Io studio: ENERGIA EOLICA

 Didattica, Energia
Dic 282015
 
ENERGIA EOLICA
Indice Argomenti
1 IL VENTO
2 VENTO PRO E CONTRO
3 AEROGENERATORI E WIND-FARM
4 I PROBLEMI DI UNA WIND-FARM
5 MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO
6 APPROFONDISCI CON I VIDEO

IL VENTO

Anche il VENTO, come l’ACQUA e il SOLE, può essere considerata una fonte di energia e essere sfruttata per convertire la sua forma (energia eolica o cinetica delle masse d’aria) in un’altra forma.

Approfondisco: il Principio di Conservazione dell’Energia afferma che “l’energia non si può creare ne distruggere, ma solo trasformare, ossia passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: una Fonte di Energia è l’elemento naturale a disposizione dell’uomo da cui trarre l’energia. Una Forma di Energia, è la modalità in cui l’energia si manifesta. Sono ad esempio fonti, l’acqua, il Sole, il petrolio, il carbone, i rifiuti. Queste possono manifestare l’energia che possiedono in diversi modi, come ad esempio: energia termica, chimica, meccanica, luminosa, sonora, ecc.

Wind-FlagSi chiama VENTO quel fenomeno naturale rappresentato dallo spostamento delle masse d’aria tra zone a differente pressione atmosferica. In pratica la terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone fredde, in cui la Terra cede meno calore, la pressione dei gas atmosferici cresce, mentre nelle zone calde dove viene ceduto più calore, la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione. Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Tanto maggiore è questa differenza, tanto più veloce sarà lo spostamento di queste masse d’aria e quindi il vento. Un’altra delle cause del VENTO è la rotazione terrestre.

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VENTO PRO E CONTRO

Il vento è una fonte naturale presente in qualche modo su tutta la superficie terrestre capace di generare in alcuni luoghi una grande quantità di energia.

PRO – il vento è una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante.

CONTRO – il vento è una forma di energia incostante perché non è presente in tutti i luoghi in maniera costante, cambia spesso di intensità e di direzione.

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DA ENERGIA CINETICA A ELETTRICA

Passaggi-eolico

L’energia contenuta nel vento prende il nome di Energia Eolica ed altro non è che lo spostamento di masse d’aria dal basso verso l’alto o viceversa, ossia Energia Cinetica delle masse d’aria. Per sfruttare questa forma di energia e trasformarla in elettricità, vengono realizzati degli appositi aero-genreatori, una sorta di giganteschi mulini a vento capaci di ruotare anche con venti minimi, trasformando l’energia cinetica in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che, è collegato ad un generatore elettrico (alternatore) trasformando in questo modo, l’energia meccanica in Energia Elettrica.

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AERO-GENERATORI E WIND FARM

WindFARM

Una centrale eolica, chiamata anche wind-farm è costituita da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aero-generatori. Questi possono sorgere sia sulla terra ferma che in mezzo al mare (wind-farm off-shore) dove il vento soffia più intenso e costante.

EolicoSchema

Un aero-generatore è costituito da 3 parti fondamentali, pale e rotore, gondola o navicella e torre. A questa si aggiungono tutti i sistemi elettrici e di collegamento.

Aerogeneratore

Il rotore è la parte rotante dell’impianto ed è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3) dell’aero-generatore.

Approfondisco: il mozzo è la parte centrale di una ruota o di un organo rotante che alloggia al suo interno dei cuscinetti a sfera in modo da consentire alla componente che verrà montata sopra di esso di ruotare.

Il mozzo permette la rotazione delle pale e connette il rotore con il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aero-generatore chiamato gondola o navicella. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero di trasmissione veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari.

Gondola

L’albero di trasmissione lento è quello che connette il rotore con il resto degli apparati all’interno della gondola. Attraverso un moltiplicatore di giri ossia un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), l’albero di trasmissione lento trasmette la rotazione delle pale, al generatore. In pratica, questo sistema di ruote dentate, preleva la rotazione del primo asse e la trasmette tramite un secondo asse chiamato albero di trasmissione veloce decisamente più rapido, al generatore elettrico o alternatore in modo da trasformare un quantità di energia maggiore.

Sulla coda della gondola, troviamo due apparati di regolazione dell’aero-generatore chiamati anemometro e timone.

Anemometro

Anemometro

L’anemometro, è uno strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” l’aria. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente le pale con un sistema frenante qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.

Il timone, molto simile alla coda di un aereo, serve per stabilire la direzione del vento. La sua rotazione trasmette un impulso ai sistemi di controllo che fanno ruotare la gondola sulla torre per posizionare le pale correttamente nella direzione del vento.

Interno-torre-eolica

Interno di una torre

La gondola, è montata attraverso un sistema di ingranaggi ad un sostegno tubolare chiamato torre che può avere, in base alle dimensioni, al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori). L’altezza media di una torre e’ compresa tra i 40 e i 60 metri. E’ ancorata al terreno mediante strutture di fondazione o sistemi di galleggiamento quando sorge in mare. Alla base della torre troviamo anche il trasformatore elettrico e tutti gli altri apparati per la produzione e trasmissione dell’elettricità.

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I PROBLEMI DI UNA WIND-FARM

Le centrali eoliche pur utilizzando come fonte energetica da trasformare il vento, inesauribile, gratuito e non inquinante hanno comunque degli effetti negativi sull’ambiente perché realizzano una profonda trasformazione del territorio, impatto ambientale, generano interferenze elettromagnetiche e creano disturbi al sistema faunistico, modificando i flussi d’aria che conducono gli uccelli nei loro percorsi migratori.

Inoltre, le torri non possono essere installate l’una vicino all’altra, ma debbono distanziarsi longitudinalmente e trasversalmente di almeno 100 metri per non interferire l’una sull’altra sottraendosi vento.

Per evitare i problemi visivi e di impatto ambientale e per risolvere i problemi di dimensione e distanza, le torri oggi vengono realizzate in mare dove sono cresciute enormemente in dimensione e potenza.

