Giu 172024
 

Le grandi scoperte sono spesso casuali, altre invece nascono da un’attenta osservazione dei fenomeni naturali. È questo il caso di una nuova tecnologia fotovoltaica in grado, si spera, di trasformare radicalmente il modo attuale di produrre elettricità dalla luce.

Gli attuali pannelli fotovoltaici utilizzano costosi materiali e processi all’avanguardia, ma nel migliore dei casi non riescono a trasformare oltre il 25% delle radiazioni luminose assorbite in elettricità.

I diodi o celle fotovoltaiche che li compongono hanno una superficie quadrangolare di circa 10 cm2 e, una volta esposte al Sole, non solo non riuscono a trasformare più della sopra citata percentuale di luce solare, ma presentano un ulteriore…. (se vuoi continuare ad approfondire, clicca sull’immagine qui sotto per leggere il resto dell’articolo)


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Laser

Nov 082023
 

Uno dei sistemi più inquinanti del trasporto autostradale è quello dei Tir, gli enormi giganti della strada che emettono grandi quantità di CO2 nell’atmosfera costituendo uno dei più pericolosi sistemi di mobilità per l’ambiente.

La famosa casa automobilistica svedese è impegnata da anni in un progetto di ricerca per tentare di ridurre le loro emissioni inquinanti.

La tecnica utilizzata è quella dei pannelli solari che, ricoprendo… (se vuoi continuare ad approfondire, clicca sull’immagine qui sotto per leggere il resto dell’articolo)


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Mar 012023
 

Sostenibilità, risparmio energetico, rispetto dell’ambiente sono oramai un mantra che sentiamo spesso ripetere in ogni luogo e in ogni occasione.
L’aver riscontrato che le risorse e le capacità rigenerative del nostro pianeta non sono infinite, ha messo in moto il processo di cambiamento che vediamo concretizzarsi continuamente in molti aspetti della nostra vita, dal modo in cui si produce l’energia, al modo in cui la si utilizza, dalla mobilità alla riciclabilità di ciò che realizziamo e usiamo.

A questo argomento…..(se vuoi continuare ad approfondire, clicca sull’immagine qui sotto per leggere il resto dell’articolo)


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Gen 172021
 

La tecnologia fotovoltaica, ossia quella utilizzata nei pannelli che disponiamo sui tetti delle nostre case, capaci di raccogliere la luce del sole trasformarla in elettricità è soltanto all’inizio e assistiamo continuamente nuove scoperte che ne migliorano le caratteristiche, la qualità e la durata. Uno dei problemi maggiori dei pannelli fotovoltaici e che nella conversione della luce in energia elettrica essi riescono, nelle condizioni migliori, a convertire al massimo i due terzi dei fotoni che li colpiscono.

Partiamo dal ricordare velocemente come funziona la tecnologia fotovoltaica; si tratta di quel fenomeno fisico per cui un materiale semiconduttore trattato con differenti prodotti sulle sue due superfici, diventa un diodo, ossia un componente elettrico in grado di far fluire la corrente solo in una direzione creando così la possibilità di assemblare diverse celle in sequenza per formare una stringa e poi pannelli sempre più grandi, sommando in questo modo le cariche prodotte come fanno le pile in sequenza. Purtroppo questi pannelli sono in grado di convertire soltanto alcuni fotoni, quelli ad alta energia, mentre altri, invece, vengono completamente dispersi o non catturati perdendo una grande quantità di energia che potrebbe essere sfruttata.

Lo studio condotto dalla Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano Bicocca, ha permesso di realizzare nuovi materiali capaci di modificare le proprietà elettroniche di questi pannelli e di ottimizzare il recupero di parte dello spettro solare non utilizzato dai dispositivi fotovoltaici. In pratica, il sole emette radiazioni di diverso colore e quindi con diversa energia che, potrebbero tutti essere raccolti per produrre elettricità e attivare reazioni chimiche, ma sfortunatamente, le tecnologie fotovoltaiche attuali non riescono a realizzare.

I ricercatori dell’Università milanese, hanno progettato un sistema multicomponente in grado di catturare i fotoni sprecati, quelli a bassa energia, e di convertirli in fotoni ad alta energia così da poter sfruttare la parte di spettro luminoso che sfugge agli attuali sistemi. Si tratta di nanocristalli a semiconduttore capaci di assorbire la luce, modificati introducendo al loro interno delle impurezze d’oro il cui scopo è quello di funzionare da ponte energetico tra il nano-cristallo e i convertitori, sfruttando dei meccanismi ultra veloci che avvengono in milionesimi di milionesimi di secondo (picosecondo).

