GIOCANDO
CON IL SOLE
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.
Tra
le forme di energia rinnovabile la più diffusa è quella solare . Gli stessi
ragazzi di terza, hanno messo in evidenza che in molte strutture pubbliche da
loro stessi utilizzate , sono montati pannelli solari per il riscaldamento
dell’acqua: dal palazzetto dello sport, alla mensa, dal distretto sanitario,
all’asilo comunale; molti privati li hanno installati sul tetto e anche la
nostra stessa scuola media ne ha uno, montato dagli
allievi del passato anno scolastico, per l’acqua calda dei bagni
E’
per queste esperienze che la nostra scuola, ai sensi di una direttiva del
Ministero dell’Istruzione, risulta essere «Scuola polo», cioè
è a disposizione delle altre scuole, per le attività sulle energie
rinnovabili e ambientali.
Per
poter introdurre l’argomento ci siamo recati a visitare l’impianto solare
del palazzetto dello sport; accompagnati dai tecnici comunali essi hanno potuto
contare i pannelli, misurarne la superficie di ciascuno, valutare la capacità
del bollitore collegato, verificare
la temperatura raggiunta dall’acqua.
In
classe, ho proposto di riflettere insieme su come quei pannelli potessero
funzionare. Si tratta di collettori solari piani, ad assorbimento, la cui
superficie è dipinta di nero opaco, percorsa da numerosi canalicoli dove
circola il fluido riscaldante e alloggiata all’interno di un involucro
impermeabile, coperto da un vetro.
Riprendendo
una vecchia unità didattica sulla luce ed il colore , effettuata in prima, gli
alunni hanno capito che la vernice nera opaca della piastra serve ad assorbire
la massima radiazione solare; abbiamo inoltre visto che essa sulla terra ha un
valore medio di 1000 w/m2
e
che dipende dalla presenza di nuvole e foschia . Inoltre i pannelli solari
devono essere orientati a sud, verso il sole, con
una inclinazione che dipende dalla latitudine del luogo dove sono installati.
Con
l’aiuto di uno schema abbiamo visto le
perdite di un pannello solare: per conduzione, nell’isolante, per
convezione, nell’aria che lo lambisce, per irraggiamento a causa del
riscaldamento che si ha, per riflessione sul vetro e sulla vernice che non è
mai così opaca da limitarle; l’effetto del vetro è poi notevole dal momento
che permette per «effetto serra» il recupero di buona parte dell’energia
dispersa. In sostanza così realizzato, esso raggiunge un rendimento complessivo
pari al 60%. I ragazzi hanno potuto così riprendere
il concetto di rendimento, già conosciuto nell’unità didattica
dedicata all’elettricità.
A
questo punto ho voluto presentare come è possibile calcolare le potenze in
gioco e quindi il rendimento effettivo di tutto l’impianto solare visto, al
fine di applicarlo nelle realizzazioni dei ragazzi (si veda allegato ). Dalla
definizione di chilocaloria, misurando le temperature con un semplice termometro
a mercurio disponibile nel laboratorio di scienze, abbiamo valutato l’energia
resa all’acqua, il coefficiente di trasformazione in Wh, la potenza resa
considerando il tempo di insolazione, la potenza spesa dal sole sul pannello e
infine il rendimento.
Con
lo scopo di vedere i diversi modi di sfruttamento dell’energia solare, ho
visionato con i ragazzi una serie di diapositive che ho e che tengo
costantemente aggiornate; dagli schemi già conosciuti, alla prima centrale a
riflessione multipla italiana, quella di Sant’Ilario a Genova, ad Adrano in
Sicilia, alla Solar One in California; dai piccoli pannelli domestici, alle
tegole solari, realizzate per limitare l’impatto paesaggistico di un
collettore tradizionale o anche ai tubi solari sottovuoto tipo «Philco», dalla
«tartaruga», un boiler a «cachè» che è anche assorbitore perché dipinto
di nero, alla parabola solare della Magneti Marelli che con il vapore muove una
piccola turbina per la produzione di 4 kW elettrici.
Quello
che ha colpito i ragazzi è stata la stampatrice solare presentata alla mostra
internazionale di Parigi del 1879, che funzionava grazie ad una parabola del
tutto simile a quella della Marelli, con la sola differenza che tra la prima e
la seconda ci sono ben 117 anni di distanza.
Al
fine di stimolare i ragazzi ad una più attenta riflessione sull’utilizzo
dell’energia solare direttamente sfruttabile, ho proposto la realizzazione di
modelli operativi e funzionanti, di pannelli solari, sui quali non solo
progettare e costruire, ma anche misurare, calcolare, rispettando il cosiddetto «imparare facendo».
