoame.ne.ip in inglese e altre informazioni su www.stirlingengines.org. Per il laboratorio della scuola ho acquistato un modellino funzionante da 5 w di potenza, dagli USA.
Le celle a combustione producono direttamente elettricità dalla ossidazione di idrogeno o etanolo. Su www.ecorete.it è possibile acquistare dei modelli da laboratorio anche reversibili (vi si trovano anche pannelli solari diversi): fornendo corrente l’acqua si dissocia in ossigeno ed idrogeno, dai quali è poi possibile riottenere corrente.
L’ariete idraulico è una pompa funzionante senza motore. Per la sua realizzazione è stato necessario l’aiuto di un papà tornitore. E’ possibile visualizzare tutta la costruzione nel sito Educambiente. Qui inoltre, nell’area Progetti e Classi sono state riportate esperienze con l’elettricità. Interessante è l’uso di un contatore elettronico di recente acquisto ( www.dmail.it ) sul tipo di quello Enel seppure diverso nella forma, permette di visualizzare in maniera digitale tutti i parametri elettrici in gioco ed anche, assegnando il costo al kwh, visualizzare la spesa sostenuta.
Le prossime realizzazioni nella mia scuola, saranno una centralina anemologica (direzione e velocità) del vento, completa di sensore per l’irradiazione solare e un gasogeno produttore di ossido di carbonio, che sarà il propellente di un motore a scoppio da 1,5 kw già disponibile e funzionante.
Sant’Angelo in Vado 14.0.06
Giuseppe Dini
Francois Cherrier “Fisica divertente” ed. Giunti Marzocco 1978 Firenze
L’energia alternativa” di Paolo Cella ed. Longanesi 1979 Milano
Gli esperimenti facili: energia solare” di Thomas W. Norton ed Muzzio 1980 Padova
Paolo Calvani “Giochi scientifici”ed Mondatori 1988 Verona
Silvano Fuso “Facili esperimenti scientifici” ed. EDIFAI 1994 Alessandria
Assem, WWF “Le energie rinnovabili sulla punta delle dita” Mediatec diffusion 2001
www.eg-solar.de cucine solari ed altro
www.dmail.it materiale per casa, lampioncini solari, panellino FV, contatore elettronico
www.ilportaledelsole.it pannelli FV
www.rs-components.it. componenti elettronici, strumenti di misura
www.lngs.infn.it/calendario/pdf%20feb-dic/APRILE%20copy/Effetto%20Peltier.pdf Celle Peltier dal laboratorio del Gran Sasso
www.bekkoame.ne.ip sito giapponese (versione in inglese) con modelli di motori Stirling
www.stirlingengines.org. sito inglese per conoscere i motori Stirling
www.ecorete.it pannelli solari termici e FV, celle a combustione
www.funsci.com sito dello scienziato dilettante, esperimenti ambientali
www.energoclub.it per conoscere tutto sulle energie rinnovabili
ww2.unime.it/weblab esperimenti virtuali sull’elettricità e fisica in genere
www.educambiente.it didattica, ambiente, energie rinnovabili