Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.

Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.Introduzione

La nostra società e l’industria si basano su grandi quantità di energia e il mondo sta diventando sempre più dipendente dai combustibili fossili (petrolio, gas, carbone, ecc. ..).

Le nazioni industrializzate dell’Europa occidentale e del Nord America, Cina e India dipendono quasi interamente da questi combustibili fossili, allo stesso modo anche le nazioni in via di sviluppo stanno aumentando il loro impiego.

Resta inteso che non vi è un legame diretto tra il modo di produrre energia e dei danni causati dall’inquinamento. Trovare un modo alternativo pulito e modi di produzione di energia soprattutto elettrica è tuttora considerato molto importante per il futuro del nostro pianeta.

[L’articolo è scritto volutamente utilizzando parole semplici, facendo esempi basilari e a volte si ripete perché cerca di essere una prima fonte d’informazione riguardo al fotovoltaico non solo per i grandi ma anche per i più piccoli, considerando che l’impiego e i vantaggi di tale tecnologia non riguarda solo il guadagno ma anche lo sviluppo di una coscienza ambientale, grazie.]

 

Energia alternativa

Energia alternativa è un termine usato per descrivere le fonti di energia che si verificano naturalmente nell’ambiente. Ad esempio, l’energia che deriva dal sole (fotovoltaica), il vento (eolica), il movimento delle onde, ecc.

 

Cos’è l’energia solare?

L’energia solare è l’energia del sole e senza la sua presenza tutta la vita sulla terra sarebbe scomparsa. L’energia solare è stata considerata come una importante fonte di energia per molti anni a causa delle grandi quantità di energia che è resa liberamente disponibile, se catturata e sfruttata correttamente dalla tecnologia moderna.

Un semplice esempio per farci comprendere la potenza del sole può essere realizzato utilizzando una lente d’ingrandimento per focalizzare i raggi del sole su un pezzo di carta. In poco tempo la carta prenderà fuoco e brucerà.

Questo è uno dei modi di utilizzare l’energia del sole, ma le fiamme sono pericolose e difficili da controllare. Un modo molto più sicuro e pratico di sfruttare l’energia solare è quello di usare il potere del sole per riscaldare l’acqua (termosifoni solari).

Una lente d’ingrandimento può essere utilizzata per riscaldare una piccola quantità di acqua. Un piccolo pezzo di tubo di rame è sigillato a una delle estremità e riempito con acqua. Una lente d’ingrandimento è poi utilizzata per riscaldare il tubo. Utilizzare più di una lente d’ingrandimento aumenterà la temperatura interna più rapidamente. Dopo un tempo relativamente breve la temperatura dell’acqua aumenta. Continuando a riscaldare l’acqua provoca l’evaporazione dell’acqua e possiamo osservare il vapore che inizia a comparire nella parte superiore del tubo. In teoria, disponendo di molta pazienza, impiegando diverse lenti d’ingrandimento a della luce solare molto forte, si potrebbe concentrare abbastanza calore dal sole da far bollire l’acqua, con conseguente produzione di vapore. Questo è un modo base di sfruttare l’energia solare.

Il principio di riscaldamento dell’acqua fino al punto di ebollizione è stato utilizzato dai francesi nel 1888. Hanno sviluppato una macchina di stampa alimentata con energia solare. In pratica hanno imprigionato e usato l’energia del sole per far bollire l’acqua, producendo vapore. Il vapore è stato utilizzato per alimentare un motore a vapore che ha fornito il potere di muovere la macchina da stampa meccanica. Tuttavia nonostante fosse un bell’esperimento e un primo approccio “pratico”, la macchina era inaffidabile e molto costosa da produrre.