Suddivisa
la classe in gruppi di lavoro, abbiamo visto la possibilità di realizzare
pannelli diversi, utilizzando il materiale disponibile a scuola, o facilmente
reperibile o ricavabile dal recupero di altri oggetti.
Siamo
così arrivati alla realizzazione di tre tipi di pannelli, diversi fra loro
soprattutto nel tipo di sfruttamento: un collettore a riflessione a profilo
parabolico, tre collettori parabolici, un collettore solare piano di tipo
passivo.
Collettore
solare a profilo parabolico (foto 1)
Come
materiale è stato usato del compensato da 3 mm per la parabola, aste di legno
per i piedi di supporto, fogli di alluminio da cucina come materiale
riflettente, un tubo di acciaio del diametro di 45 mm, del mastice per fissare
l’alluminio al compensato, due pannelli di multistrato per i fianchi, un
serbatoio in plastica e tubo di gomma.
Si
è trattato di disegnare i fianchi con il sistema pratico della squadra, per
ottenere così una curva di tipo parabola, dove ciascun raggio incidente sulla
superficie del pannello, viene riflesso in un punto centrale denominato «fuoco».
Ai
due fianchi sagomati abbiamo fissato il compensato e su questo, utilizzando del
mastice abbiamo incollato i fogli di alluminio, avendo cura di evitare il più
possibile corrugature.
Il
tubo di acciaio, che è il cuore del nostro pannello e dove vengono riflessi i
raggi solari, è stato fissato, dopo averlo dipinto di nero opaco, al centro dei
due fianchi, le estremità sono munite di appositi raccordi per il tubo di
gomma. Montati i supporti, realizzati a differenti altezze in modo da facilitare
la circolazione naturale dell’acqua riscaldata dal sole e, collegato il
serbatoio, il nostro pannello è pronto per essere esposto al sole, ovviamente
dopo averlo riempito di acqua.
Orientato
sull’asse est-ovest, è necessario
puntarlo sempre verso il sole ed in modo tale che i raggi riflessi colpiscano
direttamente il tubo d’acciaio dipinto di nero.
Il
nostro collettore è destinato al centro di Educazione Ambientale «Casa
Archilei» dell’associazione naturalistica Argonauta di Fano; ha una
superficie di 2 m2,
da una potenza effettiva con cielo nitido, pari a 750 w con un rendimento
complessivo di circa il 37,5 %.
Collettori
parabolici ( foto 2)
1)
Recuperata una vecchia parabola di una sala operatoria dismessa, abbiamo
provveduto alla lucidatura della superficie utilizzando la pasta da carrozziere;
inoltre si sono realizzati sia i supporti per la parabola con aste di legno, per
facilitare l’inclinazione al sole, nonché il supporto centrale in acciaio
saldato per sorreggere il recipiente nero con l’acqua; per il corretto
orientamento ci siamo basati sul supporto centrale muovendo l’inclinazione
fino a quando l’ombra di questo sul suolo risulta puntiforme.
2)
Un ragazzo si è procurato una stufetta a gas con parabola e piedistallo,
non più funzionante. Con un pò di pazienza abbiamo eliminato la rete per
l’infrarosso, centrale e ad essa abbiamo sostituito una lattina da bibite
vuota e dipinta di nero. Essendo la superficie della parabola satinata, abbiamo
provveduto a ricoprirla con tanti piccoli specchi da noi tagliati con il
tagliavetro, a forma di piccoli trapezi allungati. Con del silicone si è
provveduto ad incollarli su tutta la superficie della parabola. Per il
puntamento al sole si è fatto riferimento all’ombra della lattina ancorata
sul «fuoco», che deve coincidere su se stessa.
3
)
Con una parabola di un faro di un’auto abbiamo realizzato un piccolo pannello
solare a riflessione utilizzato per liquidi di diverso colore. Al posto della
lampadina abbiamo messo un grosso sughero sul quale abbiamo in precedenza già
fatto un foro della dimensione tale che ci passi una provetta di vetro del
laboratorio di scienze. Abbiamo realizzato un piedistallo per facilitare
l’orientamento indicato dall’ombra della provetta, così come per il
collettore precedente. E’ servito per fare due prove diverse una per l’acqua
e l’altra per il caffè. Entrambi i
calcoli sono stati pirografati sul supporto ( foto 3 ).
Collettore
solare piano passivo (foto 4)
Ci
siamo domandati, se fosse possibile sfruttare il calore del sole che comunque
picchia sul suolo riscaldandolo. I ragazzi stessi hanno fatto notare che
d’estate, gli scalini della piazza comunale, dove loro sono soliti sedersi
,anche la sera, in assenza di sole, sono ancora caldi.