Dimensione pale

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MAPPA CONCETTUALE

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APPROFONDISCI CON I VIDEO
COME NASCE IL VENTO? ENERGIA EOLICA
Durata: 2:35 Durata: 2:39
ENERGIA EOLICA (Ovo) WHAT’S INSIDE A WIND TURBINE?
Durata: 1:55 Durata: 5:28
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MARTE SI AVVICINA

 Energia
Nov 062015
 
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E’ da molti anni che gli enti spaziali mondiali, alla ricerca di un propulsore idoneo a lunghi viaggi spaziali, hanno focalizzato la loro attenzione su motori definiti ionici ad effetto Hall. Si tratta di una ricerca che ha origini antiche visto che già dagli anni ’50-’60 Stati Uniti ed ex Unione Sovietica avevano avviato studi in questa direzione.

Ma come funziona un motore ionico e quali sono i suoi vantaggi rispetto ai tradizionali motori a combustibile chimico? Scopriamolo insieme.

Ionica03

I motori ionici, intrappolano degli elettroni in un campo magnetico e li utilizzano per ionizzare il propellente, normalmente xeno. A questo punto, un campo magnetico genera un campo elettrico che accelera gli ioni carichi che, nel loro percorso creano il tipico pennacchio di scarico di plasma capace di spingere un veicolo spaziale. Questo processo, ha il vantaggio di consumare pochissimo. Basti pensare che il propulsore a effetto Hall installato sul veicolo spaziale SMART-1 dell’Agenzia Spaziale Europea in 13 mesi ha consumato circa 60 kg di xeno. Inoltre, lo xeno è un gas non reattivo, per cui non può esplodere rendendo questo combustibile anche sicuro. La propulsione generata da questo tipo di motori è più piccola rispetto a quella generata dai motori chimici, ma la sua efficienza è tale che può alimentare le navette fino a portarle alla velocità nominale di circa 112.000 miglia orarie risultando essere circa 10 volte più efficienti dei motori a propulsione classici.

Tali propulsori, sono già in uso da parecchi anni. Sin dal 1971 sono in orbita, montati sui satelliti geostazionari come propulsori per la loro stabilizzazione. Non sono stati utilizzati nei viaggi spaziali, proprio per la mancanza dell’ottimizzazione della durata e dell’efficienza. I classici propulsori effetto Hall, garantiscono infatti una vita media di 10.000 ore oltre le quali, il flusso di plasma degrada significativamente le pareti del motore rendendolo inutilizzabile.

Ionica01

Un viaggio spaziale importante, come quello che si progetta su Marte, richiederebbe almeno il triplo delle ore di durata per poter essere effettuato in sicurezza.

Sulla base di queste esperienze, un gruppo di fisici francesi è riuscito nell’intento di creare un prototipo di propulsore in grado di consentire un lunghissimo viaggio nello spazio profondo. Questo propulsore fa dell’efficienza la sua arma migliore, infatti, è in grado di consumare fino a 100 milioni di volte in meno il carburante utilizzato dalle normali navette a combustibile chimico. I fisici sono riusciti anche nell’intento di eliminare il danneggiamento fisico delle parti interne del motore. Hanno spostato l’anodo (elettrodo positivo) al di fuori del campo magnetico ottenendo così un propulsore senza pareti, quindi senza i vincoli sia del degrado della struttura che della limitazione della spinta (l’anodo, nella prima versione era posto all’interno del campo magnetico e questo lo faceva interagire con la nube di elettroni riducendo le prestazioni di spinta).

Ionica02

Sicuramente si sono fatti grossi passi in avanti nella ricerca e sperimentazione dei propulsori ionici, ma tanto ancora bisogna fare e capire. Julien Vaudolon, l’autore principale dello studio, ha pubblicato i risultati di questa ricerca confermando i buoni risultati raggiunti, ma anche i numerosi dubbi che si sono aperti e che sono ancora da chiarire.

La conclusione è che grandi miglioramenti sono stati compiuti in questa direzione, però si è ancora lontani dall’aver compreso chiaramente come funziona la fisica dei propulsori ionici. Altre ricerche e studi dovranno essere condotti e i costi sono molto elevati. Le speranze sono grandi, però lungi dall’essere pronti ad utilizzare tali propulsori come motori delle prossime spedizioni spaziali.

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ENERGIA IDROELETTRICA POTENZIALE

 Didattica, Energia
Mag 032015
 
IDROELETTRICO POTENZIALE
Indice Argomenti
1 L’ACQUA
2 LE CENTRALI IDROELETTRICHE
3 LE TURBINE
4 PRO E CONTRO
M MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO
V APPROFONDISCI CON I VIDEO
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#1 IDROELETTRICO POTENZIALE (esteso)

L’ACQUA

Anche l’ACQUA può essere considerata una fonte di energia e come ogni altra fonte per il “principio di conservazione dell’energia“, può passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: il Principio di Conservazione dell’Energia afferma che “l’energia non si può creare ne distruggere, ma solo trasformare, ossia passare da una forma ad un’altra.

Approfondisco: una Fonte di Energia è l’elemento naturale a disposizione dell’uomo da cui trarre l’energia. Una Forma di Energia, è la modalità in cui l’energia si manifesta. Sono ad esempio fonti, l’acqua, il Sole, il petrolio, il carbone, i rifiuti. Queste possono manifestare l’energia che possiedono in diversi modi, come ad esempio: energia termica, chimica, meccanica, luminosa, sonora, ecc.

AcquaEnergiaL’ACQUA contiene in se una forma di energia chiamata potenziale che può essere sfruttata allo scopo di ottenere l’energia elettrica a noi necessaria. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni.

Approfondisco: l’energia potenziale è quella che un corpo “potenzialmente” ha dentro di se ed è legata alla sua posizione e alle forze esterne come la gravità.

Per approfondire ulteriormente l’argomento clicca sul seguente link: energia potenziale.