Invece i moderni pannelli solari odierni sono una combinazione delle lenti d’ingrandimento e dei tubi riempiti con del fluido. Il pannello solare visto anteriormente è costituito da un vetro frontale che è fatto appositamente per concentrare l’energia del sole su delle tubature dietro di esso. I tubi trasportano un fluido speciale che si riscalda molto rapidamente. Essi sono neri per assorbire meglio il calore dal sole. La superficie di colore argento e riflettente dietro ai tubi dirige di nuovo la luce del sole indietro, riscaldando ulteriormente i tubi e il liquido che contengono. La superficie riflettente in aggiunta protegge (parando) tutto quello che si dietro il pannello solare (ad esempio un tetto nelle installazioni casalinghe).

Il calore prodotto nei tubi viene poi utilizzato per riscaldare un serbatoio di acqua. Attraverso questo modo si risparmia non utilizzando l’elettricità o il gas per riscaldare il serbatoio dell’acqua.

 

Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.  01Uno scambiatore di calore di base.

Il tubo riempito di fluido che proviene dal pannello solare entra nel serbatoio dell’acqua e gli si attorciglia attorno molte volte. Il calore dai tubi viene trasferito all’acqua nel serbatoio. Un piccolo dispositivo nel serbatoio agita l’acqua per aiutare con il trasferimento del calore dai tubi contenenti il fluido preriscaldato.

 

Riscaldamento dell’acqua attraverso l’energia solare

Un uso comune di energia solare è quello di riscaldare l’acqua domestica. Anche se un tipico sistema è costoso da acquistare, si paga per sé (facendoci risparmiare sulla bolletta della luce e gas) entro un periodo di 5-10 anni. Anche possedere e usare un sistema come questo dimostra che il proprietario affronta seriamente le tematiche circa il risparmio energetico e la tutela dell’ambiente.

Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.  07Un tipico sistema di riscaldamento solare è visto nello schema qui accanto. I raggi del sole passano attraverso il vetro, riscaldando i tubi del fluido all’interno dell’unità. I tubi sono dipinti di nero per garantire che essi assorbono più calore possibile. La superficie riflettente argento che si trova dietro i tubi riflette il calore nuovamente su questi ultimi, aumentando ulteriormente la temperatura del fluido.

Le tubazioni del fluido che attraversano il pannello solare sono sigillate e il fluido viene pompato intorno al sistema sigillato. I tubi corrono attraverso il serbatoio dell’acqua domestica e il calore che porta viene trasferita all’acqua nel serbatoio. La serpentina di tubi è conosciuta col nome di “scambiatore di calore”.

Spesso pannelli solari (a volte chiamati collettori) sono posti sul tetto di un edificio, dove i raggi del sole non siano bloccati da alberi o altri ostacoli. I pannelli solari sono molto costosi da produrre e non vengono ampiamente utilizzati in paesi come il Regno Unito dove il clima non proprio soleggiato fa si che non valga la pena spendere per un risparmio a volte inferiore del previsto.

 

Collettori  solari parabolici

L’energia solare è l’energia dal sole. Anche se il sole è lontano 150 milioni di chilometri, è ancora estremamente potente. La quantità di energia che fornisce alla terra in un minuto è grande abbastanza da soddisfare le esigenze energetiche del pianeta per un anno. Il problema è lo sviluppo di tecnologie in grado di sfruttare questa fonte di energia “gratis”.

I collettori solari sono uno dei modi di focalizzare i raggi del sole per riscaldare dei liquidi. Una tipica serie di collettori solari è vista nella foto. Essi sono fondamentalmente specchi di forma inconsueta (forma parabolica) che così concentrano il calore del sole su un tubo dove si trova un liquido speciale. La temperatura del fluido nel tubo aumenta mentre scorre dentro il tubo, lungo i collettori solari. Il tubo si estende per l’intera lunghezza degli specchi.

Questo tipo di “set up” funziona meglio nelle zone desertiche dove non c’è carenza di luce solare e scarseggia l’ombreggiatura delle nuvole. Il fluido caldo nel tubo può essere utilizzato, attraverso un sistema di scambiatori di calore, per produrre elettricità o riscaldare l’acqua.

