POTENZIAMENTO ASSE SCIENTIFICO TECNOLOGICO. SCHEDA N 1: Eolico. A cura della Funzione Strumentale Graziella Vaiana

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1 POTENZIAMENTO ASSE SCIENTIFICO TECNOLOGICO SCHEDA N 1: Eolico OGGETTO: informativa sulle fonti di energie rinnovabili. Eolico A tutti i docenti di Scuola dell infanzia Elementare e media Istituto Comprensivo Via Cassia Km A cura della Funzione Strumentale Graziella Vaiana Le seguenti schede, tratte dal sito: World Energy visitato in occasione del 20 Congresso Mondiale dell energia che si è svolto presso la fiera di Roma nel mese di novembre, intendono fornire un contributo all aggiornamento dei docenti di scuola dell infanzia, elementare e media sulle energie rinnovabili. I contenuti delle schede si prestano ad essere utilizzate in tutte le classi e sezioni per essere trasformate in informazioni e attività multidisciplinari. Per questo motivo è necessario che le diverse schede siano raccolte ed utilizzate in classe. Le schede che ho selezionato devono ritenersi come ulteriori contenuti per potenziare l asse scientifico tecnologico anche se alcune informazioni potrebbero essere considerate superflue. Ho lasciato tuttavia il materiale in forma quasi integrale rispetto alle copie originarie in considerazione della diversa età degli alunni e degli interventi che potrebbero essere effettuati da genitori esperti. DEFINIZIONE L energia eolica è l energia cinetica estratta dal vento. Tale energia varia con il cubo della sua velocità. Trattandosi d un fenomeno non costante in termini di potenza e direzione, legato alla morfologia del territorio e dell ambiente, è possibile localizzare gli impianti eolici solo in determinate zone. I rilevamenti anemometrici atti a stabilire un quadro generale per l installazione d un sistema eolico possono durare anni ed i siti vengono selezionati secondo indicatori biologici, geomorfologici e socioculturali. E stato dimostrato (A. Betz) che solamente il 59,3% della potenza del vento può essere ceduta ad una macchina eolica attraverso il rallentamento durante il passaggio all interno del sistema. Una resa maggiore è impossibile dal momento che il vento dovrebbe teoricamente ridurre a zero la sua velocità immediatamente dopo il suo passaggio. TECNOLOGIE L energia del vento viene convertita da turbine eoliche (rotori) in energia meccanica di rotazione ed utilizzata per produrre elettricità attraverso aerogeneratori. Il loro lavoro dipende essenzialmente dall area del rotore e

2 dalla sua efficienza aerodinamica. I rotori sono composti da 1 a 3-4 pale in fibra di vetro, con una capacità rotante che può raggiungere i 200km/h e vengono classificati in: ROTORI AD ASSE ORIZZONTALE con asse parallela alla direzione del vento. Il raggio delle eliche determina l area attiva della turbina. ROTORI AD ASSE VERTICALE con asse perpendicolare e superficie utile legata alla larghezza massima di prospetto per l altezza della turbina. ROTORI IBRIDI riuniscono in un unica soluzione i vantaggi dei due tipi precedenti. Generalmente hanno delle pale aerodinamiche (derivate dalle eliche), che si muovono su un asse verticale. Le turbine eoliche più piccole possiedono una superficie utile di circa 0.2m2 e riescono a produrre una media di 100kWh annuali; le più grandi, con una superficie superiore ai m2 raggiungono la produzione di 9.000MWh l anno. Figura 1. Schema aerogeneratore (fonte: greencross) Gli aerogeneratori possiedono oltre ad un generatore elettrico anche un sistema di controllo delle pale che svolge la duplice funzione di moltiplicatore di giri e sistema frenante, affinché rimangano entro le soglie di cut in e cut off, rispettivamente la velocità minima e quella massima del vento. Un superamento comporrebbe in entrambi i casi un interruzione nella produzione d energia. In funzione alla loro potenzialità (taglia) sono divisi in 4 categorie: - Di piccola taglia ( P<100 kw) - Di taglia media ( 100<P<800 kw)- Di taglia intermedia ( 800<p<1000 kw) - Di taglia grande ( P>1000 kw). Buon lavoro Graziella Vaiana