È ovvio che questa ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Materials, ed intitolata High Photon Upconversion Efficiency with Hybrid Triplet Sensitizers by Ultrafast Hole-Routing in Electronic-Doped Nanocrystals, potrà portare nell’immediato futuro allo sviluppo di nuovi nano-materiali ibridi in grado di portare enormi miglioramenti anche in altri campi della fotonica e della fotochimica.

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Mag 262020
 

Che le celle fotovoltaiche saranno sicuramente quelle che rivoluzioneranno il mercato dell’energia e il modo in funzioneranno le nostre apparecchiature. Forniranno energia gratuita e pulita alla maggior parte delle installazioni anche se è ancora necessario migliorare e rendere più efficiente l’attuale tecnologia. Ma oggi si inizia parlare di altro, ossia di utilizzare questo sistema capace di trasformare la luce del sole in elettricità come sistema di alimentazione per dispositivi indossabili. Immaginate il vostro smartwatch sempre al polso e senza alcuna necessità di dover essere continuamente posizionato sulla basetta di ricarica.

Si tratta di un nuovo sistema di celle, 10 volte più sottili, pari a 0,3 micron di spessore, leggerissime e, nonostante le ridotte dimensioni, capace di erogare sufficiente energia pari a 9,9 W per grammo in grado di alimentare apparecchi indomabili come il già citato smartwatch.

Il team di ricercatori internazionali, con la partecipazione della Monash University di Melbourne, spiega di aver realizzato questa minuscola cella fotovoltaica super sottile ad alta efficienza con un materiale che vanta una enorme capacità di curvatura meccanica e stiramento ed in grado di fornire una fonte energetica duratura.

Dei test eseguiti, risulta che anche le sue capacità di funzionamento sotto stress, risultano molto elevate, infatti questo, dopo oltre 4700 ore di funzionamento mostra un degrado e di appena il 4,8% e può funzionare con una degradazione minima per oltre 20.000 ore, cioè di circa 11,5 anni.

Il trucco dipende da un mix di materiali che sono in grado di assorbire non solo i raggi ultravioletti del sole ma anche diverse lunghezze d’onda e trasformare in elettricità il 13% della luce ambientale che è un numero piuttosto basso rispetto alle celle solari tradizionali, quelle per comprenderci posizionate sui tetti delle case, ma assolutamente sufficiente per un dispositivo da polso.

Nonostante i grand risvolti che potrebbe avere questa scoperta, i ricercatori frenano gli entusiasmi spiegando che saranno necessari anni prima di vederla applicata su un dispositivo, perché ancora diversi  problemi di funzionamento e tecnologici debbono essere risolti.

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Ott 172018
 

In Australia, terra giovane e pioniera di tante iniziative a livello globale, sta per avviarsi un progetto frutto di un enorme investimento economico fatto dal multimilionario Brian Flannery proprietario di resort turistici nel grande continente. Flannery, ha deciso di investire ben 4 milioni di dollari in un progetto eco-turistico che, si inserisce in una politica nazionale volta allo sviluppo del turismo sostenibile come chiave per lo sviluppo di questo settore sfruttando l’energia solare. Ma di cosa si tratta?

Utilizzando un vecchio treno con più di 70 anni di età, si avete letto bene 70, il visionario magnate ha restaurato locomotiva e carrozze della vecchia Byron Bay Railroad Company ricoprendo tutta la superficie del tetto con pannelli fotovoltaici in grado di produrre 6,5 chilowatt di potenza. Grazie a questi, l’iconico treno riuscirà a percorrere una prima tratta di circa 3 chilometri sulla linea nella Byron Bay, zona turistica del Nuovo Galles del Sud.

Il treno sarà in grado di trasportare circa 100 eco-turisti lungo un percorso storico non consumando gasolio ne carbone e ad impatto zero. Lungo il percorso è posta una stazione di ricarica sempre solare, in grado di erogare circa 30 chilowatt di energia nei casi in cui, a causa delle avverse condizioni atmosferiche, il treno non potesse ricaricarsi autonomamente. Già con la sua ricarica fotovoltaica, il treno è in grado di compiere la tratta per 15 volte. Inoltre, un sistema di frenata a recupero di energia, riesce a accumulare altra elettricità dall’energia dissipata durante questa.

A voler essere precisi, non è il primo esperimento di mezzo riconvertito a energie Green sul pianeta, ma è sicuramente il primo ad utilizzare esclusivamente energia pulita perché gli altri hanno comunque un sistema alternativo con motori  scoppio.

Ott 142016
 

L’ottimizzazione delle tecnologie energetiche già in uso procedono di pari passo con la ricerca di nuove e efficaci soluzioni con lo scopo di massimizzare la “trasformazione” di forme di energia in elettricità (vedi Le Fonti e le Forme di Energia).

