ENERGIA DAL SOLE

Obiettivi

1.      Saper riconoscere l’importanza del sole per l’utilizzo energetico

2.      Capire il concetto di irradiazione solare e la sua variabilità

3.      Saper distinguere i vari collettori utilizzanti l’energia solare

4.      Valutare la potenza erogata da un pannello solare

5.      Applicare il concetto di rendimento ai modelli solari realizzati o disponibili

Contenuti

Valutazione dell’energia solare irradiata sulla terra; sua variazione in base alle condizioni meteorologiche e stagionali, rispetto alla latitudine terrestre e relativa inclinazione dei pannelli ad assorbimento.

Distinzione dei vari sistemi di sfruttamento dell’energia solare, attraverso collettori solari a superficie nera, riflettente e celle fotovoltaiche.

Valutazione dell’energia e della potenza assorbita da un pannello solare; trasformazione della vecchia unità di misura dell’energia, chilocaloria (kcal), in watt/ora (w/h) uniformata secondo recenti disposizioni legislative.

Concetto e calcolo del rendimento di un collettore solare.

Realizzazione di dispositivi utilizzanti l’energia solare.

Metodo

Come abbiamo visto nella precedente unità didattica il sole è la fonte primaria delle varie forme energetiche (Scuola e Didattica del….allegato 1) e ci fornisce la stessa quantità energetica della fissione e fusione nucleare, così come evidenziato dalla tabella di Weigart, IIASA, 1979 tratta da “Energia Solare” di Casci Piemonte ed. Clup. 

Il sole irradia dallo spazio, sulla Terra, una determinata quantità di energia, quantificabile all’esterno dell’atmosfera mediamente a circa 1400 w/m²; al suolo questa quantità diminuisce a causa dell’assorbimento atmosferico  fino a 1000 w/m²: questo valore,  viene definito “Costante di irradiazione solare” ed è il riferimento per tutti i progetti che riguardano lo sfruttamento di questa forma energetica.

Ovviamente questo dato varia a secondo delle condizioni meteorologiche (sarà massimo con un cielo perfettamente nitido) e nelle fasi di alba e tramonto del sole.

I pannelli solari devono essere rivolti verso il sole (sud) e devono essere inclinati in base alla latitudine del luogo (all’equatore saranno disposti orizzontalmente, mentre nei paesi scandinavi saranno pressoché verticali). Nel periodo invernale il sole compirà il suo tragitto apparente nel cielo in maniera più bassa e l’inclinazione del pannello solare dovrà aumentare; i progettisti valutano l’inclinazione dei pannelli sulla media degli angoli e/o in base allo sfruttamento stagionale che si vuol avere.

Il pannello solare piano ad assorbimento è quello più diffuso; è composto da una lastra metallica nera, nella quale sono realizzati, con apposite tecnologie, dei piccoli canali dove scorre il fluido termovettore; l’assorbitore è alloggiato in una scatola coibentata e chiusa da una superficie vetrata capace di recuperare gran parte del calore che produce, per l’effetto serra che essa provoca. Il rendimento che questo dispositivo raggiunge è così del 60%.

Tratto da “Tecnologia e progettazione del collettore solare” di R. Lazzarin, Muzzio ed.

  Tabella G.Dini

I tubi solari evacuati, sotto vuoto, tipo Philco, sono dei piccoli collettori (8 x 200 cm) la cui piastra nera è alloggiata all’interno di un tubo di vetro temprato, dove viene eliminata l’aria, per diminuire le perdite per convezione. L’assorbitore riscalda in apposito canale un fluido a basso punto di evaporazione (tipo quello del frigorifero) che cede calore ad un apposito collettore, nel quale viene riscaldata l’acqua di utilizzo. I tubi vengono montati affiancati, in batterie.

I pannelli solari a riflessione, necessitano di un continuo puntamento verso il sole e funzionano solamente in presenza di luce diretta; il rendimento complessivo di questi sistemi è più basso di quelli ad assorbimento.

Per quanto riguarda il calcolo del rendimento in funzionamento, di queste apparecchiature, le relative modalità operative, gli strumenti da usare, rimando all’articolo di metodologia “Giocando con il sole”, allegato 4, di “Scuola e Didattica” del 15.2.1998, pag. 71; per ricavare il valore dell’irraggiamento diretto al suolo, è sufficiente collegarsi tramite internet all’osservatorio meteorologico più vicino per avere così in tempo reale il valore giusto.

Tipografia solare del 1882 a Parigi. Tratto da “Energia alternativa” di P. Cella Longanesi ed.

Le celle fotovoltaiche, sono quelle usate dai satelliti per la loro alimentazione, sono realizzate con silicio estremamente puro in doppio strato (wafer) (vedi articolo “La bici solare” su Scuola e Didattica del 15.5.96).

