ENERGIA SOLARE
Il Sole
Il Sole è la stella più vicina alla Terra, dalla quale dista in media149.596.850 km.
Se paragonata alle altre stelle dell’Universo il Sole è di piccole dimensioni e di
modesta luminosità, ad evoluzione assai lenta, dell’ordine di miliardi di anni.
Il Sole è situato a circa 32.600 anni luce dal centro della galassia nota col nome
di Via Lattea, sull’orlo interno del Braccio di Orione. È animato da una
rotazione su se stesso a velocità angolare differenziata e da un moto di
rivoluzione, attorno al centro della galassia che compie in 273 milioni di anni,
ad una velocità orbitale di 240 km/s. La sua massa è di 1.99X 1033 g, cioè
332.270 volte la massa terrestre, costituendo da solo il 99% della massa totale
del sistema solare. Il diametro appartenente del sole è di 1.392.000 km, vale a
dire 109 volte il diametro della Terra.
La sua densità media è di 1.41,
mentre quella della Terra è di 5.5, ma
è stato calcolato che all’interno è di
120.
La gravità media sarebbe
27.9 volte quella della Terra.
Il sole è formato da: 1) Fotosfera;
2) Zona convettiva; 3) Nucleo;
4) Zona radioattiva; 5) Protuberanze
solari; 6) Macchie solari
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Energia solare
La luce del sole è la più grossa risorsa energetica del mondo e per migliaia
di anni gli esseri umani hanno usato efficacemente l'energia solare per
trarne luce e calore e per far crescere i raccolti.
In meno di 40 minuti, gli Stati Uniti ricevono più energia dal Sole di quanta
non ne ottengano bruciando combustibili fossili per un anno!
Sebbene la luce del sole possa essere raccolta da pannelli solari e utilizzata
per il riscaldamento delle abitazioni e la fornitura domestica di acqua calda,
i raggi solari non concentrati non sono abbastanza potenti da costituire un
efficiente sistema di produzione dell'energia.
La quantità di energia solare disponibile sulla superficie terrestre è pari a
circa 1kW di energia termica per metro quadro.
L'idea di utilizzare un gran numero di pannelli riflettenti (detti eliostati) o
specchi a più facce per concentrare la radiazione solare ha una storia antica
che risale almeno al 212 a.C., quando Archimede, nell'antica Siracusa,
utilizzò degli scudi di bronzo lucidati per focalizzare i raggi del sole sulle
vele delle navi romane, incendiandole. In linea teorica, utilizzando specchi e
lenti, si potrebbe raggiungere la temperatura della superficie del Sole.
L’energia solare rispetto ad altre fonti ha molti vantaggi:
1) È inesauribile, durerà fino a quando ci saranno Sole e Terra.
2) È pulita, perché ci arriva attraverso i raggi del sole.
3) È abbondante, perché con una piccola parte di essa attenuerebbe il
bisogno di energia di tutti i paesi del mondo.
4) Non costa nulla come materia prima.
…Ma anche alcuni svantaggi :
1) È discontinua nel tempo perché la riceviamo in certe ore della giornata con
intensità diversa da luogo a luogo.
2) È diluita, infatti, il nostro corpo la può ricevere per molte ore senza ustionarsi.
Per raccoglierla in quantità elevate bisogna usare milione e milioni di
apparecchi su vaste superfici nel territorio, però il costo di questi apparecchi
è elevatissimo. Per produrre energia dal sole costerebbe dieci volte del
normale. Nessuno pagherebbe una bolletta dieci volte superiore del solito!
Energia termica solare
La quantità di energia irradiata dal Sole è assolutamente enorme e la superficie
terrestre ne cattura solo una piccola parte. Raccogliendo una piccola parte di
questa piccola parte, possiamo focalizzare l'energia in una piccola area
utilizzando specchi curvi e riscaldare così un fluido. Questo fluido può poi
essere usato per riscaldare l'acqua e il vapore così prodotto può alimentare
una turbina per la produzione di elettricità.
Poiché l'acqua è riscaldata in modo indiretto, nelle ore di buio, quando il Sole
va a dormire, altri combustibili possono essere bruciati per produrre il vapore
necessario ad alimentare la turbina.
Sono necessarie competenze diverse per lo sfruttamento dell'energia solare:
ingegneri elettronici progettano i pannelli fotovoltaici che generano l'elettricità
e, mediante lo studio dei materiali che li compongono, la loro efficienza viene
accresciuta continuamente.Gli impianti che convertono il calore in energia
elettrica sono molto complessi e contengono vari sottosistemi che richiedono
differenti tecnologie. In quelli più semplici, ingegneri ambientali possono
progettare sistemi misti per riscaldare le abitazioni sfruttando l'energia solare
assorbita, ad esempio, da tegole speciali poste sul tetto e assicurandosi,
contemporaneamente, che il sistema di riscaldamento tradizionale della casa
fornisca il calore in più eventualmente necessario.