Cicala01

Le soluzioni provengono da ricerche condotte da molti laboratori internazionali nelle direzioni più disparate. L’ultima arriva dalla Cina, dall’Università di Shanghai Jiao Tong dove un gruppo di ricercatori ha studiato la particolare composizione delle ali delle cicale. Queste sono composte da una serie infinita di microscopici coni con punta verso l’esterno.

I ricercatori hanno visto nell’inconsueta composizione di queste ali, la soluzione in grado di migliorare sensibilmente l’efficienza dell’energia solare riducendo sprechi e massimizzando l’efficienza.

Cicala02

Riproducendo la struttura di queste ali attraverso l’uso di altri materiali semiconduttori, tipo il biossido di titanio, i ricercatori sono riusciti a creare una superficie in grado di abbattere quasi totalmente il riflesso della luce. Pensate al vantaggio che è possibile ottenere con una superficie del genere se applicata alle celle fotovoltaiche; questi pannelli, che trasformano la luce solare direttamente in elettricità continua quando colpiti dai fotoni provenienti dal Sole, possono incrementare la loro efficienza in maniera esponenziale perché la luce rimane intrappolata interamente sulla sua superficie senza dispersione e senza ritorno nell’atmosfera.

Cicala03In pratica i microscopici coni realizzati sul semi-conduttore, creano dei percorsi obbligati che la luce è costretta a percorrere in infinite riflessioni penetrando sempre più in profondità e non riuscendo più a riemergere a causa di queste e della dispersione. Le frequenze comprese tra i 450 e i 750 nanometri restano così intrappolate permettendo al pannello di assorbire la massima quantità di energia.

I pannelli possono, inoltre, essere esposti a temperature fino a 500 °C e restare efficientissimi anche in condizioni climatiche estreme conservando la loro incredibile qualità.

Lo studio, pubblicato sulla rivista internazionale “Applied Physics Letters”, descrive dettagliatamente il progetto e ne fa comprendere la portata.

Da un impercettibile battito d’ali una grande fonte di energia.

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Apr 122016
 

Ancora lui, il grafene, il materiale dei miracoli ricavato dalla grafite capace con la sua incredibile struttura di realizzare cambiamenti epocali in ogni campo. Lo studio e la sua applicazione questa volta arrivano dalla Cina ed esattamente dalla Ocean University of China.

FOTOGRAFENE03

In pratica, gli scienziati hanno applicato uno strato pari allo spessore di un atomo sulla superficie di pannelli fotovoltaici riuscendo in questo modo a produrre energia anche quando la superficie è ricoperta da gocce di pioggia.

FOTOGRAFENE02

Il grafene posto sulla superficie del vetro del pannello, riesce a scindere i vari sali contenuti nelle gocce d’acqua, sodio, calcio, ammonio, carichi positivamente riuscendo così a creare una differenza di potenziale sulla sua superficie che genera elettricità anche quando il pannello è ricoperto dalla pioggia.

Lo strato di grafene fa da filtro consentendo la scissione dei sali e il pannello, almeno in fase di prototipo è riuscito a produrre elettricità. Ancora si tratta di poca cosa, ma gli studi fanno sperare bene e l’obiettivo è quello di produrre energia elettrica direttamente dalla luce del sole  e in alternativa dalle gocce d’acqua che nelle giornate piovose ricoprono la sua superficie.

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Mag 282012
 

A volte abbiamo vicino a noi delle incredibili realtà e nemmeno lo sappiamo perché poco pubblicizzate e non sponsorizzate o semplicemente perché le cerchiamo lontano. L’altro giorno, mi sono imbattuto in un articolo su internet che ha attirato la mia attenzione perché parlava di tecnologia e Catania. Ho scoperto con mio stupore che nella nostra città, si tiene annualmente e quest’anno cadeva tra il 25 e il 27 maggio, un evento denominato “Start Up Weekend Catania” che riunisce al Beasy Bureau sviluppatori, designer, esperti di business e investitori.

Tra i progetti e le invenzioni presentate all’evento la più importante è sicuramente quella di tre giovani ricercatori catanesi, Giuseppe Suriani, Salvatore Bagiante e Michele Corselli, che stanno registrando un brevetto innovativo per la realizzazione di una pellicola, applicabile anche ai vestiti che, funge da caricatore per devices elettronici. Si tratta di un caricatore solare dello spessore di un foglio utile a ricaricare, in qualunque luogo, dispositivi quali smartphone, tablet  e lettori mp3. Il progetto, diffuso dai tre in versione preliminare, prende il nome di SOLAR WRITING e si tratta di sottilissime celle fotovoltaiche, flessibili e leggere che si ricaricano di energia semplicemente con l’esposizione al sole. Questa pellicola, si può sovrapporre quasi come un adesivo ai tessuti di qualunque capo di abbigliamento, oltre che a zaini e cartelle. L’obiettivo, come descritto dagli stessi autori, è rendersi energeticamente indipendenti da fili, prese, e caricabatterie ingombranti e pesanti. Adesivi low cost che ricaricano il telefonino all’infinito, tutte le volte che si vuole, avendo bisogno soltanto di una buona giornata limpida. “Solar Writing – aggiungono i tre inventori catanesi – ha bisogno solo di qualche ora di carica alla luce del sole, e per l’Mp3 appena di un’ora e mezza. Il design è una delle caratteristiche che stiamo sviluppando, perchè di solito tecnologia e moda si sposano difficilmente e invece noi vogliamo dare molta attenzione alla forma”.