Ne esistono di tre tipi diversi; due utilizzano la tecnologia del silicio cristallino, l’altra utilizza i film sottili.

La prima viene eseguita con due modalità diverse, permettendo la realizzazione delle  celle  più diffuse: il monocristallino è realizzato “affettando” un lungo cilindro di silicio puro ottenuto da uno speciale forno ad alta temperatura e pressione; i moduli ottenuti sono circolari e con un rendimento massimo del 15 ÷18 %; il policristallino ha costi di produzione più bassi, la forma delle celle è quadrata e la superficie si presenta con particolari iridescenze; il rendimento è del 12 ÷14 %.

La tecnologia del film sottile viene usata per piccoli utilizzatori quali orologi e calcolatrici solari, dove il silicio amorfo viene depositato su un vetro di supporto. E’ possibile utilizzare oggi con questa tecnica, anche moduli a film sottile flessibili (depositato su di un supporto plastico) del tipo di quelli utilizzati per la ricarica dei radiotelefoni su zaino, dai tecnici del CNR e dell’ENEA sul K2, in Nepal.

E’ facile calcolare il rendimento di questi apparecchi disponendo del pannello fotovoltaico e di tester. Si calcola la potenza solare che colpisce il pannello, considerando l’irradiazione e la sua superficie; si collega la cella ad un utilizzatore della potenza prevista dai dati tecnici del pannello, misurando la corrente erogata e la tensione fornita. Il loro prodotto da la potenza sviluppata dalle celle fotovoltaiche. Il rapporto tra la potenza erogata e quella irradiata dal sole ci da il rendimento effettivo delle celle fotovoltaiche.

E’ possibile costruire diversi modelli solari funzionanti sui quali fare misure, calcoli, verifiche: una parabola di un fanale, che concentra il fuoco su di una provetta al posto della lampada, parabole riflettenti varie (in base al materiale recuperato) la cui superficie può essere lucidata o ricoperta da specchi, l’ombrello del babbo ricoperto internamente di alluminio da cucina, una borsa dell’acqua calda per realizzare un pannello solare piano didattico, una serpentina di tubo affogato in calcestruzzo in una sezione di un cortile diventa un collettore passivo, un boiler dipinto di nero appoggiato al sole, un solarimetro realizzato con le celle di una calcolatrice ed un amperometro.

La Ises Italia inoltre sta facendo una campagna dal titolo “1000 celle fotovoltaiche per 100 scuole” con il contributo dell’Eurosolare del gruppo Agip che fornisce le celle. Alle scuole che aderiscono vengono inviati 20 moduli policristallini per poter realizzare Unità Didattiche sperimentali da inviare all’associazione.

Verifiche

E’ possibile realizzare un apposito questionario, dove chiedere le differenze e le tipologie dei pannelli solari, l’orientamento, l’irradiazione solare e quanto presentato nell’unità didattica.

Inoltre si possono valutare le varie prove eseguite sui pannelli costruiti o disponibili per le esperienze, controllando la procedura per ricavare le misure che si utilizzano per i calcoli, le unità di misura usate e le relative conversioni, la giusta applicazione delle leggi fisiche conosciute e del calcolo del rendimento.

Glossario

Pompa di calore. E’ un apparecchio che estrae energia termica da una sorgente a bassa temperatura e la rende disponibile, sotto forma di energia termica, ad una temperatura più alta.

Eliostato . Dispositivo riflettente, usato per deviare i raggi solari sempre nella stessa direzione.

Per saperne di più

D. P. R. n° 802 del 12.8.1982 riguardante l’attuazione della direttiva CEE relativa alle nuove unità di misura.

www.isesitalia.it associazione che si occupa di solare

www.enea.it sito dell’Ente Nazionale Energie Alternative, è possibile scaricare interi argomenti specifici o la scheda per ordinare pubblicazioni gratuite

www.watergames.com rivista che tratta materiale solare e semplici kit didattici.

Bibliografia

            Renato Lazzarin “Tecnologia e progettazione del collettore solare” Muzzio ed. 1981 Padova.

Cabirol, Pelissou, Roux “I pannelli solari” Longanesi ed. 1978 Milano

Cogliani e altri “La radiazione solare globale al suolo in Italia nel 1995” ed. ENEA

Thomas W. Norton “Gli esperimenti facili: energia solare” Muzzio ed. 1980 Padova

F. Vivoli “Energia elettrica dal sole” ed. Ises Italia e Enea 1998 Roma

Cd “Grande atlante della scienza” Dorling Kindersley Multimedia 1994

Sant’Angelo in Vado 24.10.00

Giuseppe Dini