Il fluido speciale all’interno dei tubi può anche essere sostituito con della semplice acqua. Il calore concentrato dai collettori parabolici riesce a trasformare l’acqua in vapore. Il getto di vapore è usato per girare delle turbine che a loro volta producono elettricità. Questo sistema funziona bene in regioni desertiche a causa del clima caldo.

I sistemi moderni invece sono dotati di uno speciale olio sintetico che viene riscaldato nei tubi. Il riflesso del sole riscalda l’olio, che a sua volta riscalda l’acqua, creando vapore. Il vapore aziona le turbine che producono l’elettricità.

Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.  02La fotografia mostra una disposizione di collettori solari parabolici. Da Notare che l’energia dei raggi del sole è focalizzata sul tubo dell’acqua al suo centro.

 

Una fornace solare

L’immagine qui sotto mostra il riflettore parabolico della Odeillo-Font-Romeau Solar Furnace in Francia. 63 specchi piani sono programmati a monitorare automaticamente il movimento del sole e concentrare la luce su un unico riflettore. Il riflettore poi concentra i raggi per produrre 1.000 chilowatt e una temperatura di 33.000 gradi centigradi. Tutta questa energia e calore sono utilizzati per alimentare un forno che produce acciaio da minerali di ferro.

La produzione di acciaio o alluminio richiede grandi quantità di energia. Questa è normalmente fornita dall’energia elettrica, di gas o da combustibili fossili. La fornace solare si basa sulla potenza del sole. L’immagine qui sotto mostra come i raggi del sole vengono concentrati sul crogiolo che contiene il minerale. Il minerale viene riscaldato a una temperatura molto elevata fino a quando diventa fuso, dopodiché si versa. L’inquinamento è ridotto al minimo, poiché l’energia solare è una fonte di energia pulita.

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Che cosa è il fotovoltaico?

Le celle fotovoltaiche sono simili ai pannelli solari ma funzionano in modo diverso. I pannelli solari sono usati per produrre acqua calda o vapore. I pannelli fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica. Un tipico esempio di un dispositivo alimentato da celle fotovoltaiche è la classica calcolatrice che funziona a energia solare. Questo tipo di dispositivo richiede solo una piccola quantità di energia elettrica per funzionare e può anche essere utilizzato in una stanza con della luce artificiale (lampadine / luce fluorescente).

Anche se vediamo ogni giorno le celle fotovoltaiche alimentare piccoli apparecchi come le calcolatrici hanno un’applicazione molto più pratica soprattutto nel terzo mondo. Le celle fotovoltaiche sono state sviluppate per fornire energia elettrica per riuscire a pompare l’acqua potabile dai pozzi in villaggi remoti. British Telecom ha sviluppato un sistema che può essere utilizzato per alimentare un dispositivo radiotelefonico. Durante il giorno le celle di alimentazione alimentano il telefono e caricano pure le batterie. Le batterie alimentano poi a loro volta il telefono cellulare durante la notte. Spesso le celle fotovoltaiche sono utilizzate come supporto in tandem alle energie convenzionali. Se l’energia convenzionale s’interrompe le celle solari sono utilizzate per produrre elettricità.

 

Fotovoltaico per principianti. Nozioni base e considerazioni.  04Una tipica cella fotovoltaica.

Il silicio è un materiale noto come un “semiconduttore” dal momento che conduce elettricità ed è il principale materiale da cui si costruiscono le celle fotovoltaiche. Impurità come boro o fosforo vengono aggiunti a questo materiale di base. Queste impurità creano l’ambiente ideale per degli elettroni che si liberano quando la luce del sole colpisce il pannello fotovoltaico. La liberazione di tali elettroni porta alla produzione di energia elettrica.