Giuseppe e Michele sono ingegneri microelettronici, Salvatore un fisico esperto nella scienza dei materiali. Insieme hanno fondato una start-up, la “eRALOS3”, che ha vinto riconoscimenti internazionali come “Mind the Bridge Business Plan Competition”, e il primo premio “Wind Business Factor”.

Auguriamo anche noi di educazionetecnica.com tanta fortuna a questi giovani ragazzi che nonostante il periodo hanno comunque deciso di investire e lavorare in Italia e soprattutto al sud. Questo conferma che se si hanno delle buone idee, queste sono valide in ogni parte del mondo.

Mar 272012
 
Oggi EducazioneTecnica.com svolge un servizio pubblico-informativo diffondendo una notizia che riguarda da vicino il mondo della scuola e la tecnologia.
Nel progetto di diffusione delle teknologie nelle scuole finalizzate al risparmio energetico, il Ministero dell’Ambiente ha realizzato un bando di concorso rivolto a Comuni e Provincie per la diffusione degli impianti fotovoltaici sugli edifici scolastici. Il bando mette a disposizione l’importo di tre milioni di euro pari al 100% del costo ammissibile con un limite massimo di 40 mila euro per edificio scolastico Non sono previsti oneri a carico dell’ente locale. Il primo bando diramato dal Ministero, chiamato IL SOLE A SCUOLA prevedeva una copertura economica di 9 milioni e 700 mila euro ed  ha visto la partecipazione di oltre 1.300 scuole. Circa 800 gli interventi approvati, 500 dei quali completati con una massiccia adesione delle scuole siciliane. La seconda edizione di questo concorso prevede di raggiungere altre 1000 scuole pubbliche. Il premio andrà a chi produrrà i migliori elaborati sull’analisi e il risparmio energetico. Sulla pagina del Ministero www.minambiente.it, il testo e tutte le informazioni sul nuovo  bando. Il comunicato relativo al Bando in questione è già stato pubblicato sulla Gazzetta Ufficiale del 20 marzo 2012.

 

Il bando, come detto è rivolto agli enti pubblici, proprietari di edifici che ospitano scuole primarie e secondarie con il coinvolgimento nel progetto  di analisi energetica e interventi miranti alla razionalizzrivolto ai Comuni e alle Province che siano proprietari di edifici ospitanti scuole medie inferiori o superiori ed elementari, è finalizzato alla realizzazione di impianti fotovoltaici sugli edifici scolastici e, simultaneamente, all’ avvio di un’attività didattica volta alla realizzazione di analisi energetiche e di interventi di razionalizzazione e risparmio energetico nei suddetti edifici, tramite il coinvolgimento degli studenti.

Feb 152012
 
FOTOVOLTAICO
Indice Argomenti
1 FOTOVOLTAICO
2 L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO
3 GLI ELEMENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO
4 FOTOVOLTAICO AD ACCUMULO (coming soon)
Mappa MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO
Video APPROFONDISCI CON I VIDEO
Lezioni precedenti sull’Energia Solare
#1 SOLARE A CONCENTRAZIONE
Prossime Lezioni sull’Energia Solare
#3 SOLARE TERMICO

L’energia che sprigiona il Sole può essere utilizzata anche attraverso metodi diversi dalle centrali a concentrazione e per finalità diverse dalla produzione di energia elettrica. Diversi sistemi sono in studio e alcuni ormai sono giunti a maturazione e trovano impiego nelle nostre case e città. Tra queste tecnologie, possiamo citare i pannelli solari per la produzione di calore a bassa temperatura e gli impianti fotovoltaici che trasformano direttamente l’Energia Radiante del Sole in energia elettrica.

FOTOVOLTAICO

Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che permettono di captare l’Energia Solare e di trasformarla in Energia Elettrica. Questo avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico, cioè la capacità di alcuni materiali semiconduttori (normalmente silicio) di generare elettricità quando esposti alla Radiazione Luminosa.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in un impianto fotovoltaico?