PASSAGGI DI STATO
Potenziale Arrow Cinetica Arrow spur-gear-icon Arrow Apps-preferences-system-power-management-icon
POTENZIALE CINETICA MECCANICA ELETTRICA

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LE CENTRALI IDROELETTRICHE

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La centrale idro-elettrica, è costituita da un insieme di strutture di grandi dimensioni fondamentali per la trasformazione dell’energia.

schema-idroelettrico

Schema di una centrale idroelettrica

Queste sono: bacino, diga, condotta forzata, centrale (turbine), apparati elettrici (alternatore e trasformatore), opere di restituzione.

Chiamiamo bacino o serbatoio, un grande invaso contenente immense quantità d’acqua e  può essere naturale, come ad esempio un lago, o artificiale creato dall’uomo sbarrando un corso d’acqua con una diga.

Le dighe sono gli sbarramenti realizzati dall’uomo necessari a bloccare il corso di un fiume, realizzati in cemento armato, e possono essere costruiti in due modi: ad arco e a gravità.

Diga ad arco

Diga ad arco

Le dighe ad arco sono più piccole e hanno una forma convessa. La loro conformazione consente di trasferire la spinta dell’acqua alle pareti rocciose laterali che sostengono in questo modo tutto il peso.

Diga a gravità

Diga a gravità

Le dighe a gravità, invece, sono molto più grandi, massicce e hanno una forma lineare e sezione triangolare. Reggono la spinta dell’acqua proprio perché pesantissime. Questo richiede che il terreno su cui poggiano sia particolarmente resistente.

L’acqua raggiunge la centrale attraverso un sistema di tubature chiamate condotta forzata. Queste possono essere realizzate o all’interno della montagna (in galleria) o all’esterno sul crinale o sulla diga stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base di paratoie di intercettazione che hanno lo scopo di garantire il funzionamento delle turbine rallentando la spinta dell’acqua.

Condotta forzata

Foto di una condotta forzata

Approfondisco: portata e caduta sono i due fattori più importanti presi in considerazione per la realizzazione di una centrale idroelettrica. La portata è la quantità d’acqua che passa in un secondo all’interno di una certa sezione e dipende dalla dimensione del corso d’acqua, dalle precipitazioni stagionali, dalle dimensioni del bacino. La caduta è invece è la differenza di altezza tra il bacino e la centrale.

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LE TURBINE

L’acqua giunge alla centrale e viene convogliata verso una grande ruota meccanica chiamata turbina. Questa è costituita da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. L’acqua in movimento entra nella turbina, regolata mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento.

A seconda delle caratteristiche della centrale si realizzano tipi di turbine differenti, in grado di massimizzare la produzione di energia. I tipi più importanti sono:

Turbine Pelton, basse portate e alte cadute (50-1300 metri); sono costituite da un distributore a due o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

Turbine Francis, medie portate e medio/basse cadute (10-250 metri); l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

Turbine Kaplan, grandi portate e basse cadute (5-30 metri); nella Kaplan, le pale della ruota sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

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PRO E CONTRO

L’acqua è una fonte naturale presente sul nostro pianeta in grande quantità (circa i due terzi della sua superficie) e per questo in grado di fornire grandi quantità di energia.

PRO – L’acqua è una fonte inesauribile di energia proprio per la sua quantità, è pulita perché non provoca alcun tipo di inquinamento sul pianeta, è gratuita perché disponibile per tutti nei mari, laghi e fiumi o sotto forma di pioggia o neve senza dover pagare nulla per ottenerla.

CONTRO – l’acqua non presenta grandi aspetti negativi, ma possiamo ritenere negativa la portata estiva dei corsi d’acqua. Infatti, la carenza di precipitazioni abbassa di molto la quantità di acqua (portata) che il fiume fornisce al bacino di una centrale. Per ovviare a questo inconveniente, oggi si realizzano delle centrali chiamate a pompaggio (vedi più avanti per capire di cosa si tratta).

I PROBLEMI DI UNA CENTRALE IDROELETTRICA

La centrale idroelettrica pur utilizzando una fonte energetica pulita come l’acqua, genera inquinamento nel suo processo di trasformazione. Infatti, la costruzione di tutte le strutture che la compongono, modificano profondamente l’ambiente generando quello che si chiama Impatto Ambientale.

Approfondisco: l’Impatto Ambientale è un’alterazione dell’ambiente a causa della realizzazione di opere di grande dimensione.

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MAPPA CONCETTUALE DELL’ARGOMENTO

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APPROFONDISCI CON I VIDEO
CENTRALE IDROELETTRICA TURBINE IDRAULICHE
Durata: 4:16 Durata: 9:26
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100KM con 1€ = AIRPOD

 Trasporti
Ott 122013
 

AirPod 06Problemi energetici, alti costi, bio-compatibilità hanno finalmente dato impulso a ricerche e studi per modificare uno degli oggetti più inquinanti prodotti dall’uomo: la macchina. E da questi studi è nata AirPOD, una piccola utilitaria che dal design e dai colori potrebbe benissimo essere uno dei prodotti della Apple Computer, ma invece è prodotta dall’Air Mobility Consortium. Si tratta di un brevetto accettato in tutta Europa e in grado di risolvere definitivamente il problema della benzina, del suo costo e del suo potere inquinante.

AirPOD

AirPOD

L’AirPOD è stata presentata per la prima volta al salone dell’automobile di Ginevra e sta per passare dalla fase di prototipo a quella di produzione in serie. Si tratta della prima auto a aria compressa, in grado di farla procedere per un percorso di circa 100Km spendendo un solo euro. Un risparmio incredibile se rapportato poi al fatto che l’auto è a emissioni zero, quindi assolutamente ecologica.

Verrà venduta ad un prezzo indicativo compreso tra i 6.000 e i 7.000 euro.

Chissà che qualcuno di noi non faccia un salto in concessionario ad acquistarla.