3 POTENZIAMENTO ASSE SCIENTIFICO TECNOLOGICO A tutti i docenti di S. dell Infanzia elementare e media Istituto Comprensivo Via Cassia Km SCHEDA N 2: FOTOVOLTAICO OGGETTO: informativa sulle fonti di energie rinnovabili. FOTOVOLTAICO A cura della Funzione Strumentale Graziella Vaiana Anche la seguente scheda, sul fotovoltaico, intende fornire un contributo all aggiornamento dei docenti di scuola dell infanzia, elementare e media sulle energie rinnovabili. I contenuti delle schede, talora di difficile comprensione, si prestano ad essere utilizzate in tutte le classi e sezioni per essere trasformate in informazioni e attività multidisciplinari. DEFINIZIONE. Per energia solare si intende l energia emanata dal sole e trasmessa sulla terra come radiazione elettromagnetica. L utilizzo del sole come fonte energetica presenta dei pro e dei contro: si tratta di una fonte pulita, inesauribile ed abbondante che tuttavia è discontinua nel tempo. Inoltre le varie condizioni climatiche e la latitudine influenzano l irraggiamento del sito ( potenza istantanea che colpisce la superficie, misurata in kw/m2). La tecnologia Fotovoltaica consente di trasformare in maniera diretta l energia associata alla radiazione solare in energia elettrica sfruttando il fenomeno fotoelettrico. TECNOLOGIA La conversione energetica avviene in un dispositivo (cella fotovoltaica) costituito da un materiale semiconduttore, opportunamente trattato, all interno del quale si crea un campo elettrico, che orienta le cariche elettriche generate dalla interazione della radiazione solare (fotoni) con la struttura elettronica del materiale semiconduttore, dando origine ad un flusso di corrente elettrica. Figura 1 Cella fotovoltaica ( fonte: enel)

4 Attualmente il materiale più usato è il silicio cristallino ( mono/poli o amorfo), impiegato in una sottile fetta di spessore compreso tra 0,25 e 0,35 mm. Il monocristallino ha rendimenti di conversione pari al 15-17%, mentre il policristallino, caratterizzato da un minore costo di produzione, presenta rendimenti del 12-14%, più bassi per la presenza di un maggior grado di impurità. Il silicio amorfo, utilizzato nella tecnologia a film sottile, viene invece spruzzato sotto forma di gas su una superficie di supporto. Tale tecnologia presenta una convenienza maggiore rispetto alle precedenti, in quanto, per la produzione delle celle viene usata una quantità inferiore di materiale, abbassando quindi il costo di produzione. Inoltre possiede un ampia versatilità e flessibilità di impiego. L unico svantaggio, non ancora risolto, è la bassa efficienza dovuta alla struttura cristallina instabile del silicio amorfo. Sono sistemi a film sottile anche quelli con semiconduttori CIS, CIGS, tellururo di cadmio (CdTe). CIS e CIGS hanno efficienze fino al 13% e costi attuali leggermente inferiori ai sistemi in silicio. Tuttavia la scarsa disponibilità di indio e selenio costituiscono un ostacolo per uno sviluppo su larga scala. Figura 2 Grafico rendimenti celle ( fonte: esaenergie) Per un maggiore rendimento si stanno studiando celle fotovoltaiche multigiunzione (Split spectrum cell o Vertical Multijunction Cell). Sono costituite da differenti materiali semiconduttori disposti l uno sull altro che permettono di avere un più largo spettro del livello assorbente di energia e quindi un rendimento maggiore, aumentando l efficienza totale di conversione della radiazione solare (raggiungimento di efficienze superiori al 30%). Ancora in fase di sviluppo sono le celle organiche, note come DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell), ottenute con la nanotecnologia. Questo tipo di unità utilizza un pigmento organico fotosensibile ( in grado d assorbire la luce e generare un flusso d elettroni), applicato su un film sottile costituito da un strato d ossido metallico nanoporoso e polimeri conduttori o elettroliti liquidi. La peculiarità delle DSSC è di essere notevolmente flessibili e adatte ad essere conformate in diverse forme e applicazioni, oltre a costituire un prodotto più economico rispetto alle celle tradizionali. Solo una parte dell energia radiogena che colpisce la cella è convertita in energia elettrica; l efficienza di conversione dipende in alta percentuale dalle caratteristiche del materiale costitutivo e non supera generalmente il 20%. Naturalmente la resa energetica da parte del dispositivo è anche in funzione di fattori quali : fattori geografici e metereologici, orientamento ed inclinazione della superficie dei moduli. In condizioni standard (a 25 C con 1kW/ m2 di irraggiamento) una cella eroga circa 1.5 Watt di potenza ( Wp potenza di picco). Le celle vengono assemblate insieme fra uno strato superiore di vetro ed uno strato inferiore di materiale plastico (Tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio, in modo da costruire un unica struttura: il modulo fotovoltaico, tradizionalmente costituito da unità collegate in serie e in parallelo, per una potenza di

