Titolo: Ecologia Energia da sole e vento

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Tommaso Farina
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1 Titolo: Ecologia Energia da sole e vento Argomenti: percentuale, area superficiale, energia, pannelli solari, pale eoliche Tempo: 90 minuti Età: Differenziazione: Livello più alto: Principi fisici della generazione di energia da vento e sole possono essere discussi più in profondità; possono essere discussi i semiconduttori Linee guida, supporti ICT, etc.: Esperti delle ONG (Organizzazioni Non Governative) o delle compagnie di produzione elettrica possono essere invitate per una tavola rotonda. In alternativa, si possono formare gruppi di studenti per presentare diverse prospettive sulle risorse energetiche (alternative contro tradizionali). Livello più basso: Le proprietà del silicone possono essere omesse nella scheda 1

2 Materiale richiesto per l'attività: Schede Accesso a Internet Kit del modello di una pala eolica, kit del modello di un dispositivo alimentato ad energia solare (ad esempio un giocattolo) Obiettivi di apprendimento dell'attività: Gli studenti dovrebbero essere capaci di effettuare calcoli e risolvere obiettivi pratici sulle schede Gli studenti dovrebbero essere capaci di seguire la discussione e sentire il bisogno di dati e calcoli ragionevoli per costruirsi un'opinione critica sugli argomenti controversi Gli studenti dovrebbero essere capaci di capire i principi fisici delle celle solari e delle pale eoliche Conoscenze richieste: Concetto di energia Calcolo delle percentuali Salute e sicurezza:

3 Descrizione della lezione Attività iniziale L'insegnante introduce l'argomento delle fonti energetiche "tradizionali" e "alternative". Agli studenti viene richiesto di elencare esempi di queste fonti. Agli studenti viene poi chiesto se pensano che il consumo di energia di un paese (come esempio abbiamo preso l'austria, ma gli insegnanti possono sostituire i dati nelle schede con quelli di altri paesi) possa essere coperto da pannelli solari. Quelli a favore dovrebbero fare delle supposizioni su quanta area (in %) del paese pensavo dovrebbe essere coperta da celle solari. Queste supposizioni saranno scritte alla lavagna. La stessa procedure è fatta con turbine eoliche, e gli studenti dovranno supporre quante turbine eoliche sono richieste. Attività principale Gli studenti formano team da 6. Ogni team sceglie o "celle solari" o "turbine eoliche" come argomento e riceve la relativa scheda e kit del modello (a seconda della dimensione della classe, ci sarà uno o due gruppi per ogni argomento). Tre ragazzi di ogni team saranno chiamati "gruppo ingegneristico", e dovranno fare i calcoli teorici sulla scheda. Gli altri tre saranno chiamati "gruppo di costruzione", e dovranno costruire il modello. Ogni gruppo effettua gli obiettivi come richiesto dalla scheda, e poi spiega cosa ha fatto all'altro gruppo del team. I team riceveranno poi la scheda 2, dove dovranno pensare e scrivere i possibili vantaggi e svantaggi del tipo di produzione di elettricità scelto, e gli ostacoli dell'implementazione dei risultati teorici della scheda 1. Attività conclusiva Ogni team nomina un interlocutore che presenterà il modello finito e descriverà i risultati calcolati. Se due team lavorano sullo stesso argomento, l'interlocutore del secondo team effettuerà lo stesso obiettivo. I risultati sono scritti accanto alle supposizioni iniziali sulla lavagna. Dopo che tutti i team avranno presentato i loro risultati, ci sarà una sessione di discussione e dibattito sui possibili ostacoli all'implementazione dei calcoli teorici in costruzioni pratiche (come il numero delle celle solari richieste, dove costruire ampie aree di celle solari in paesi densamente popolati, le spese di costruzione per turbine eoliche, la resistenza delle comunità locali contro le turbine eoliche etc.).

