LE FONTI ENERGETICHE.

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1 LE FONTI ENERGETICHE. Il problema La maggior parte dell'energia delle fonti non rinnovabili è costituita dai combustibili fossili quali carbone, petrolio e gas naturale che ricoprono l'80% del fabbisogno mondiale, e dal nucleare. Le principali fonti non rinnovabili sono però sia esauribili che molto inquinanti. Figura 1: fabbisogno energetico mondiale Per tale motivo si cerca di integrare tali risorse con fonti di energia rinnovabile, cioè fonti di energia che si rigenerano o non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le prossime generazioni. Sono fonti di energia rinnovabile: L'energia geotermica, solare, eolica, da biomasse, termovalorizzazione. Figura 2: confronto tra energie rinnovabili

2 Energia geotermica E' l'energia della Terra, che consente di produrre energia, termica o elettrica, sfruttando il calore delle profondità terrestri che deriva dai vulcani, i geyser e le sorgenti di acqua calda. L Italia è il secondo produttore al mondo, dopo gli Stati Uniti, di energia elettrica dalla geotermia. La produzione di energia geotermica ha un impatto positivo per quanto riguarda la riduzione delle emissioni di gas-serra, infatti i più recenti impianti emettono solo 136 g/kwh di CO² per kwh di elettricità prodotta contro i 453 g/kwh degli impianti a gas naturale e i 1042 g/kwh degli impianti a carbone. L Unione Europea intende incrementare lo sfruttamento dell energia geotermica, passando dal 6% al 12% entro il In Italia alla fine del 1996 la potenza geotermoelettrica era poco superiore ai 500 MW e si stima che nel 2010 la potenza complessiva per la produzione di energia elettrica possa giungere ai 1000 MW. Figura 3: energia geotermica nel mondo Energia solare E' l'energia che permette di sfruttare l'irraggiamento del Sole verso la Terra utilizzandolo per esempio per produrre energia termica o elettrica. Essa può essere utilizzata grazie ai pannelli solari, utili per produrre acqua calda per scopi igienico sanitari che vanno solo a integrare l'impianto di riscaldamento ad acqua calda, o con le celle fotovoltaiche che invece possono sostituire l impianto elettrico e garantire anche la vantaggiosa opzione del conto energia.

3 Figura 4:distribuzione dell'irradiamento solare annuo nel mondo in kwh/m2 Energia eolica L'eolico è una tecnologia che è in grado di convertire in energia elettrica, l'energia cinetica del vento. Il suo principio di funzionamento è tra i più antichi del mondo, basti pensare ai mulini a vento, con la differenza che oggi è stato migliorato. Molti Paesi del Nord Europa sfruttano l'energia eolica, prima fra tutti la Danimarca. Gli impianti eolici possono essere installati sia su mare (impianti off shore) che su terra (impianti on shore). Figura 5: potenza eolica

4 Energia da biomasse L'energia prodotta dalle biomasse consente di eliminare i rifiuti prodotti nelle attività umane e costituisce una fonte di energia pulita e rinnovabile. Termovalorizzazione Gli inceneritori sono impianti principalmente utilizzati per lo smaltimento dei rifiuti mediante un processo di combustione ad alta temperatura (incenerimento) che dà come prodotti finali un effluente gassoso, ceneri e polveri. Negli impianti più moderni il sviluppato durante la combustione dei rifiuti viene recuperato e utilizzato per produrre vapore poi utilizzato per la produzione di energia elettrica o come vettore di calore (ad esempio per il teleriscaldamento) con tecnologie per il recupero vengono indicati col nome di inceneritori con recupero energetico, o più comunemente termovalorizzatore. ENERGIE RINNOVABILI: PANNELLI SOLARI. Dopo aver prodotto una panoramica sui vari tipi di energia rinnovabile ci si sofferma sui pannelli solari. I parametri alla base del dimensionamento dei pannelli sono l insolazione, le superfici captanti e la costante solare. Figura 6:Moto terrestre.

5 L INSOLAZIONE SOLARE La quantità di energia solare che arriva sulla superficie della Terra cambia da luogo a luogo e, nella stessa zona, varia nell arco della giornata e dell anno a causa dell inclinazione dell asse terrestre, del moto di rotazione e di rivoluzione della terra intorno al Sole. La quantità di energia che giunge sulla crosta terreste varia notevolmente a seconda della latitudine e a causa del diverso spessore dello strato atmosferico che i raggi devono attraversare. Essa è massima all altezza dell asse equatoriale e minima ai poli, e, questa quantità di energia solare ricevuta da una superficie orizzontale(al giorno, al mese...ecc...) è chiamata insolazione(giornaliera, mensile...ecc...) e si misura in J/(m²xgiorno). Figura 7:L insolazione solare. Il termine insolazione diretta definisce la quantità di radiazione solare che raggiunge direttamente la superficie terrestre attraverso l atmosfera senza interagire con i gas atmosferici; l insolazione diffusa è invece la quantità di radiazione solare che viene sprigionata o riflessa dall atmosfera. LA COSTANTE SOLARE Nel corso dell anno la quantità di radiazione media che raggiunge la sommità dell atmosfera terrestre è di circa 1353 W/m² e tale valore prende il nome di costante solare. Figura 8: Potenza della radiazione solare al di fuori dell atmosfera.

