ENERGIA SOLARE
Ultimo aggiornamento:25-02-2000
Le celle solari trasformano l'energia solare in energia elettrica attraverso un processo chiamato
Il sole fornisce alla terra energia sotto forma di fotoni, ovvero, particelle che viaggiano alla velocità di 300.000 Km/sec. Questi fotoni, colpendo una giunzione p-n di una barretta di semiconduttore al silicio, cedono energia agli atomi del silicio rompendo i legami tra elettroni e nucleo. In queste circostanze, gli elettroni periferici si staccano dal loro atomo e si accumulano nella zona N per effetto dell'energia ceduta dall'esterno. Si viene così a creare una differenza di potenziale ai capi della giunzione di circa 0.6V ed un flusso di elettroni quando la giunzione viene chiusa attraverso un carico.
Il processo fotovoltaico è stato scoperto da
Le celle solari hanno come vantaggio:
2) si possono collocare direttamente nei posti dove l'energia è richiesta senza bisogno di lunghe linee di distribuzione.
3) non hanno bisogno di manutenzione e hanno una vita media di circa 20 anni.
4) producono energia elettrica senza inquinamento.
2) basso rendimento e quindi occorrono grandi superfici per generare potenze di rilievo.
I costi dell'energia prodotta attraverso le celle votovoltaiche, è notevole; 1 dollaro per chilowattora a causa del basso rendimento e del processo di lavorazione delle celle. Quest'ultime, come si è detto, sono costruite in prevalenza di silicio di cui la terra ne contiene il 28%. Si presenta sotto forma di
Ecco un esempio tipico dell'applicazione dei diodi shunt:
Le tensioni convenzionali adottate dai pannelli fotovoltaici sono: 6V, 12V, 24V e 48V. In ogni caso, per impianti particolari, si possono collegare i pannelli in serie o in parallelo per ottenere caratteristiche elettriche particolari. Occorre tenere presente che ogni pannello fotovoltaico ha una tensione a vuoto come un qualsiasi generatore elettrico; questa tensione a vuoto si aggira intorno ai 20V ed una tensione nominale di 15V per la massima insolazione.
Queste caratteristiche si adattano perfettamente per caricare batterie di accumulatori al piombo a 12V.
Ultimamente sono state fatte delle sperimentazioni con il silicio
La ricerca ha portato alla costruzione di celle fotovoltaiche con rendimenti intorno al 25% ma con costi elevati. Sono celle che usano
Ritengo personalmente che, al di là della convenienza o meno di tali impianti, occorre sensibilizzare l'opinione pubblica perchè ci sia una cultura per il rispetto dell'ambiente onde investire in tali tecnologie. Si da il caso che le più importanti industrie produttrici di pannelli fotovoltaici fanno capo ad industrie petrolifere.
DIMENSIONAMENTO DI UN IMPIANTO SOLARE
Un impianto solare viene dimensionato in funzione della potenza oraria richiesta dall'utilizzatore o dagli utilizzatori e in funzione di quest'analisi e dal sito dove questo impianto deve essere installato, vengono scelti i pannelli fotovoltaici, le loro caratteristiche e la capacità totale della batteria o delle batterie per raccogliere l'energia generata.
Supponiamo che il nostro impianto solare, installato al centro Italia, debba alimentare per 24 ore al giorno un elettrodomestico funzionante a12V e che assorbe una potenza di 60W. Nel contempo, una lampada da 30W funziona per 8 ore al giorno e un computer portatile da 12W funziona per 4 ore. Si vuole calcolare il numero di pannelli da collegare in parallelo, la capacità di ogni singola batteria ed il numero di batterie da collegare in parallelo per soddisfare le esigenze del carico.
V=12V (Tensione dell'impianto)
P1=60W(Potenza elettrodomestico)
t1=24h (tempo di funzionamento dell'elettrodomestico)
P2=30W(Potenza lampada)
t2=8h (tempo di funzionamento della lampada)
P3=12W(potenza computer)
t3=4h (tempo di funzionamento del computer)
ESH=2/5 (insolazione in ore di sole equivalente)
Poniamo l'attenzione all'ultimo dato fornito dal problema e cioè che l'impianto viene installato al centro- Italia. La posizione del sito ha importanza notevole per il calcoli da effettuare in quanto l'illuminazione dei pannelli varia tra Nord e Sud dell'italia e quindi è stato definito un coefficiente chiamato ESH che vale 2 per il Nord e 5 per il Sud. Il coefficiente ESH esprime l'insolazione in ore di sole equivalente, significa che al centro Italia si può assumere un valore di 2.5, ovvero, in una giornata invernale(24 ore) il pannello fornirà una potenza equivalente a quella che lo stesso pannello fornirebbe se funzionasse nelle condizioni di massima insolazione per 2.5 ore.