5 uscita che va dai 50 agli 150Wp. A seconda della tensione richiesta dalle utenze elettriche più moduli possono esser connessi, in serie o in parallelo, a costituire una stringa. A loro volta più stringhe collegate in parallelo vanno a costituire il generatore fotovoltaico. Figura 3 Percorso dal modulo al generatore (fonte: enel) Un complesso di ulteriori dispositivi (BOS) collega il generatore alle utenze, convertendo ed adattando la corrente continua in uscita alle esigenze finali; ne fanno parte: sistema di controllo convertitore CC/CA o inverter protezione di interfaccia sistema d accumulo. In base alla loro configurazione elettrica gli impianti fotovoltaici sono suddivisi in: 1STAND ALONE sistemi autonomi 2 GRID CONNECTED sistemi allacciati alla rete elettrica nazionale. Gli impianti stand alone sono impiegati in caso di utenze a bassissimi consumi energetici e per edifici ubicati in zone poco accessibili dalla rete elettrica e quindi difficilmente collegabili. In questa tipologia di sistemi è necessario ricorrere all utilizzo di batterie per accumulare l energia elettrica e garantire pertanto la continuità dell erogazione anche nei periodi in cui il generatore non produce corrente. Un altro componente essenziale in caso di sistemi autonomi è il regolatore di carica, la cui installazione preserva le batterie da eccessi di carica ed impedisce la scarica eccessiva.

6 Nei sistemi grid connect la rete fornisce l energia sufficiente a coprire la richiesta quando non viene prodotta dal generatore fotovoltaico ( periodi di scarsa o nulla insolazione) e riceve il surplus di elettricità che il sistema genera nelle ore di massima incidenza solare. I grid connect sono impiegati nelle centrali fotovoltaiche e negli impianti inseriti negli edifici. L integrazione dei moduli fotovoltaici negli edifici offre una serie di vantaggi: 1 riduzione delle perdite dovute alla distribuzione. 2 riduzione della domanda di picco nei mesi estivi, conseguente ad sempre un maggior impiego di condizionatori. 3 risparmio nei materiali di investimento degli edifici. 4 recupero dell energia termica. 5 utilizzazione come frangisole per le superfici vetrate esposte a sud. I moduli fotovoltaici stanno inoltre trovando sempre più spazio di diffusione commerciale in tutti quei casi in cui l allaccio alla rete nazionale comporterebbe costi sproporzionati rispetto alle ridotte richieste di energia. Rispondono a questi requisiti: illuminazione e segnaletica stradale, ponti radio e ripetitori televisivi, stazioni per la raccolta dati, batterie di servizio di roulotte ed imbarcazioni. La quantità di energia prodotta da un sistema fotovoltaico è legata ad una serie di fattori che variano da impianto ad impianto, ed i più importanti sono: Latitudine del sito Area dell impianto Angolo di inclinazione della superficie considerata ed angolo d orientamento rispetto al sud Efficienza e grado di pulizia dei moduli Temperatura delle celle Rendimento dell inverter e degli altri componenti elettrici convenzionali (cavi, interruttori, etc.) A titolo indicativo, prendendo in considerazione le latitudini dell Italia centrale, un m2 di moduli, installato su una struttura fissa, è in grado di erogare in media circa 190 kwh/anno, con una produzione maggiore d estate e minore d inverno. I vantaggi principali di questo tipo di tecnologia riguardano innanzitutto la sua modularità (alta flessibilità di impiego), le ridotte esigenze di manutenzione, in quanto costituiti da materiali resistenti agli agenti atmosferici, un impatto ambientale praticamente nullo e la sua semplicità di utilizzo. Graziella Vaiana