ENERGIA SOLARE:

Centrali fotovoltaiche e termosolari

Istituto Paritario Scuole Pie Napoletane - Anno Scolastico 2012-13 -

Alunna: Spada Maria Rosaria Classe III^ Sez. unica

La luce, sia naturale sia artificiale, è una forma di energia fondamentale per la nostra esistenza e per quella di tutti gli altri esseri viventi sulla Terra In passato gli scienziati hanno tentato di spiegare la teoria della luce ricorrendo a due teorie diverse:

• la teoria corpuscolare di Isaac Newton (XVII sec.), secondo cui la luce è composta da particelle piccolissime proiettate dagli oggetti luminosi;

• la teoria ondulatoria di Maxwell (metà del XIX sec.), secondo la quale la luce si propagherebbe sotto forma di onde.

Oggi si pensa alla luce come all’emissione di unità di energia, dette fotoni, che si comportano, a seconda delle circostanze, come un’ onda o come una particella, poiché godono di una doppia natura.

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L A V E R A N AT U R A D E L L A L U C E

All’interno del Sole, i nuclei degli atomi di idrogeno,

sottoposti a pressioni molto forti, a una temperatura di 15-20 milioni di gradi, vincono la

forza che tenderebbe a respingerli e si uniscono a formare atomi di elio.

In questa reazione sono emesse radiazioni altamente energetiche, i fotoni, che si dirigono verso

la Terra alla velocità della luce. L’energia impiega da 1 a 10 milioni di anni per giungere alla

superficie del Sole e 8 minuti per arrivare fino alla Terra.

Le radiazioni solari che investono la Terra sono elevate: è come se ogni ora arrivassero 1360 kW

per metro quadrato. Non tutta l’energia che arriva viene però incamerata: una parte, il 30%, è riflessa

nello spazio, mentre il 47% viene assorbito dall’atmosfera. Se così non fosse, la temperatura della Terra sarebbe troppo alta per consentire la vita e dare origine ai processi di fotosintesi che

sono alla base delle catene alimentari e della vita sul nostro pianeta.

All’interno del Sole, i nuclei degli atomi di idrogeno, sottoposti a pressioni molto forti, a una temperatura di 15-20 milioni di gradi, vincono la forza che tenderebbe a respingerli e si uniscono a formare atomi di elio. In questa reazione sono emesse radiazioni altamente energetiche, i fotoni, che si dirigono verso la Terra alla velocità della luce. Non tutta l’energia che arriva viene però incamerata: una parte, il 30%, è riflessa nello spazio, mentre il 47% viene assorbito dall’atmosfera. Se così non fosse, la temperatura della Terra sarebbe troppo alta per consentire la vita e dare origine ai processi di fotosintesi che sono alla base delle catene alimentari e della vita sul nostro pianeta.

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E N E R G I A L U M I N O S A

Questa seconda teoria prese gradualmente il sopravvento, poiché riusciva a spiegare sperimentalmente

la quasi totalità dei fenomeni luminosi. Nei primi decenni del XX secolo, in seguito alla

scoperta di nuovi fenomeni, tra cui quello fotoelettrico, utilizzato anche per la produzione diretta

di energia elettrica, la teoria elettromagnetica si è rivelata inadeguata.

Oggi si pensa alla luce come all’emissione di unità di energia, dette fotoni, che si comportano, a

seconda delle circostanze, come un’onda elettromagnetica o come una particella, poiché godono

di una doppia natura.

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Le tecnologie in grado di sfruttare l’energia solare sono in continua evoluzione, alla ricerca di un’ efficienza sempre maggiore. Le più diffuse attualmente sono destinate: • alla produzione di calore, mediante i pannelli solari a liquido refrigerante, utilizzati per il riscaldamento dell’acqua degli impianti sanitari e per i caloriferi; • alla produzione diretta di energia elettrica mediante i pannelli fotovoltaici sul tetto. Alcune di queste tecnologie sono impiegate per costruire grandi centrali per la produzione di energia elettrica su larga scala, ma l’energia solare trova un’applicazione ideale nella realizzazione (di impianti medio-piccoli a dimensione locale, che possono servire ad alimentare un singolo dispositivo o a coprire buona parte del fabbisogno energetico di un’abitazione o di un’azienda.