IL SOLE DALLE PIANTE

 Energia
Mar 282013
 

piante-sole3Ogni giorno nel campo delle fonti energetiche alternative, qualche ricercatore compie un passo in avanti per migliorare e rendere più efficienti i metodi per produrre energia e riuscire a produrla a costi più contenuti e soprattutto in modo eco-sostenibile.

Arriva questa volta dai ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Purdue University che,  congiuntamente, hanno brevettato un metodo per costruire cellule solari partendo da substrati di nanocristalli di cellulosa (CNC) ricavati dagli alberi o altre piante. Un ulteriore vantaggio deriva dal fatto che queste cellule organiche sono assolutamente biodegradabili e quindi riciclabili rispetto alle celle di plastica o altri derivati del petrolio.

Il principio di funzionamento è come quello che accade normalmente nelle piante. Lo strato di origine vegetale, come una foglia, filtra la luce facendola assorbire dallo strato sottostante. Nel caso della cella solare il substrato è un semiconduttore organico.

Questa nuova tecnologia consente al momento un’efficienza di conversione della luce solare di appena il 2,7%, contro il 10-20% delle celle attualmente in uso, ma i ricercatori sono fiduciosi poiché questa è la resa più alta mai ottenuta con materiali rinnovabili di origine naturale. L’obiettivo è raggiungere o superare un’efficienza pari a quella degli altri materiali non naturali.

Articoli1

ENERGIA DALLA LUCE

 Energia
Mar 152013
 

02 NIFTutti sappiamo che oggi l’energia dall’atomo può essere sfruttata attraverso il processo chiamato fissione nucleare (ossia dalla rottura di un atomo pesante “uranio235“). Dal processo inverso, ossia dall’unione di due isotopi dell’idrogeno leggeri in uno più pesante chiamato fusione nucleare, non è attualmente possibile ottenere energia perché le condizioni in cui ciò può avvenire richiede condizioni estreme riscontrabili solo sulle stelle.

La fusione a freddo, è diventata quindi la chimera da inseguire per gli scienziati del pianeta e ogni giorno l’obiettivo si avvicina sempre di più. L’ultimo passo in questa direzione viene dagli Stati Uniti, dalla California dove gli scienziati del NIF (National Ignition Facility) di Livermore hanno sviluppato e realizzato un approccio diverso per realizzare tale processo.

04 NIF

La tecnica chiamata ad ignizione promette di fornire una quantità di energia pulita e a costo bassissimo in brevissimo tempo. Mike Dunne del NIF, afferma che “…la teoria fisica funziona e che con finanziamenti adeguati, si riuscirà ad immettere sulle reti elettriche incredibili quantità di energia entro i prossimi 10 anni…“.

Punto-interrogativo2-icon[ IGNIZIONE – è la temperatura minima alla quale deve essere portata una sostanza combustibile perché si inneschi la sua combustione. ]

La tecnica sperimentata al NIF vede la costruzione del più potente raggio laser mai creato a concentrare la sua potenza in un punto. In pratica, l’energia di 192 laser è stata concentrata istantaneamente su un bersaglio di 2 millimetri, sprigionando la cifra pazzesca di 500 trilioni di Watt di energia e 1,85 megajoule di luce agli infrarossi. L’obiettivo è quello di raggiungere e realizzare quello che accade normalmente sul Sole, ossia superare quel punto in cui le reazioni si autoalimentano producendo più energia di quanta ne consumano.

01 NIF

Il futuro è iniziato, vedremo se e in quanto tempo gli scienziati, sia quelli americani del NIF che quelli europei del progetto ITER, raggiungeranno questo incredibile risultato. A detta loro la “meta è vicina”, noi staremo a vedere.

Articoli1

LE BATTERIE INDOSSABILI

 Didattica
Mar 022013
 

batterie_elastiche

La scienza continua a compiere passi avanti nella miniaturizzazione e nella realizzazione di nuovi materiali da utilizzare nella quotidianità. Questa volta siamo negli Stati Uniti ed esattamente alle Northwestern University e University of Illinois. Qui si stanno sperimentando nuovi materiali in grado di consentire la creazione di batterie a ioni di litio “elastiche”, ossia estensibili in ogni direzione senza per questo perdere le proprie peculiarità di accumulatore e generatore di elettricità. Attraverso delle interconnessioni ondulate a serpentina e attraverso l’uso di elementi che permetterebbero ai fili metallici di allungarsi, piegarsi e torcerai senza modificare il funzionamento della batteria e mantenendo perfettamente il controllo dell’elettrolito.

batteria_flessibile--330x185Questo apre nuove prospettive nel campo delle batterie. Questo tipo di batterie possono essere esterne fino a 300 volte la propria dimensione iniziale e saranno capaci di mantenere la carica fino a otto, nove ore. Ma i vantaggi non finiscono qui: infatti, queste batterie possono essere ricaricate in wireless e la cosa più interessante applicate, data la loro estensibilità, a tessuti o dispositivi indossabili.

Vedremo quali saranno le applicazioni future di questa innovazione e quali gli sviluppi di questa tecnologia che già in queste fasi iniziali si dimostra molto promettente.

Articoli1

HALIADE 150 il gigante dei venti

 Energia
Set 192012
 

A piccoli passi, ma inesorabilmente e nonostante la resistenza e reticenza delle grandi multinazionali del petrolio, le fonti alternative stanno pian piano diventando sempre più importanti e si avviano in un immediato futuro a rimpiazzare le costosissime e inquinanti fonti energetiche convenzionali.

Un mega progetto, nel nord della Francia, prevede la realizzazione di tre immensi parchi eolici off-shore, e il consorzio formato da EDF EN, Dong Energy e Nass & Wind e WPD Offshore, si è aggiudicato la commessa.