Quando i fotoni (unità elementare, priva di carica elettrica e di massa, che si propaga esattamente alla velocità della luce) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia è assorbita dal materiale (silicio drogato) e alcuni elettroni, scalzati dalla loro posizione, scorrono attraverso il materiale producendo una corrente continua che può essere raccolta sulle superfici della cella.

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L’IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie: quelli connessi alla rete elettrica (grid-connected) e quelli isolati (stand-alone). Nei primi, la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale esce sotto forma di corrente alternata, tale da poter essere poi trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione. I secondi invece sono in genere dotati di accumulo e possono essere senza o con inverter. Il sistema di immagazzinamento è necessario per garantire la continuità dell’erogazione anche nei momenti in cui non viene prodotta. Questo avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie).

Schema di Impianto Fotovoltaico

Nel sistema grid-connected non è previsto un sistema di accumulo in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico viene alimentato dalla rete.

Il fotovoltaico può essere usato anche per realizzare delle centrali per la produzione di energia elettrica. In questo caso, bisognerà collegare in serie o in parallelo, più celle fotovoltaiche tra di loro.

Campo fotovoltaico

Sapendo che ogni cella produce circa 1,5W di potenza elettrica, basterà conoscere il consumo dell’area da servire per stabilire quante celle dovranno essere collegate tra loro per fornire l’energia necessaria. Per stabilire queste connessioni e renderle fattibili, le celle vengono combinate tra di loro in strutture regolari sempre più grandi che prendono i seguenti nomi (vedi schema sopra):

  • modulo;
  • pannello;
  • stringa;
  • campo.

MODULO – i più comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Queste sono assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (il tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i diodi e i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e le taglie normalmente in commercio vanno da 100 a 300 Watt di potenza.

Struttura di un pannello fotovoltaico

PANNELLO – è un insieme di più moduli collegati in serie o in parallelo su una struttura rigida.

STRINGA – per fornire la tensione richiesta, più moduli o più pannelli, possono essere collegati elettricamente in serie costituendo una stringa.

CAMPO – è un collegamento elettrico di più stringhe. Nella fase di progettazione devono essere effettuate alcune scelte determinanti. Innanzitutto bisogna scegliere tra una configurazione in serie o una in parallelo dei moduli.

Collegamento in Serie Collegamento in Parallelo

La distanza minima fra le file di pannelli non può essere casuale ma deve essere fatta in modo da evitare che l’ombra della fila anteriore possa coprire quella immediatamente posteriore. È quindi necessario calcolare la distanza minima tra le file in funzione dell’altezza dei pannelli, della latitudine del luogo e dell’angolo di inclinazione dei pannelli.

Pannello fotovoltaico Stringa fotovoltaica Campo fotovoltaico

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GLI ELEMENTI DI UN IMPIANTO FOTOVOLTAICO

Un impianto fotovoltaico è costituito dai seguenti elementi:

  1. celle fotovoltaiche;
  2. inverter;
  3. contatore energia prodotta (GSE);
  4. contatore energia scambiata (bidirezionale).

CELLA FOTOVOLTAICA – è un diodo (componente elettronico che consente il passaggio della corrente in una direzione e ne impedisce il passaggio in quella opposta) di grande superficie che, esposto ai raggi del sole, converte la Radiazione Solare in elettricità. La cella si comporta come una minuscola batteria e produce una corrente di 3 Ampere con una tensione di 0,5 Volt, quindi una potenza che sfiora 1,5 Watt.

Schema di funzionamento di una cella di silicio

Sono di colore blu scuro a causa dell’ossido di titanio presente nel rivestimento antiriflettente, fondamentale per massimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. La loro forma è quasi sempre quadrata o circolare e le misure variano dai 10cm x 10cm ai 15cm x 15cm. Sono costituite principalmente da silicio,  arsenuro di gallio e telloluro di cadmio, tutti semimetalli. Il flusso di elettroni è orientato, ossia fluisce in una determinata direzione, all’interno della cella; su questa sono sovrapposti altri due strati di silicio (tipo n e tipo p), trattati ognuno con un particolare elemento chimico (operazione detta di drogaggio), fosforo e boro. Di tutta l’energia che investe la cella solare sotto forma di radiazione luminosa, solo una parte viene convertita in energia elettrica. L’efficienza di conversione delle celle commerciali al silicio è compresa tra il 10% e il 20%.

Cella fotovoltaica Celle ultrasottili

INVERTER –  i pannelli fotovoltaici generano corrente di tipo continuo. Il sistema di distribuzione dell’energia nazionale avviene, invece, in corrente alternata. Per questo motivo, viene installato un dispositivo elettronico chiamato inverter, capace di trasformare l’energia elettrica da continua ad alternata. A questo punto, per rendere la corrente prodotta da una centrale fotovoltaica idonea alle utenze da servire, bisogna installare una serie di dispositivi che prendono il nome di B.O.S. (Balance of System) che comprendono, oltre all’inverter, il trasformatore, i quadri elettrici e i sistemi ausiliari di centrale.