Il destino della radiazione solare
Non tutta la energia che dal Sole arriva al nostro pianeta può giungere al suolo per
essere da noi utilizzata: una buona parte infatti si perde negli strati dell’ atmosfera
rimanendo assorbita dal vapore acqueo delle nuvole.
Un’altra parte invece torna nello
spazio perché viene riflessa dalle
superfici chiare della Terra
(ghiacciai, deserti..) e dalle nuvole
stesse e prende il nome di Albedo
Quella che noi possiamo
utilizzare è la radiazione che
giunge al suolo ed è composta
dalla radiazione diretta e da quella
diffusa che insieme
rappresentano circa il 47 % della
energia incidente.
Essa può essere sfruttata per
scaldare fluidi a temperature
basse, medie o alte o per
produrre direttamente elettricità
con i pannelli fotovoltaici
Radiazione
fuori dall’
atmosfera
(incidente)
Radiazione
diffusa
Radiazione
riflessa
Radiazione
reirraggiata
Radiazione assorbita
Radiazione
diretta al
suolo
Basse temperature :
Le temperature tra i 50 e i 90° c, inferiori alla temperatura di ebollizione
dell’acqua, adatte a riscaldare superfici piane.
Il sistema più usato è il collettore piano detto pannello solare, composto da :
1) Lastra trasparente, lastra di vetro che fa passare le radiazioni;
2) Assorbitore, piastra di rame (buon
conduttore), con molti canali dove
circola un fluido (acqua o aria). Il sole
scalda quindi la piastra ed i il fluido
mediante tubi viene portato all’esterno
fino all’apparecchio utilizzatore;
3) Isolante termico, impedisce la
dispersione del calore;
4) Contenitore, scatola contenente tutti
gli elementi precedenti.
Il pannello solare è usato nella maggior parte dei casi per riscaldare
l’acqua nelle abitazioni civili.
Medie temperature:
Si ottengono temperature superiori a
quella dell’ebollizione dell’acqua.
Per convertire il calore in queste
temperature si usa il cilindro o canale
parabolico, composto da:
· Superficie a specchio, lastra curva
con sezione a parabola ricoperta da
specchi.
· Ricevitore o caldaia, un tubo
orizzontale posto sulla parabola nella
opportuna posizione e al cui interno
corre un fluido scaldato dai raggi
riflessi fino a circa 400°C che serve
per produrre il vapore che fa girare la
turbina per produrre elettricità.
· Meccanismo di puntamento ad
orologeria, fa ruotare il cilindro per
seguire il movimento del sole.
Specchio
parabolic
o
Ricevitore
Alte temperature
Si ottengono tramite gli eliostati (specchi piani)
che concentrano la luce del sole su una caldaia
situata sopra una torre. Ogni eliostato possiede
meccanismo per inseguire il sole durante la
giornata. La concentrazione del sole fa
evaporare l’acqua che circola nei tubi della
caldaia a temperature di circa 1500°C.
Il vapore viene convogliato nelle turbine che
poi azionano l’alternatore.
Ad Ardano (vicino Catania, Sicilia) è stata
costruita in via sperimentale una centrale
composta da 152 eliostati di 52 cm2.
Essa occupa una superficie di circa 4 ettari
ed con pieno sole e cielo limpido produce
una potenza massima di 1 MW.
I costi per l’impianto sono elevatissimi perché
è difficile mantenere inalterate le ottiche degli
specchi giacché sono continuamente esposte
al calore o alla pioggia.
Fornace solare
Torre solare con eliostati
Collettori solari piani
(pannelli solari)
Concentratore parabolico
indipendente
Cilindri parabolici ad
inseguimento
Celle fotovoltaiche
Servono per convertire l’energia solare in
energia elettrica.
Una cella fotovoltaica è una lastrina di
silicio (semiconduttore) di solito circolare
al cui interno ci sono dei fili conduttori.
Quando la luce colpisce la cella nasce una
timida corrente elettrica che dai fili verrà
portata all’esterno per l’utilizzazione.
Il rendimento teorico sarebbe del 25%, ma
quello reale è del 14%. La durata delle celle
è notevole perché le prime applicazioni
sono avvenute 30 anni fa e sono ancora in
funzione.
Il costo delle celle è un ostacolo perché
anche se il silicio è abbondante e
economico, però la tecnologia di per
produrre grossi cristalli di silicio è elevata,
infatti, sono usati nei motori spaziali.
Applicazioni dell’ energia
fotovoltaica in Africa
La centrale solare fotovoltaica
La centrale è molto simile a quella a
eliostati, solo che non ci sono la
caldaia, la turbina e l’alternatore e gli
eliostati, ma ci sono pannelli con
migliaia di celle fotovoltaiche collegate
in serie ad un alternatore. Attualmente
le centrali non superano la potenza di
100 MW. Quest’elettricità costerebbe 10
volte di più rispetto a quella normale.