Questo valore è valido se il pannello funziona per tutto l'anno con lo stesso carico inserito. Viceversa, se si intende utilizzare l'impianto per il solo periodo estivo o primaverile, il valore precedentemente espresso, lo si deve intendere raddoppiato. Ritorniamo al nostro problema e andiamo a calcolare la corrente assorbita da ciascun utilizzatore:
I1= P1/V=60/12=5A; I2=P2/V=30/12=2.5A; I3=P3/V=12/12=1A;
L'energia richiesta da ogni utilizzatore per il tempo di funzionamento si calcola:
W1=I1*t1=5*24=120Ah
W2=I2*t2=2.5*8=20Ah
W3=I3*t3=1*4=4Ah
L'energia totale richiesta dal carico al giorno è:
W=W1+W2+W3=120+20+4=144Ah/giorno
occorre maggiorare del 20% il dato precedente per eventuali perdite dell'impianto:
Wt=W+(W*20/100)=173Ah/giorno
Come detto precedentemente, l'impianto viene installato al centro Italia e supponendo che dovrà lavorare per il solo periodo estivo, il valore di ESH viene assunto pari a 5.
Ripetiamo! Il valore assunto sta a significare che il pannello lavora 5 ore al giorno al massimo rendimento.
La corrente richiesta dal pannello per 5 ore al giorno è:
Ip = Wt/5= 173/5=35A
a questo punto occorre consultare il catalogo di alcune case costruttrici di pannelli e scegliere la struttura fisica del pannello e in base al costo/potenza calcolare il numero di pannelli da collegare in parallelo.
Per il nostro scopo può andare bene un pannello policristallino che eroghi una potenza da 48W e con una corrente da 2.88A. Per calcolare il numero di pannelli da collegare in parallelo si usa la seguente formula:
n = Ip/I=35/2.88=12 pannelli
A questo punto non ci rimane che calcolare la capacità totale della batteria in tampone che servirà ad immagazzinare l'energia elettrica durante il periodo giornaliero. Ma la capacità della batteria dipende dall'autonomia che noi vogliamo fornire all'impianto, ciò significa che questo dipende sempre dal sito in cui è collocato l'impianto. E' chiaro che al Sud dell'Italia, la probabilità che il suddetto possa avere dei black-out per lunghi periodi è improbabile mentre al Nord può succedere. Allora, per questo problema le statistiche ci dicono:
Al sud Italia occorre dare una autonomia da : 6 a 10 gg.
Al centro Italia " " " " " : 10 a 12 gg.
Al Nord Italia " " " " " : superiore a 15 gg.
Nel nostro caso possiamo stabilire una riserva di tempo di 10gg , per cui, la capacità totale della batteria si calcola:
Ct = Wt*tr =173*10=1730Ah (capacità richiesta per tutto l'anno)
Poichè nel nostro caso l'impianto funziona per solo periodo estivo, il dato precedente deve essere dimezzato:
Ct=1730/2= 865Ah
scegliendo batterie con valori commerciali di capacità pari a 120Ah, il numero di batterie da collegare in parallelo si trova con la formula:
nb = Ct/Cb =865/120=7 batterie
Come fare per rendere meno pesante la bolletta elettrica? Nelle nostre case ci sono tre importanti aree di intervento possibili, per pagare meno e, nello stesso tempo, mantenere un livello di comfort adeguato:
Che ne direste se, mandassimo acqua calda nel cestello della lavatrice presa da un collettore solare ? Si risparmierebbe almeno il 50% dell'energia consumata dall'elettrodomestico usando in parte la resistenza interna.