La società Alstom sarà il fornitore esclusivo di questo consorzio perché si è aggiudicata, a sua volta, la fornitura di 240 turbine eoliche per i tre parchi di Saint-Nazaire, Courseulles-sur-Mer e Fécamp. Alstom, fornirà HALIADE 150, la più grande turbina eolica mai costruita al mondo con i suoi 170 metri di altezza e un rotore del diametro di 150 metri. Questa turbina ruota alla velocità di 300 kilometri orari, generando una potenza di 6 megawatt. E’ stata progettata per resistere alle condizioni più estreme, e agli ambienti più ostili. La prima turbina è stata testata sulla terra ferma, ma la Haliade è una turbina off-shore, cioè funzionante in mezzo al mare dove il vento è più forte e minori sono i problemi di impatto ambientale. Questo test è stato effettuato sul sito di Carnet, vicino a Saint-Nazaire, nel dipartimento della Loira Atlantica (Francia) il 19 marzo di quest’anno. Un secondo test, sarà effettuato in mezzo al mare, nel Mare del Nord, di fronte alla costa belga prima di ottenere la certificazione e procedere all’installazione della centrale sull’oceano Atlantico. La produzione pre-serie è fissata per il 2013, mentre la produzione vera e propria comincerà nel 2014.

La torre sarà composta da una parte sottomarina per 25 metri e una parte emersa alta circa 75, su cui verrà installata la navicella. L’intera struttura ha un peso complessivo di circa 1.500 tonnellate.

http://www.youtube.com/watch?v=uw3EJdXH3KE&w=480&h=360&rel=0

ENERGIA DAGLI OCEANI

 Energia
Mag 262012
 

Articolo scritto da: Emanuela Amico, Nicoletta Raciti, Marta Strano e Manuela D’Agostino della classe terza H/2011.

Prefazione a cura del prof. Betto

L’energia è il programma di tecnologia per le classi terze e i ragazzi si trovano ad affrontare questo difficile ma interessantissimo percorso di apprendimento. Durante il corso dell’anno si passano in rassegna molte fonti energetiche sia rinnovabili che non, ma alcune, anche interessanti e di recente sviluppo, rimangono fuori dalla programmazione curriculare per una questione di tempo. Occasione, questa, per proporre loro degli approfondimenti da realizzare con lo strumento digitale e attraverso la ricerca su internet. Energia dall’idrogeno, dagli oceani, dalle biomasse sono stati alcuni dei suggerimenti e i ragazzi si sono prontamente confrontati con questi argomenti. Oggi vi propongo un articolo scritto a quattro mani da Emanuela, Nicoletta, Marta e Manuela sulle forme di energia ottenute sfruttando le enormi masse d’acqua degli oceani. Come ogni volta vi auguro una buona lettura soprattutto per incoraggiare nella ricerca e nella scoperta i nostri giovani ragazzi.

L’esaurimento delle riserve di combustibile fossile unito ad un sempre crescente interesse per la salvaguardia dell’ambiente, ha fatto sì che negli ultimi trenta anni crescesse l’interesse verso nuove fonti di energia alternative, ecocompatibili e rinnovabili. Queste nuove fonti di energia, sebbene ancora oggi non siano in grado di sostituire quelle tradizionali, rappresentano un valido supporto ad esse.

Tra queste fonti trova posto l’oceano, che racchiude grandi quantità di energia sia meccanica, dovuta alle correnti marine, alle maree e alle onde sia termica, proveniente dal calore del sole.
L’energia di maree e correnti può essere convertita in energia elettrica da uno sbarramento che spinge l’acqua attraverso delle turbine attivando un generatore, oppure solamente da una o più turbine poste sotto la superficie del mare.

È possibile convertire almeno cinque tipi di energia presenti nel mare:

  • delle correnti;
  • delle onde;
  • delle maree;
  • del gradiente salino (osmotica);
  • del gradiente termico (talassotermica).

ENERGIA DALLE CORRENTI MARINE

Le correnti possono essere paragonate ad immensi fiumi che scorrono in seno all’oceano per centinaia, e a volte migliaia, di chilometri. Sia che siano profonde sia che siano superficiali, le correnti sono generate da diversi fattori; primo fra questi è la tendenza delle acque a ristabilire l’equilibrio idrostatico turbato dalla diversità di riscaldamento solare alle varie latitudini, che ne modifica la temperatura, la salinità e quindi la densità. Altro fattore primario per l’azione di trascinamento, è la rotazione della Terra. Fattori ausiliari al moto delle correnti marine sono le differenze della pressione atmosferica e, negli stretti che mettono in comunicazione oceani o mari aperti con mari interni, le differenze di densità delle acque e i flussi delle maree. In base a questi fattori determinanti, le correnti marine possono essere classificate:

  • in base alle cause che le creano (correnti di gradiente, di deriva, tidali e correnti geostrofiche);
  • in relazione alla temperatura dell’acqua che si sposta confrontata con la temperatura dell’ acqua che la circonda (correnti calde o fredde);
  • in relazione alla profondità ove si verificano (superficiali se interessano lo strato d’acqua dalla superficie ai 200 metri; interne se interessano lo strato d’acqua al di sotto dei 200 metri; di fondo se interessano lo strato d’acqua vicino al fondale marino).

Principali correnti oceaniche

Il fenomeno è presente in bacini marini e oceanici e in bacini lacustri di grande estensione (come ad esempio i grandi laghi del rift africano). In tali contesti, su coste basse e debolmente inclinate, le correnti di marea possono raggiungere velocità e forza notevole (fino ad alcuni metri al secondo). L’energia solare assorbita riscalda la superficie del mare, creando una differenza di temperatura fra le acque superficiali, che possono raggiungere i 25°-28°C e quelle situate per esempio a una profondità di 600 m che non superano i 6°-7°C. Attualmente esiste solo un impianto per lo sfruttamento delle maree in Francia, mentre sono in corso esperimenti per lo sfruttamento del potenziale energetico delle onde nel Regno Unito, in Norvegia e in Giappone. Le correnti marine si comportano come delle correnti aeree e come nelle centrali eoliche, può essere sfruttata l’enorme energia cinetica che queste masse d’acqua spostano nel loro perenne cammino. Generatori ad asse orizzontale o verticale sono in fase di studio o di sperimentazione; nel Mediterraneo il sito di maggior interesse è lo Stretto di Messina, dove generatori che sfruttano la rotazione delle pale e la rivoluzione intorno al proprio asse, riescono a produrre una grande quantità di energia.