Quindi
abbiamo pensato ai tetti piani ai cortili, al cortile della nostra scuola,
sempre battuti dal sole e, con le dovute tecnologie, pur sempre sfruttabili.
Asportata
una parte di terreno per una profondità di circa 25 centimetri ed una
superficie di tre metri quadri, vi abbiamo alloggiato una serpentina di tubo di
rame dal diametro di 14 millimetri avendo cura di evitare contropendenze e
lasciare le due estremità del tubo da un’unica parte. Abbiamo poi provveduto a
riempire tutto con del calcestruzzo, materiale conosciuto nelle unità
didattiche della seconda, per avere così un maggior volano termico.
Purtroppo,
questa realizzazione ha chiesto al gruppo un notevole impegno temporale, per cui
non abbiamo potuto completarla né farci le dovute prove; lo faranno gli allievi
del prossimo anno scolastico; dovranno dipingere la pavimentazione di catramina
nera, collegare il pannello ad un serbatoio tramite una pompa di ricircolo,
riempirlo con una certa quantità d’acqua e, infine, calcolarne la resa.
Le
verifiche da me attuate si sono basate :
a)
sulla corretta realizzazione dei progetti preparati
b)
sull’utilizzo degli opportuni materiali
c)
sulla giusta esposizione al sole dei collettori
d)
sull’uso degli strumenti di misura
e)
sull’esatta realizzazione del calcolo del rendimento del pannello
In
conclusione, queste attività non solo piacciono ai ragazzi, ma dal punto di
vista didattico consentono loro, di apprendere e applicare una vasta gamma di
esperienze disciplinari che possono essere così più facilmente capite; dal
punto di vista più propriamente ecologico esse servono a far capire meglio le
possibilità di utilizzo energetico, anche per essere un po’ più liberi anche
dal solito interruttore ENEL e quindi più responsabili delle risorse
energetiche future.
Bibliografia
AA.VV. «La radiazione solare al suolo in Italia nel 1995» ENEA
Cabirol
e altri «I pannelli solari» Longanesi ed.
Farington
«L’uso diretto dell’energia solare» SugarCo
Ed.
Valerio
«Utilizzazione di fonti di energia nel territorio del comune di Genova»
Italia
Nostra e Comune di Genova
Fermignano
28.10.97
prof. Giuseppe Dini
Dalla
definizione di chilocaloria si applica la seguente formula
E = Q * (T2
-T1
)* Cal. Spec. dove E è l’energia in chilocalorie, Q i kg di acqua da
riscaldare, T2
la
temperatura finale raggiunta dopo un certo tempo ( t ), T1
la temperatura a inizio esperimento in gradi centigradi, Cal. Spec è il calore
specifico che per l’acqua vale 1 kcal/kg/°C.
Per
trasformare l’Energia da chilocalorie in Wattora (Wh) che è la nuova unità
misura del Sistema Internazionale ( S. I. ), dobbiamo moltiplicare per 1,163.
Sapendo
che l’energia E = P* t, dove P è la potenza e t è il tempo, in ore ( per le
nostre prove sui. pannelli realizzati dai ragazzi è stato sufficiente un tempo
dai 10 ai 30 minuti), impiegato per riscaldare la determinata quantità
d’acqua, possiamo ricavare
P = E/ t
, espressa in Watt.
Essa
rappresenta la potenza finale che ha ricevuto l’acqua
e che chiamiamo Pr, potenza resa effettivamente dal pannello all’acqua.
Per
conoscere la potenza che
il sole ci dà,
e che chiameremo Ps, potenza
spesa dal sole sul pannello per farlo funzionare, occorrerà applicare la
costante di irradiazione solare media al suolo che è di 1.000 W/m2,
per cielo sereno e nitido. Per
chi abita nei pressi di un aeroporto o presso un centro meteorologico, può
chiedere e utilizzare il valore effettivo dell’irradiazione al suolo.
Moltiplicando il valore dell’irradiazione solare per la superficie della «finestra»
del pannello, troveremo la potenza spesa dal sole per far funzionare il
collettore Ps
= Cost. irr. sol.* Sup.pann.
Per
un collettore piano la superficie è l’area rettangolare della piastra
assorbente, per i pannelli parabolici la superficie battuta dal sole è l’area
delimitata dal bordo circolare (foto 6).
A
questo punto si può trovare il rendimento della nostra macchina, dividendo la
potenza resa per la potenza spesa, cioè
Rend. = Pr / Ps. Il numero che otterremo sarà inferiore ad 1, non avrà
unità di misura e si potrà esprimere anche in percentuale.