L'abbassamento della temperatura ambientale rallenta o ferma certi fenomeni fisici o
fisiologici, pertanto il frigorifero è diventato un elettrodomestico indispensabile per la nostra
vita quotidiana. In casa però, disponendo di
energia elettrica, usiamo dei frigoriferi a compressore mentre sui camper o in altri posti dove manca la corrente utilizziamo,
per lo più, un frigorifero cosiddetto trivalente cioè in grado di funzionare a 220 volt se siamo
allacciati ad una rete elettrica, a 12 volt in viaggio e a gas in sosta libera. Cerchiamo ora di
capire il principio fisico della produzione del freddo per poi esaminare i due
principali sistemi adottati dalla moderna tecnologia per sfruttare questa legge della
natura. Un impianto frigorifero funziona in base al seguente principio fisico:
b) fluido
condensato = cessione calore. Le sostanze liquide in genere evaporano più o meno
nell'atmosfera a seconda della temperatura ambiente. Più la temperatura ambiente è alta
tanto più facilmente i liquidi passano allo stato gassoso. Questo passaggio dallo stato
fisico liquido a quello gassoso avviene mediante sottrazione di calore all'ambiente e tale
sottrazione continua fino alla saturazione ad opera del vapore dell'aria circostante. Non tutti
i liquidi si comportano però allo stesso modo nei confronti dell'evaporazione: l'acqua ad
esempio evapora meno facilmente della benzina e a sua volta l'alcool evapora più rapidamente di
quest'ultima. La rapidità di evaporazione di un liquido è direttamente proporzionale alla
sottrazione di calore nel suo cambiamento di stato. Più in fretta un liquido evapora e più
freddo possiamo produrre dal suo cambiamento di stato. Questa caratteristica fisica di alcuni
liquidi é facilmente constatabile nelle nostre azioni quotidiane: cospargendo il nostro corpo di
un profumo o di un dopobarba, notoriamente costituiti a base di alcool, sentiamo un senso di
freschezza sulla nostra pelle. Abbiamo così sperimentato che l'evaporazione avviene con
sottrazione di calore. Negli impianti frigoriferi, a compressione di vapori saturi,
viene quindi sfruttata questa proprietà dei fluidi che nell'evaporazione producono il freddo
artificiale. Non tutti i fluidi però possiedono le stesse caratteristiche fisiche nei confronti
dell'evaporazione; una certa serie di fluidi sono più facilmente evaporabili e quindi sono dei
migliori assorbitori del calore e vengono utilizzati per produrre il freddo artificiale. I
fluidi refrigeranti oggi maggiormente usati nella moderna tecnologia frigorifera sono: l'ammoniaca
e il freon. Vediamo ora in pratica
come si produce industrialmente un ciclo frigorifero partendo delle leggi fisiche. Prendiamo in esame il comportamento fisico
dell'ammoniaca. Versandone un po' dal suo contenitore in un recipiente aperto,
parte dello stesso evaporerà rapidamente, e la restante parte rimasta liquida sul fondo del
contenitore si porterà ad una temperatura di circa -33 gradi centigradi. Continuando in questi
esperimenti possiamo ora, anziché versare l'ammoniaca in un recipiente, collegare una
serpentina metallica ad una bombola riempita con ammoniaca; aprendo, successivamente, di poco il
rubinetto della bombola facciamo passare la stessa nella serpentina. L'ammoniaca, prima di
perdersi nell'atmosfera, evaporerà durante il transito nella serpentina assorbendo, attraverso
le pareti del tubo, il calore dell'aria circostante. Il fenomeno fisico sarà reso
evidente dalla formazione di brina sulle pareti esterne della serpentina, dovuta al rapido
raffreddamento dell'umidità contenuta nell'aria.
Si é costruito così un primo rudimentale impianto frigorifero che però dovrà essere
completato. Infatti se la prima funzione di un impianto frigorifero é quella di far evaporare
un fluido (cioè un liquido atto a produrre il freddo), la sua seconda funzione è
recuperare i gas prodotti nell'evaporazione e farli ritornare di nuovo allo stato liquido. Per
ottenere questa seconda funzione, del ciclo frigorifero a compressione di vapori saturi, si
debbono comprimere e raffreddare i vapori ottenuti nella prima fase. Un impianto
frigorifero in praticaviene quindi costruito facendo circolare in un
circuito chiuso una sostanza fluida, impiegando energia, secondo due particolari
cicli: detti ad assorbimento
o a compressione, ma sempre nel rispetto delle leggi fisiche esposte
prima. Esaminiamo dapprima il ciclo ad assorbimento (detto anche
frigorifero trivalente) molto diffuso nei camper. Nel ciclo ad assorbimento una miscela di
fluidi (nel nostro caso acqua e ammoniaca) viene riscaldata in un bollitore
mediante il calore fornito dalle tre fonti di energia presenti sul nostro veicolo:
elettricità a 220 Volt quando siamo allacciati alla rete elettrica. corrente continua a 12 volt
accumulata nelle batterie durante i viaggi di spostamento e a gas GPL in sosta libera.