ENERGIA DALLE ONDE MARINE

Le onde sono create quando il vento soffia sull’acqua. Nell’oceano il vento è molto potente e agisce su centinaia di chilometri di acqua. Questo significa che molta energia è trasferita dall’aria all’acqua.

La strada di sfruttare il moto delle onde del mare per ottenere energia elettrica, nonostante i problemi, non smette di solleticare la fantasia degli ingegneri. Ci sono allo studio ipotesi per concentrare e focalizzare le onde in modo da aumentarne l’altezza e il potenziale di conversione in energia elettrica. Altre ipotesi prevedono invece di utilizzare le variazioni di pressione che sì riscontrano al di sotto della superficie del mare, altre di utilizzare dei galleggianti che “copiano” il moto ondoso trasferendolo a dei generatori per mezzo di pistoni idraulici.

Progetto PELAMIS

Un progetto di una nuova tecnologia che, sfruttando l’energia prodotta dalle onde di superficie degli oceani, permette di produrre elettricità è il Progetto Pelamis, il cui nome deriva da un serpente marino. Pelamis è un sistema basato su una struttura semisommersa che, grazie al movimento dettato dalle onde agisce su dei pistoni idraulici accoppiati a dei generatori in grado di trasformare l’energia meccanica in energia elettrica. Il primo prototipo è stato installato al centro europeo per l’energia marina delle Isole Orcadi, in Scozia. È stato ufficialmente aperto il 28 settembre 2007. In genere la singola struttura è composta da 5 elementi congiunti, ha un diametro di 3,5m, una lunghezza di 150m e una potenza di 750 kW. I materiali devono essere resistenti all’azione corrosiva dell’acqua di mare e sono previsti accessi alla struttura per eventuali interventi di manutenzione e/o riparazione.

ENERGIA DALLE MAREE

La marea è il ritmico alzarsi (flusso) ed abbassarsi (riflusso) del livello del mare provocato dall’azione gravitazionale della Luna e del Sole. Oltre alla forza di gravitazione universale in questo fenomeno entra in gioco anche un’altra forza, quella centrifuga.

Schema dell’influsso del Sole e della Luna sulle maree

Come detto sopra, la marea è un movimento periodico giornaliero. Esso è dovuto a vari fattori:

  • le acque tendono a ristabilire l’equilibrio idrostatico turbato dalla diversità di riscaldamento solare alle diverse latitudini, che ne modifica ovviamente la temperatura, ma anche la salinità e quindi la densità;
  • la rotazione terrestre determina i sensi di circolazione simmetrica delle masse acquee;

Oggi esistono diversi progetti di sfruttamento delle maree:

  • sollevamento di un peso in contrapposizione alla forza di gravità;
  • compressione dell’aria in opportuni cassoni e movimentazione di turbine in seguito alla sua espansione;
  • movimento di ruote a pale;
  • riempimento di bacini e successivo svuotamento con passaggio in turbine.

La tecnica energetica sfrutta il dislivello tra l’alta marea e la bassa marea: la cosiddetta ampiezza di marea. Un presupposto importante è ovviamente un’ampiezza di marea sufficiente. Nei siti dove quest’ampiezza lo è, si possono realizzare le centrali di marea costiere, ossia grandi dighe di sbarramento sulla costa. Queste presentano però un grande limite dovuto all’erosione che esercitano sulle coste e nell’abbondante sedimentazione all’interno del bacino. Per questi motivi si sta pensando a degli impianti offshore con opportune griglie di sbarramento e data la non elevata velocità delle turbine si può anche garantire la salvaguardia della flora e della fauna marina.

ENERGIA DAL GRADIENTE SALINO (OSMOTICA)

Osmosi (schema)

Il fenomeno fisico dell’osmosi fu notato per caso la prima volta nel 1784 quando il sacerdote e fisico francese Jean-Antoine Nollet mise una vescica di maiale riempita di vino in un barile d’acqua. L’effetto fu che la vescica si gonfiò fino a scoppiare.

Negli anni Cinquanta c’è stato un crescente interesse per la produzione di acqua potabile da acqua di mare. Un passo avanti è stato compiuto dagli americani Sidney e Loeb producendo una membrana semipermeabile utile allo scopo. La produzione di acqua dolce per osmosi inversa è oggi una tecnologia consolidata ed utilizzata soprattutto in Medio Oriente.

In natura questo fenomeno si verifica quando i fiumi contenenti acqua dolce scaricano in mare che è invece costituito da acqua salata. Il principio dell’osmosi non è semplice da comprendere, ma basti pensare che per realizzare acqua dolce dall’acqua salata del mare occorre l’uso di una grande quantità di energia. Al contrario, per ottenere acqua salata da quella dolce, si libera energia. Quindi, si immagini quanta energia viene liberata nel momento in cui l’acqua dolce dei fiumi entra in contatto con quella salata del mare. Teoricamente ci sono diversi modi per convertire l’energia dissipata quando l’acqua dolce si miscela all’acqua di mare in energia da utilizzare. Le tecniche più interessanti sono:

  • ritardo-pressione per osmosi (pressure-retarded osmosis, PRO);
  • elettrodialisi inversa (reverse electrodialysis, RED).

ENERGIA DAL GRADIENTE TERMICO (TALASSOTERMICA)

Sistema a gradiente termico

Sfrutta le differenze di temperatura tra la superficie marina (generalmente più calda) e le profondità oceaniche (nell’ordine delle centinaia di metri). Spesso viene anche indicata come OTEC, acronimo inglese per Ocean Thermal Energy Conversion.