CONTATORE ENERGIA PRODOTTA (GSE) – serve a misurare l’energia prodotta giornalmente dall’impianto. Questo dispositivo è essenziale per capire quanto si sta guadagnando dalla produzione di energia del proprio impianto fotovoltaico. I  dati di questo contatore vengono periodicamente trasmessi al Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) il quale li elabora e calcola l’incentivo totale sull’energia prodotta.

CONTATORE ENERGIA SCAMBIATA (bidirezionale) – questo strumento elettronico, serve nel momento in cui il nostro impianto fotovoltaico produce più energia di quanto l’utenza ne possa consumare. Allora serve un secondo contatore che consenta il passaggio di un flusso di energia elettrica dall’impianto fotovoltaico verso la rete pubblica (flusso uscente). Tale contatore garantisce, inoltre, il flusso di corrente in senso opposto (flusso entrante) nei momenti in cui l’impianto fotovoltaico non è in grado di sopperire alle esigenze dei carichi elettrici (ad esempio nelle ore notturne o in assenza di Sole).

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MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO

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APPROFONDISCI CON I VIDEO
PANNELLO FOTOVOLTAICO COME FUNZIONA?
Durata: 4:53 Durata: 5:06
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Feb 082012
 
SOLARE A CONCENTRAZIONE
Indice Argomenti
1 ENERGIA SOLARE
2 IMPIANTI PARABOLICI LINEARI
3 IMPIANTI A TORRE
4 IMPIANTI FRESNEL
M MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO
V APPROFONDISCI CON I VIDEO
Argomenti correlati a Energia Solare
#1 FOTOVOLTAICO
#2 SOLARE TERMICO

Il Sole fornisce quotidianamente una quantità immensa di energia gratuita, pulita e inesauribile. Si è misurato che irraggia ogni metro quadro di superficie del nostro pianeta con 1Kw di energia al giorno. Il Sole, inoltre, determina l’esistenza anche di altre forme di energia sulla Terra; si pensi all’acqua e al vento per citarne qualcuna. Le uniche fonti di energia non influenzate direttamente dal Sole sono la geotermica e la nucleare. Esistono diversi modi per sfruttare e impiegare l’energia solare. Tra questi abbiamo il riscaldamento, la produzione di acqua calda e la produzione di energia elettrica. Il processo che consente di sfruttare l’energia del Sole, è come negli altri casi complesso e richiede diversi passaggi di stato.

ENERGIA SOLARE

Una centrale solare è costituita essenzialmente da specchi o altri strumenti che fungono da captatori per l’Energia Radiante del Sole. Questi concentrano i raggi catturati in un punto chiamato ricevitore che viene fortemente riscaldato trasformando l’energia catturata in Energia Termica. Questa consente di far evaporare dell’acqua che diventa vapore surriscaldato ad alta temperatura, in grado di far ruotare una turbina a vapore; l’energia termica viene così trasformata in Energia Meccanica e infine, attraverso un generatore collegato alla turbina, questa diventa Energia Elettrica.

Innanzitutto bisogna sapere che esistono diversi sistemi oggi in uso per sfruttare l’energia solare. Questi sistemi vengono comunemente chiamati a “concentrazione solare” e sono distinti in:

  • Impianti parabolici lineari;
  • Impianti a torre;
  • Impianti lineari Fresnel.

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IMPIANTI PARABOLICI LINEARI

Schema di Centrale Parabolica Lineare

Sono in assoluto quelli più diffusi. Per ottenere la trasformazione energetica descritta, questo tipo di centrali è costituita da specchi che hanno una forma parabolica, tale da riflettere i raggi solari tutti su di un punto (il fuoco della parabola) dove si trova il tubo assorbitore.

Schema di funzionamento

Per comprendere il principio di funzionamento basta pensare ad una lente di ingrandimento puntata su un foglio: essa raccoglie i raggi solari concentrandoli in un unico punto (che corrisponde al nostro assorbitore). Dopo qualche istante, quel punto raggiunge temperature talmente elevate da far incendiare il foglio. Nello specchio parabolico l’assorbitore è un tubo che attraversa per lungo tutti gli specchi che vengono messi in serie. E’ possibile cambiare l’orientamento degli specchi ma unicamente ruotandoli su se stessi (un grado di libertà). Gli elementi costituenti una centrale parabolica lineare sono:

  1. pannelli solari (riflettore);
  2. tubo ricevitore (captatore);
  3. generatore di vapore;
  4. turbina a vapore;
  5. generatore;
  6. trasformatore.
PANNELLI SOLARI

Sono specchi dalla forma curva (parabola) progettati per concentrare i raggi solari in un unico punto (fuoco). Sono realizzati in un particolare vetro in grado di concentrare una elevatissima quantità di raggi solari e sono montati su di una struttura in alluminio comandata da un computer in grado di farli ruotare in una direzione per seguire il Sole. Questi pannelli di vetro vengono montati in file parallele lunghe alcune centinaia di metri che formano un campo solare.