L ’ U T I L I Z Z O D E L L ’ E N E R G I A S O L A R E

Un’importante conferma della teoria ondulatoria arrivò dai risultati sperimentali relativi alla

misurazione della velocità della luce, calcolata in circa 300

000 km/s. Essa fu utilizzata anche come riferimento per l’unità di misura delle distanze tra i corpi celesti dell’universo, stabilita in anni luce, cioè la distanza

che la luce riesce a percorrere in un anno. Nonostante l’altissimo valore della velocità della luce, le distanze spaziali sono così grandi che la stella più vicina impiega ben 4 anni a inviarci i

suoi raggi luminosi e il sole 8 minuti.

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E’ utilizzato per il riscaldamento dell’acqua, ed è costituito da: • una superficie metallica in grado di assorbire il calore; • una lastra trasparente che, posta sopra la superficie metallica, permette alla radiazione solare di entrare, evitando al calore di uscire; • uno scambiatore di calore in cui il calore del liquido vien e trasferito all’acqua dell’impianto; • un serbatoio in cui si accumula l’acqua riscaldata. I pannelli, montati in genere sui tetti, possono captare il massimo del calore quando i raggi sono perpendicolari alla sua superficie e il cielo è sereno, ma sono in grado di funzionare anche quando il cielo è nuvoloso.

P a n n e l l o s o l a r e a l i q u i d o r e f r i g e r a n t e

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La conversione della luce in energia elettrica è resa possibile dall’impiego di materiali che, investiti dai raggi solari, sono in grado di generare corrente elettrica grazie a un fenomeno che si chiama effetto fotoelettrico. Le celle fotovoltaiche di cui sono composti i pannelli sono in genere raggruppate in moduli di trenta elementi; esse sono collegate a un accumulatore, che raccoglie la corrente continua prodotta dal pannello. Questa viene poi trasformata in corrente alternata mediante il passaggio attraverso un’apposita apparecchiatura chiamata inverter, da cui è poi distribuita agli utilizzatori

P a n n e l l i f o t o v o l t a i c i

Quando uno strato di silicio "drogato" con atomi (ad es. di boro) che hanno meno elettroni di valenza del silicio (giunzione p", o positiva) viene accoppiato con uno strato drogato con atomi (ad es. di fosforo) che hanno invece più elettroni di valenza (giunzione n), si crea un campo elettrico, che spinge gli elettroni dagli atomi con elettroni in più verso gli atomi con elettroni in meno, per cui si crea una "corrente elettrica“ cioè un flusso di elettroni.

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Sono costituite da centinaia o migliaia di moduli fotovoltaici di grandi dimensioni collegati tra di loro in serie oppure in parallelo, installati a terra su strutture in cemento armato e acciaio.

C E N T R A L I F O T O V O LTA I C H E

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Nelle centrali solari a specchio parabolico il calore del Sole viene concentrato su un tubo posto a poca distanza dallo specchio stesso, in corrispondenza del suo punto focale. Il tubo è riempito di uno speciale liquido termoconvettore e un sistema di turbine sfrutta il calore così accumulato per la produzione di energia elettrica.

C E N T R A L I T E R M O S O L A R I A S P E C C H I O

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La centrale termosolare è costituita da migliaia di eliostati, specchi che seguono il movimento del Sole e ne concentrano i raggi sulla sommità di una torre. Sulla torre è sistemata una caldaia piena di un liquido speciale in grado di catturare e conservare il calore e che serve ad azionare un sistema di turbine per la produzione di energia elettrica.

C E N T R A L I T E R M O S O L A R I A T O R R E

Attualmente la maggior parte degli studi si concentra su nuove generazioni di celle fotovoltaiche dotate di una maggior efficienza di quelle attuali o su celle fotovoltaiche

dotate di un'efficienza simile a quella delle celle attuali ma molto più economiche. Studi più ambiziosi puntano alla realizzazione di centrali solari orbitanti. Queste centrali dovrebbero raccogliere i raggi solari direttamente nello spazio e trasmettere la potenza

assorbita sulla Terra per mezzo di microonde o raggi laser.

Attualmente la maggior parte degli studi si concentra su nuove generazioni di celle fotovoltaiche dotate di una maggior efficienza di quelle attuali o su celle fotovoltaiche dotate di un'efficienza simile a quella delle celle attuali ma molto più economiche. Studi più ambiziosi puntano alla realizzazione di centrali solari orbitanti. Queste centrali dovrebbero raccogliere i raggi solari direttamente nello spazio e trasmettere la potenza assorbita sulla Terra per mezzo di microonde o raggi laser.

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