Sono due, i metodi con i quali si può ottenere energia dal gradiente salino:

  • dialisi elettroinversiva (osmosi);
  • Pressure Retarded Osmosis (PRO).

Entrambe queste tecnologie si basano sull’osmosi ottenuta con membrane a ioni specifici. Un tempo il costo della membrana poteva diventare un ostacolo allo sviluppo di questa tecnologia; oggi, invece, è disponibile una nuova membrana in polietilene modificata elettricamente, poco costosa ideale per un potenziale uso commerciale. In Olanda, dal 2005 è attivo un primo impianto sperimentale da 50 Kw.

 

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GEOTERMIA AD ALTA TEMPERATURA

 Didattica, Energia
Mar 212012
 
ARGOMENTO INDICATO PER BES/DSA
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Lo scopo di una centrale geotermica è quello di sfruttare il calore delle profondità terrestri. Infatti, la temperatura interna del nostro pianeta aumenta a mano a mano che si scende verso il centro della terra. Questo aumento chiamato gradiente geotermico è di circa 3 gradi centigradi per ogni 100 metri di profondità ma in alcune zone è molto più elevato, tanto ad avere temperature di 250-350°C a profondità di circa 2000-4000 m.

COS’E’ LA GEOTERMIA?

La geotermia è la disciplina della geologia che studia l’insieme dei fenomeni naturali coinvolti nella produzione e nel trasferimento di calore proveniente dall’interno della Terra. Il calore del nucleo terrestre si è generato grazie alla forza di attrazione gravitazionale ed ha continuato ad esistere in seguito a processi di reazione nucleare naturale di elementi quali l’uranio, il torio e il potassio.

Il calore terrestre, dall’interno, viene trasferito verso la superficie mediante moti convettivi (dovuti alla pressione e alla forza di gravità) prodotta dal movimento del magma o di acque profonde. E’ per questo che assistiamo alla maggior parte di fenomeni come le eruzioni vulcaniche, le sorgenti termali, i geyser o le fumarole.

QUALE FORMA DI ENERGIA?

Attraverso canalizzazioni artificiali, il vapore erogato dalla Terra, cioè Energia Termica, viene convogliato in tubazioni, chiamate vapordotti ed inviato alla turbina, dove l’energia viene trasformata in Energia Meccanica di rotazione. L’asse della Turbina è collegato al rotore dell’Alternatore che, ruotando, trasforma l’Energia Meccanica in Energia Elettrica alternata che viene trasmessa al Trasformatore. Questo innalza il valore della tensione fino a 132000 Volt e la immette nella rete di distribuzione. Il vapore in uscita dalla turbina viene riportato alla stato liquido in un Condensatore, mentre i gas incondensabili, contenuti nel vapore, vengono dispersi nell’atmosfera. Una torre di raffreddamento consente di raffreddare l’acqua prodotta dalla condensazione del vapore e di fornire acqua fredda al condensatore stesso. L’acqua condensata in uscita dalle centrali viene reiniettata nelle rocce profonde da cui il vapore è stato estratto.
Quando dai pozzi esce un vapore con temperatura inferiore ai 180°C (quindi insufficiente a far azionare la turbina), il calore del fluido viene utilizzato per far evaporare, in un apposito scambiatore di calore, un altro liquido a basso punto di ebollizione [isobutano (-11°) o isopentano (28°)] che, a sua volta trasformato in vapore, verrà convogliato nella turbina innescando il processo di trasformazione dell’energia descritto precedentemente.

LA CENTRALE GEOTERMICA

Schema Centrale Geotermica

Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale geotermica deve essere realizzata attraverso una serie di apparecchiature fondamentali. L’immagine qui sopra, aiuta a capire di quali elementi si tratta e del suo funzionamento. Gli elementi di cui è costituita una centrale geotermica sono i seguenti:

  1. pozzi di estrazione o produzione;
  2. turbina a vapore;
  3. condensatore;
  4. pompa;
  5. torre di raffreddamento;
  6. pozzo di reiniezione;
  7. alternatore;
  8. trasformatore.

POZZI DI ESTRAZIONE O PRODUZIONE – ricordano molto quelli degli impianti petroliferi. Sono pozzi rivestiti da tubazioni di acciaio che scendono fino alla profondità della zona produttiva (serbatoio geotermico). Questi, vengono poi collegati ad altre tubazioni di acciaio chiamate vapordotti, che permettono il trasporto del vapore fino alla centrale geotermo-elettrica.

TURBINA A VAPORE – è un dispositivo costituito da un grosso asse d’acciaio nel quale sono inserite più “ruote”, costituite da diverse file di palette e la cassa, un involucro cilindrico di acciaio all’interno del quale sono fissati gli ugelli ed altre file di palette. Queste ultime non ruotano, ma formano degli “anelli”, che vanno ad interporsi tra le file di palette del rotore, e servono ad indirizzare nel modo corretto il vapore da una fila di palette mobili all’altra. La cassa è divisa longitudinalmente in due metà, collegate da grossi bulloni. Il vapore, attraversando le successive file di palette fisse e mobili da un’estremità’ all’altra della turbina, mette in rotazione il rotore, trasformando quindi la sua energia di pressione e temperatura in energia meccanica.

Ciclo ad alta pressione

Il vapore entra dalla caldaia e aziona la turbina ad alta pressione.

 

 

 

Ciclo a media pressione

Il vapore entra dalla sezione ad alta temperatura e viene compresso dalla turbina a media pressione.

 

 

 

Ciclo a bassa pressione

Il vapore dello scarico del corpo di media pressione entra tramite la sezione di cross-over nella turbina di bassa pressione e viene spinto nel condensatore.

 

 

CONDENSATORE – è un dispositivo collegato allo scarico della turbina ed e’ costituito sostanzialmente da un volume vuoto, percorso dal vapore, in cui viene spruzzata acqua sotto forma di piccole goccioline, in modo da mettere a contatto tra loro acqua e vapore. L’acqua di condensa viene raccolta in una zona detta “pozzo caldo” da dove viene estratta tramite una pompa che la invia alla torre di raffreddamento. I gas definiti incondensabili propri del vapore geotermico, vengono estratti con un compressore dal condensatore in modo da mantenere il grado di vuoto richiesto.