Il diagramma mostra una cella fotovoltaica semplice. Il blu rappresenta il principale materiale, il silicio. Il nero rotondo e le forme irregolari rappresentano le impurità di boro o fosforo. Mentre il sole / la luce colpisce la cellula, le impurità liberano degli elettroni che “rimbalzano” in giro a velocità incredibili. Questo crea una carica elettrica.

 

Applicazioni pratiche dell’effetto fotovoltaico

Nell’esempio riportato di seguito vengono utilizzati pannelli fotovoltaici per la produzione di energia elettrica che alimentano una pompa ad acqua, per estrarre l’acqua potabile da un pozzo. Ciò è particolarmente utile in agricoltura e nel terzo mondo, dove i pozzi possono essere molto profondi. La potenza prodotta dai pannelli fotovoltaici è utilizzata anche per alimentare un sistema di depurazione, di pulizia dell’acqua, rimuovendo pericolose impurità e batteri nocivi.

Quando non è utilizzata per pompare acqua, l’elettricità in eccesso può essere immagazzinata in batterie in modo che la pompa possa funzionare anche di notte.

La scatola del telefono vista accanto è alimentata direttamente dalle celle fotovoltaiche durante il giorno. Anche le batterie vengono caricate durante le ore diurne direttamente dalla luce del sole.

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Questo tipo di sistema di comunicazione è l’ideale per le aree remote, dove l’elettricità della rete / griglia elettrica non è disponibile. Essi sono stati testati in paesi del terzo mondo e si sono dimostrati molto efficaci. Tuttavia, la priorità per la maggior parte dei paesi del terzo mondo è quella di garantire che le persone in zone remote hanno pulita acqua potabile, piuttosto che sistemi di comunicazione all’avanguardia.

Nei paesi industriali / sviluppati le celle fotovoltaiche sono utilizzate per alimentare delle autonome stazioni meteorologiche. La prossima volta che si guida lungo un’autostrada / superstrada se fate attenzione vedrete degli impianti fotovoltaici in quanto sono a volte utilizzati per far funzionare dei sistemi elettronici che misurano la congestione del traffico e trasmettono dati sul flusso del traffico.
Qui di lato è una fotografia di un tipico sistema di pannelli fotovoltaici, sul tetto di una casa. Questo sistema consente al proprietario di vendere l’elettricità prodotta alla rete nazionale. Questo riduce in modo efficace l’ammontare della somma che il proprietario deve pagare per l’energia elettrica. Sistemi come questi pannelli solari, aiutano a ridurre la dipendenza delle centrali elettriche dai combustibili fossili per produrre l’energia elettrica.

Il quella sotto invece un pannello fotovoltaico e messo sul tetto di una casa in un villaggio in Africa. Tale panello fornisce energia elettrica sufficiente per un telefono. Questo è l’unico telefono per un raggio di 150 chilometri. Si tratta di uno strumento essenziale di comunicazione per tutto il villaggio e della zona circostante.

 

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Ricapitolando vantaggi e svantaggi dell‘energia solare

Pro:

  • L’energia solare è gratuita, anche se c’è un costo per la costruzione dei collettori solari e / o altre attrezzature necessarie per convertire l’energia del sole in energia elettrica o acqua calda.
  • L’energia solare non causa inquinamento. Tuttavia, i collettori solari e altre connesse attrezzature / macchine sono prodotti in fabbriche che a loro volta provocano un po’ d’inquinamento.
  • L’energia solare può essere utilizzata in zone remote, dove è troppo costoso o difficile estendere la rete elettrica tradizionale.
  • Molti oggetti di uso quotidiano come calcolatrici e altri dispositivi a basso consumo di energia possono essere alimentati dall’energia solare in modo efficace.
  • Si stima che le riserve di petrolio mondiale dureranno per altri 30 – 40 anni. Dall’altra parte, l’energia solare è infinita (per sempre).