TUBO RICEVITORE

È costituito da un tubo di acciaio inox, ricoperto con vari strati di materiali altamente assorbenti e inguainato in un tubo di vetro Pirex sottovuoto. Grazie alla presenza del vetro, il fluido termovettore (normalmente un olio minerale) può raggiungere anche temperature di 400°C e oltre a seconda del tipo di rivestimenti. Il vetro è trattato con strati antiriflettenti sia internamente che esternamente ed è dotato di soffietti alle estremità che consentono di chiudere ermeticamente il fluido e di essere connessi con facilità agli altri tubi per realizzare un percorso continuo.

GENERATORE DI VAPORE

Si tratta di un apparecchio che trasferisce calore ad un liquido (generalmente acqua) in modo da generare vapore. Il calore in questo caso è quello sviluppato dall’azione irraggiante del Sole sul tubo ricevitore e quindi, sull’olio minerale contenuto al suo interno.

TURBINA A VAPORE

È il componente di una centrale termoelettrica dove l’energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.

CONDENSATORE
È un dispositivo per il trattamento dei vapori caldi e contaminati che sfrutta il fenomeno della condensazione per rimuovere gli elementi inquinanti da un flusso d’aria. La condensazione può essere ottenuta attraverso un aumento della pressione o con una riduzione di temperatura o combinando i due processi.
GENERATORE
L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

TRASFORMATORE

È una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

PRO e CONTRO di una Centrale Parabolica Lineare

I vantaggi di questo tipo di centrale derivano dal fatto che si tratta di una tecnologia ormai matura e collaudata, gli svantaggi sono però molteplici. Innanzitutto la temperatura operativa raggiunta dal fluido termovettore non è sufficientemente alta, gli specchi curvi sono molto costosi e difficili da sostituire e da mantenere, il fluido termovettore è altamente infiammabile e tossico, per cui si pone l’ulteriore problema dello stoccaggio. Infine, questo tipo di centrale risulta poco conveniente da un punto di vista dei costi di gestione.

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IMPIANTO A TORRE

Schema di Centrale a Torre

Il sistema a torre centrale è una evoluzione di quello lineare, del quale cerca di superare tutti i limiti. E’ costituto da un campo di eliostati che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricevitore posto alla sommità di una torre. Nel ricevitore fluisce un fluido che riscaldandosi ad alta temperatura è in grado di produrre energia o di immagazzinarla sotto forma di calore. Se il fluido è acqua si ha produzione di vapore ad alta pressione direttamente nel ricevitore, se nel ricevitore circolano aria o sali fusi, il vapore viene prodotto in un generatore di vapore nel blocco energetico dell’impianto. Gli elementi fondamentali di un impianto di questo tipo sono:

  1. eliostati (riflettore);
  2. torre (captatore);
  3. serbatoi accumulo sali caldi e freddi;
  4. generatore di vapore;
  5. torre di raffreddamento;
  6. turbina a vapore;
  7. generatore;
  8. trasformatore.

ELIOSTATI – sono grandi specchi, piani o leggermente concavi, in grado di concentrare fino a 30 volte la radiazione solare a grande distanza, attualmente fino a 1Km. Vengono disposti radialmente attorno alla torre secondo una configurazione a scacchiera in modo da permettere la riflessione della radiazione solare sul ricevitore della torre durante il movimento del Sole. Ogni eliostato si muove in modo diverso dagli altri per effetto della sua posizione relativa rispetto alla torre.

Al crescere delle dimensioni cambia la distribuzione degli eliostati, da ventaglio a campo circolare; l’efficenza è funzione della disposizione degli specchi sul campo. Questa efficienza può essere ridotta a causa di alcuni fattori errati di progettazione; questi sono:

  • Shadowing (proiezione dell’ombra di un eliostato su quello posteriore);
  • Blocking (intercettazione della radiazione riflessa da un eliostato posto anteriormente);
  • Spillage (frazione di radiazione riflessa da un eliostato che esce dal bersaglio del ricevitore).

TORRE SOLARE

Struttura a torre posta al centro dell’impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

SERBATOI DI ACCUMULO

Nelle centrali a torre, il fluido termoconvettore è costituito da sali fusi, una miscela di nitrati di sodio e potassio, che consentono temperature operative più elevate (500-550°C), rispetto all’olio diatermico, con migliore rendimento nella trasformazione in energia elettrica. I sali fusi, hanno inoltre, una discreta capacità di accumulo e conservazione del calore, consentendo di ovviare alla variabilità giornaliera della radiazione solare e alla sua assenza notturna. Presentano però l’inconveniente di solidificare a temperature tra 142 e 238°C, è necessario perciò mantenerli sempre in circolazione a temperature maggiori, per evitarne la solidificazione.