Casse acque di circolazione

Entrata acque di circolazione

Fascio di tubi

Pozzo caldo

 

 

 

 

 

POMPA – è un dispositivo ad asse verticale mosso da un motore elettrico a 6000 Volt. Serve a mandare l’acqua calda del condensatore nella torre di raffreddamento affinché possa tornare al condensatore a temperatura più bassa.

Schema di una pompa (viola ingresso acqua-rosso uscita acqua)

TORRE DI RAFFREDDAMENTO – è una costruzione a forma di parallelepipedo o circolare dotata di camini corti oppure di un solo camino di cemento largo e alto anche 100 metri. Al suo interno l’acqua gocciola dall’alto in basso, incontrandosi con una forte corrente d’aria che va in senso opposto, entrando dalla base ed uscendo dal camino. Durante questo percorso, una parte dell’acqua evapora, sottraendo calore alla parte rimanente che viene raccolta nella vasca acqua fredda, mentre dall’alto esce aria calda e umida e i vapori incondensabili.

Torri di raffreddamento (schema)

Torri di raffreddamento (foto)

 

 

 

 

 

POZZO DI REINIEZIONE – è un pozzo molto simile a quello per l’estrazione dei vapori. Il condotto è rivestito di  tubazioni in acciaio sino ad una certa profondità. L’acqua recuperata dallo scarico della centrale viene convogliata al pozzo di reiniezione tramite appositi acquedotti ed infine, viene reimmessa nel serbatoio geotermico di origine.

Schema di funzionamento dei pozzi (rosso=produzione – blu=iniezione)

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.

Schema di funzionamento

Alternatore

 

 

 

 

 

 

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.

GEOTERMIA PRO E CONTRO

La centrale geotermica utilizza come fonte energetica da trasformare, il calore contenuto dalla Terra. Si tratta ovviamente di una fonte gratuita e per molti versi non inquinante. E’ vero, infatti, che i vapori surriscaldati che emergono dalle fratture della crosta terreste, si accompagnano sempre con gas nocivi, letali per l’uomo. Questi, comunque, sono sempre in quantità contenute e si eliminano facilmente nell’atmosfera durante le prime fasi di uscita del vapore dal pozzo. Non è, inoltre, detto che la fuoriuscita di vapore sia accompagnata da questi gas. Possiamo quindi dire che l’energia geotermica è una fonte energetica pulita. E’ anche gratuita, ma ha elevato costo di estrazione e consente di produrre energia in modo assai inferiore a quella realizzata con i combustibili fossili.

Infine, il processo di trasformazione, genera un inquinamento indiretto noto come impatto ambientale. Infatti, la realizzazione di tutte le strutture che compongono una centrale, trasformano profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.

GEOTERMIA IN ITALIA

L’Italia è stato il primo Paese al mondo a sfruttare l’energia geotermica, con il primo impianto realizzato nel 1913 a Larderello. Da allora la storia della geotermia è diventata un vanto dell’industria energetica italiana ed un fiore all’occhiello per Enel. L’energia elettrica prodotta con il geotermico, sta crescendo rapidamente e oggi si producono circa 10.000 MegaWatt, che dovrebbero raddoppiare nel prossimi 5 anni.
L’Italia, con i suoi 700 MW, è uno dei maggiori produttori al mondo e il primo in Europa. la maggior parte delle nostre centrali sono concentrate in Toscana rendendola la regione che fa maggior ricorso alle energie rinnovabili nel nostro Paese. Enel è sempre più impegnata in questo campo, sia per l’innovazione tecnologica che per la riduzione dell’impatto ambientale delle centrali. Infatti, si stanno realizzando centrali dette “a ciclo binario” e cioè in grado di sfruttare le risorse geotermiche a media temperatura, cioè tra gli 80° e i 180°C.

Larderello e le sue centrali

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FOTOVOLTAICO

 Didattica, Energia
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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PANNELLO FOTOVOLTAICO COME FUNZIONA?
Durata: 4:53 Durata: 5:06
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SOLARE A CONCENTRAZIONE

 Didattica, Energia
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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POWERTREKK il caricabatterie a combustibile

 Energia
Gen 242012
 
La myFC, azienda svedese che lavora con la tecnologia delle celle a combustibile e sviluppa soluzioni per l’alimentazione dei dispositivi elettronici portatili, metterà in commercio a partire dalla prossima primavera PowerTrekk, una batteria basata sul principio della cella a combustibile. Il dispositivo è pensato per i telefoni cellulari e altri piccoli dispositivi elettronici. Il presumibile prezzo di questo innovativo caricabatterie sarà di 199€.
La tecnologia su cui si basa PowerTrekk, è quella delle celle a combustibile già sperimentate nelle autovetture, cioè la trasformazione dell’idrogeno in energia elettrica. Il vantaggio delle celle a combustibile sta nel fatto che si ricaricano istantaneamente. Non serve corrente elettrica, prese a muro e sole, ma semplicemente una cartuccia di combustibile a cui bisogna aggiungere semplicemente acqua. A questo punto il gioco è fatto. Basta collegare il dispositivo da ricaricare, ad esempio un cellulare o una macchina fotografica, attraverso la porta USB e il caricatore PowerTrekk ricaricherà il dispositivo come se collegato alla rete elettrica.
I vantaggi a detta della stessa myFC sono diversi. Innanzitutto la cella a combustibile non è influenzata dalle condizioni atmosferiche e dalla posizione del sole. La carica è sicura ed affidabile, visto che le cartucce non si esauriscono come delle normali batterie anzi, la mantengono molto più a lungo. Infine, producono energia attraverso un processo economico e pulito.
Non ci resta che aspettare per poter acquistare questo nuovo prodigio della tecnologia moderna.

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