 

Contro:

  • L’energia solare può essere sfruttata solo durante il giorno e col tempo soleggiato.
  • I collettori solari, i pannelli e le celle sono relativamente costosi da produrre, anche se i prezzi stanno scendendo rapidamente.
  • Delle centrali solari possono essere costruite, ma non corrispondono alla potenza delle centrali convenzionali di dimensioni simili. Esse sono anche molto costose.
  • In paesi come il Regno Unito, il clima inaffidabile significa che anche l’energia solare è inaffidabile come fonte di energia. Quando il cielo e nuvoloso si riduce la sua efficacia.
  • Grandi aree di terra sono necessarie per catturare l’energia del sole. I collettori sono di solito disposti in “schiere” soprattutto quando l’elettricità deve essere prodotta e utilizzata nello stesso posto.
  • L’energia solare viene utilizzata per caricare le batterie in modo che i dispositivi a energia solare possono essere utilizzati durante la notte. Tuttavia, le batterie sono grandi e pesanti e hanno bisogno di tanto spazio. Hanno anche bisogno di essere sostituire di volta in volta.

 

Auto solari

Gli automobili solari sono stati sviluppati negli ultimi 20 anni e sono alimentati dall’energia del sole. Anche se non sono una forma pratica o economica di trasporto allo stato attuale, in futuro essi possono svolgere un ruolo nel ridurre la nostra dipendenza da combustibili fossili come la benzina e il diesel.

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Una vettura da corsa a energia solare è vista di fianco. Questi sono costosi da produrre e di solito hanno posto solo per una o due persone. Il costo principale è dovuto al gran numero di pannelli solari fotovoltaici costosi e delicati che sono necessari per alimentare il veicolo. Inoltre, molte delle vetture alimentate dal sole utilizzate in gare sono composti da costosi materiali leggeri come i compositi in titanio. Questi materiali sono normalmente utilizzati per la produzione di aerei da combattimento. Fibre di carbonio e fibre di vetro sono solitamente impiegate anche per costruire gran parte della carrozzeria. La maggior parte delle vetture che prendono parte nelle corse sono fatte a mano da squadre specializzate e questo aggiunge alla spesa.

Un veicolo a propulsione solare può solo funzionare in modo efficiente quando splende il sole, anche se la maggior parte dei veicoli di questo tipo hanno una batteria di backup. L’elettricità è immagazzinata nelle batterie, quando il tempo è soleggiato e questo potere può essere utilizzato quando la luce solare è limitata (nuvoloso). Le batterie sono normalmente batterie al nichel-metallo idruro (NiMH), batterie al nichel-cadmio (NiCd), batterie agli ioni di litio o batterie ai polimeri di litio. Comuni batterie al piombo dello stesso tipo utilizzato nelle auto normali sono troppo pesanti. Gli automobili a energia solare normalmente operano in un range da 80 a 170 volt. Per ridurre l’attrito con il suolo le ruote sono estremamente strette e di solito ci sono solo tre.

Alcune delle auto solari sono tuttora pratiche e una la potete vedere nella foto. Questo è un cart da golf alimentato da energia solare che può essere utilizzato in climi soleggiati per portare i golfisti da una buca all’altra. Quando è ferma i pannelli solari ricaricano le batterie le quali a loro volta alimentano i motori elettrici direttamente. Siccome il veicolo non è in uso continuo le batterie hanno tempo per ricaricarsi prima che ci sia bisogno.

Uno dei modi più realistici in cui che le auto solari potrebbero diventare pratici è quello di ricaricare le batterie quando sono parcheggiati nel corso della giornata. Immaginate di guidare una breve distanza a lavoro e di infilare la spina della in una serie di pannelli solari fotovoltaici. Mentre si sta lavorando le batterie si ricaricano fino a essere pronte all’uso per il viaggio di ritorno. La stessa procedura può essere eseguita quando l’auto è parcheggiata a casa. Una combinazione di energia solare ed eolica può rivelarsi il più efficace metodo di ricarica delle batterie delle auto elettriche.

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