Le centrali di questo tipo funzionano prelevando con una pompa dal serbatoio freddo, i sali in esso depositati e facendoli circolare nel collettore solare, fino a raggiungere la temperatura di 550°C; a questo punto i sali così riscaldati vengono inviati in un serbatoio caldo dove vengono accumulati. Dal serbatoio caldo i sali passano nel generatore di vapore, cedono calore all’acqua contenuta in esso, la trasformano in vapore surriscaldato e ritornano nel serbatoio freddo. Il vapore surriscaldato aziona la turbina della centrale elettrica. L’accumulo con sali fusi consente una limitata autonomia di funzionamento in assenza o insufficienza insolazione.

GENERATORE DI VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TORRE DI RAFFREDDAMENTO

È un’installazione che preleva calore dall’acqua tramite evaporazione e conduzione. L’acqua viene pompata in cima alla torre di raffreddamento e quindi fluisce giù attraverso involucri di plastica o di legno. Ciò causa la formazione di goccie. Mentre fluisce verso il basso, l’acqua emette calore che mescola con la corrente d’aria superiore, raffreddandosi di 10-20 °C. Parte dell’acqua evapora, emettendo più calore. Il vapore acqueo può a volte essere osservato sopra la torre di raffreddamento.

TURBINA A VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

GENERATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TRASFORMATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

PRO e CONTRO di una Centrale a Torre

Le centrali a torre risolvono molti dei problemi delle centrali paraboliche. Innanzitutto con gli eliostati piani che, hanno un costo notevolmente inferiore, consentono una più facile manutenzione e pulizia e sono più facilmente installabili.

I sali, usati al posto degli oli, consentono di accumulare il calore e di riutilizzarlo durante i periodi di scarso irraggiamento. Inoltre, operano a temperature più elevate e quindi sono più efficienti dal punto di vista energetico. Infine, i sali non sono tossici e una volta dismessi dalla centrale possono essere riutilizzati in agricoltura come concimi. Inoltre, i sali debbono essere mantenuti ad una temperatura superiore ai 236° al di sotto della quale solidificherebbero compromettendo in maniera permanente l’intero impianto.

Queste centrali presentano però alcuni inconvenienti: il sistema caldo-freddo richiede un processo di distribuzione molto complesso, cosa che aumenta i costi di progettazione e costruzione. La disposizione degli specchi a semicerchio rende difficoltosa la loro collocazione per evitare che si influenzino negativamente reciprocamente e risulta più complessa la concentrazione dei raggi sul captatore man mano che aumenta la distanza da questo. Infine anche in questo caso la centrale crea un forte impatto sull’ambiente.

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IMPIANTO FRESNEL

Schema specchi Fresnel

E’ un sistema di collettori abbastanza recente. Solo da poco tempo si stanno iniziando a realizzare impianti per la produzione di calore ad alta temperatura di questo tipo. E’ costituto da un campo di eliostati lineari che riflettono e concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore posto in posizione orizzontale fissa. Gli eliostati sono in grado di ruotare lungo l’asse longitudinale in modo da inseguire il moto del Sole e mantenere costantemente la radiazione solare riflessa sul tubo ricevitore.
Il tubo ricevitore è in genere costituito da un tubo in acciaio protetto da vetro; attualmente non è mantenuto sottovuoto, tuttavia sono in corso esperienze anche con tubi ricevitori del tipo usato per le parabole lineari.
Gli impianti finora realizzati prevedono la produzione di vapore in campo fino a 270°C, anche se sono state realizzate esperienze con produzione di vapore fino 400°C.

PRO e CONTRO di un Impianto FRESNEL
Questo tipo di impianti presenta alcune caratteristiche che li rendono competitivi nei riguardi di quelli più diffusi. Permettono, infatti, di risparmiare parecchio suolo rispetto a quelli parabolici lineari e hanno un costo di installazione di gran lunga inferiore dato il minor uso di materiali da impiegare.

Per contro, però, il loro rendimento è inferiore a causa della minore efficienza sia dei collettori (temperatura, ombreggiamenti, tubo ricevitore non isolato in vuoto) che del ciclo termodinamico.

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MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO

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APPROFONDISCI CON I VIDEO
IMPIANTO PARABOLICO LINEARE IMPIANTO A TORRE
Durata: 2:15 Durata: 1:26
IMPIANTO FRESNEL SOLARE FRESNEL
Durata: 2:24 Durata: 1:35
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