L'energia fornita viene trasformata in calore mediante due resistenze elettriche nei primi due
casi e mediante un piccolo bruciatore nel caso di alimentazione a gas. Tutte e tre le produzioni di
calore provvedono a riscaldare un unico bollitore
in cui é contenuto il fluido refrigerante.
Mediante tale calore la miscela acqua e ammoniaca contenuta nel suddetto bollitore si trasforma in
vapore che, sotto pressione, passa in un condensatore
dove si raffredda e di conseguenza si liquefà.
Successivamente tale fluido transita in un evaporatore
nel quale si espande ritornando allo stato gassoso con sottrazione di calore dall'ambiente
circostante. Successivamente il vapore viene raccolto in un assorbitore
dove viene miscelato con il restante liquido frigorigeno. A questo punto il ciclo ricomincia
in quanto la miscela acqua e ammoniaca ritorna al punto di partenza e cioè al bollitore. Vediamo
ora dove sono ubicate, sui frigoriferi dei camper, queste quattro parti costituenti i
frigoriferi ad assorbimento (o trivalenti) e cioè: il bollitore, il condensatore,
l'evaporatore e l'assorbitore.
Il bollitore é ubicato sulla parete esterna posteriore del frigorifero
ed é racchiuso entro il generatore o caldaia; nella caldaia sono presenti e funzionano
alternativamente le tre fonti di energia che producono il calore necessario a far funzionare
il nostro frigorifero. Il condensatore
è ubicato anch'esso sulla parete esterna posteriore del frigorifero, in alto superiormente
al generatore, é attorniato da alette per favorire la dispersione del calore in quanto la
sua funzione é quella di "ricondensare" i vapori frigorigeni
prodotti dal bollitore e tale azione avviene mediante scambio di calore con l'esterno. l'evaporatore
é l'unico componente situato all'interno della cella frigorifera in quanto il suo compito è
quello di assorbire calore durante l'espansione dei fluidi. L'assorbitore
è l'insieme dei tubi situati tra il condensatore e la caldaia.
Il frigorifero a compressione funziona nel rispetto
delle stesse leggi fisiche suddette ma utilizza un motore che aziona un compressore per produrre
il cambiamento di stato del fluido.
Esso contiene sempre un fluido allo stato gassoso (in genere freon) che viene aspirato da un
compressore azionato da un motore elettrico (nel caso del camper alimentato dalla corrente
continua a 12 Volt) dove, per effetto della compressione, diminuisce di volume e aumenta di
temperatura (come nella caldaia del ciclo ad assorbimento); successivamente, in un
condensatore analogo a quello visto precedentemente nel ciclo ad assorbimento, viene
raffreddato a volume costante fino a liquefarsi.
Dopo di che passa in un serbatoio dal quale viene immesso nell'evaporatore dove si espande
bruscamente e ritorna allo stato gassoso sottraendo calore all'ambiente circostante e
generando quindi il freddo. Dall'evaporatore il fluido ritorna al compressore dove il ciclo
ricomincia. Vediamo ora dove sono ubicate queste parti costituenti i frigoriferi a compressore,
nell'installazione sui nostri camper, e cioè: il compressore, il serbatoio, il condensatore
e l'evaporatore. Il compressore,il condensatore e il serbatoio,
sono di solito ubicati in quella che si chiama unità
frigorifera cioè quell'insieme di componenti situati per lo più alla base o a lato
del frigorifero. Tale unità frigo, data la particolare dislocazione entro un mobile del
camper, è dotata di un impianto di ventilazione che provvede a raffreddare sia il condensatore
che il motore del compressore e quindi a far funzionare il frigorifero. Infatti senza tale
raffreddamento, non presente sui nostri analoghi frigoriferi di casa, il freddo non può essere
prodotto. L' evaporatore invece, come nel caso precedente del ciclo di
assorbimento, è ubicato entro la cella frigorifera