4 Scheda 1a Il fotovoltaico è una tecnologia usata per convertire la luce del sole (prevalentemente la parte visibile dello spettro) in energia elettrica. In Austria, solo lo 0,03% del consumo dell'energia è coperta dal fotovoltaico. La gente attiva nella protezione dell'ambiente richiede un sostanziale incremento di questo tipo di produzione di energia, specialmente per evitare di bruciare combustibili fossili o produrre energia nucleare. Vediamo quanta energia può essere prodotta dal fotovoltaico, e se è possibile eventualmente coprire tutta questa produzione con pannelli solari. Obiettivo 1: Un pannello solare standard ha una forma rettangolare e una dimensione di 160 cm x 90 cm. Ha una massima potenza in uscita di 200 W. a) Qual è la dimensione dell'area che dovrebbe essere coperta da pannelli solari in Austria per soddisfare il fabbisogno elettrico (nel 2013 è stato di GWh) usando solo pannelli solari? Stimate che il sole splende per una media di 8 ore al giorno. b) L'Austria ha una superficie totale di km 2. Quale percentuale di questa superficie dovrebbe essere coperta da pannelli solari? Obiettivo 2: L'attuale "energia solare" (irradianza, cioè potenza per unità di area) che raggiunge la superficie terrestre dipende dal periodo dell'anno e dalla posizione sulla superficie terrestre. In Austria, il valore massimo e di circa 700 W/m 2. Quale sarebbe l'efficienza di un pannello solare standard descritto sopra se si ha l'irradianza massima e la potenza in uscita del pannello è di 200 W?

5 Scheda 1b Probabilmente hai visto le pale eoliche da qualche parte sulla costa, su un terreno improduttivo, o nel mezzo di un campo di grano. Sebbene da lontano non sembri, da vicino si nota che sono molto grandi solitamente circa 80 m! In alcuni paesi sono molto numerosi, mentre in altri sono riluttanti a costruirli. Vediamo se potremmo soddisfare il fabbisogno elettrico dell'austria con energia eolica! Obiettivo 1: Una turbina eolica può produrre fino a 3600 kw di potenza (la potenza effettiva prodotta varia dalla velocità del vento; solitamente queste turbine funzionano in un intervallo della velocità del vento tra i 4 m/s e i 25 m/s). a) Supponi che il vento soffi notte e giorno tra le velocità ideali di 13 e di 25 m/s, che permettono la produzione massima nella maggior parte delle pale eoliche. Quante pale eoliche dovrebbero essere costruite per soddisfare il fabbisogno elettrico totale dell'austria (nel 2013 è stato di GWh)? b) Ovviamente il vento non soffia costantemente con la stessa forza. Prova a trovare la velocità del vento in un posto vicino e ripeti il calcolo! Obiettivo 2: La legge di Betz afferma che l'efficienza massima raggiungibile da una turbina eolica è del 59,3%. Le inefficienze pratiche, come il peso e l'attrito, diminuiscono ulteriormente l'efficienza effettiva a circa il 45%. Confronta questa efficienza con i mezzi "convenzionali" di produzione di energia elettrica, e con l'efficienza delle celle solari!

6 Scheda 2a???? Quali sono i vantaggi dell'energia solare rispetto all'energia eolica? Quali sono gli svantaggi dell'energia solare rispetto all'energia eolica? Quali ostacoli pratici (ingegneristici, ambientali, sociali, etc.) possono esserci nell'implementare i calcoli teorici della scheda 1, cioè quanto tenti di soddisfare l'intero bisogno energetico dell'austria con celle solari?

7 Scheda 2b???? Quali sono i vantaggi dell'energia eolica rispetto all'energia solare? Quali sono gli svantaggi dell'energia eolica rispetto all'energia solare? Quali ostacoli pratici (ingegneristici, ambientali, sociali, etc.) possono esserci nell'implementare i calcoli teorici della scheda 1, cioè quanto tenti di soddisfare l'intero bisogno energetico dell'austria con pale eoliche?

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