6 L energia radiante è ripartita lungo tutto lo spettro elettromagnetico, sebbene il picco energetico corrisponda alle lunghezze d onda del visibile. Figura 9:Rappresentazione della luce solare incidente. Poiché la radiazione solare è sottoposta ad una diminuzione man mano che attraversa gli strati dell atmosfera terrestre, l insolazione della superficie terrestre si riduce a circa 1000 W/m², valore raggiunto in condizioni di tempo sereno quando il Sole si trova allo Zenit (vale a dire che i suoi raggi sono perpendicolari alla superficie terrestre). LE SUPERFICI CAPTANTI Per raccogliere la massima quantità di radiazione solare si ricorre a superfici disposte perpendicolarmente alla direzione dei raggi solari, denominate superfici captanti. Figura 10:Orientamento solare.

7 La perfetta perpendicolarità captante, rispetto alla direzione dei raggi solari, viene ottenuta inclinando la superficie captante rispetto al piano orizzontale, di un angolo uguale alla latitudine del luogo. Figura 11:Inclinazione TIPOLOGIE DEI PANNELLI SOLARI I pannelli solari si possono suddividere in alcune tipologie costruttive: -piani non vetrati -piani vetrati -sottovuoto -vetrati con aria calda -scoperti Pannelli solari sottovuoto: sono in grado di garantire un maggiore apporto energetico anche in condizioni di basso irraggiamento o basse temperature esterne. Pannelli solari piani vetrati: sono strutturati attorno all assorbitore che ne limita le dispersioni sia per convenzione con l aria che per irraggiamento, dato che il vetro che ricopre la parte superiore dell assorbitore è progettato per questa funzione. Il loro rendimento è leggermente inferiore ai pannelli non vetrati in condizioni ottimali, ma in condizioni meno favorevoli hanno un rendimento decisamente più alto arrivando a produrre acqua calda per uso sanitario per circa sette mesi.

8 Pannelli solari piani non vetrati: sono poco costosi e hanno un ottimo rendimento in condizioni favorevoli di irraggiamento quando la temperatura esterna è alta. A causa della mancanza dell isolamento il loro rendimento diminuisce rapidamente al mancare delle condizioni ottimali. Questi pannelli sono adatti al solo uso stagionale ed esclusivamente per la produzione di acqua calda igienico-sanitaria e vengono inoltre usati per il riscaldamento delle piscine. Pannelli solari vetrati con aria calda: nel loro interno circola aria anziché acqua. L aria viene fatta circolare tra vetro e assorbitore, o, in alcuni casi, in una intercapedine ricavata tra l assorbitore ed il fondo di poliuretano isolante. I pannelli scoperti: sono privi di vetro, l acqua passa direttamente all interno dei tubi del pannello dove viene riscaldata dai raggi solari ed è pronta per essere usata. Il limite di questi pannelli è quello di non essere coibentati, quindi funzionano a temperatura ambiente di almeno 20 C e la temperatura massima dell acqua non supera i 40 C. Il collettore piano: è il sistema più utilizzato per ottenere le basse temperature, cioè comprese fra i 50 C e i 90 C, che si ottengono facilmente facendo riscaldare al sole le superfici piane. Un collettore piano è costituito da: - lastra trasparente di vetro, che fa passare le radiazioni in arrivo e blocca quelle in uscita. - assorbitore di rame che è un buon conduttore di calore - isolante termico che impedisce la dispersione di calore COMPONENTISTICA Il pannello solare nella sua struttura è composto da diversi elementi quali: 1) Serbatoio del collettore 2) Assorbitore 3) Riflettore: 4) Vetro solare di sicurezza 5) Sigillatura speciale 6) Listello di vetro 7) Giunti impermeabilizzanti 8) Valvola a depressione

9 Figura 12 pannello solare Si passa quindi ad analizzarli singolarmente: Serbatoio del collettore: il serbatoio costruito in alluminio è saldato ermeticamente, senza orifici di aerazione e costituisce il fondamento del sistema. La sua struttura impermeabile all aria e all acqua, senza fori di aerazione e rivetti, protegge i componenti interni del collettore per decine di anni. Figura 13 serbatoio del collettore

10 Assorbitore: l assorbitore è costruito in rame, è rivestito, è ad alta selettività e ha un tubo di calore. L assorbitore è rivestito da entrambe le due parti con un supporto galleggiante, e garantisce un elevatissimo rendimento energetico. Figura 14 assorbitore solare Riflettore: il riflettore ha generalmente una forma cilindrica, una lucentezza e accumula l irradiazione solare sulle bande verticali dell assorbitore. Per garantire una lunga durata al collettore i riflettori sono protetti dagli influssi ambientali all interno del serbatoio, questo, infatti, impedisce l usura del rivestimento. Vetro solare di sicurezza: il vetro solare di sicurezza è di 4 mm, è povero di ferro e ha una struttura prismatica. Ha un altissima permeabilità alla luce, inoltre è resistente agli urti e agli agenti atmosferici. Sigillatura speciale: E una sigillatura speciale ad elasticità permanente, protetta contro i raggi UVA del sole. Le sigillature unisce il serbatoio, il vetro e il listello di vetro. Esso è impermeabile alla diffusione e impedisce filtrazioni di umidità e della sporcizia. Listello di vetro: ha un profilo speciale di alluminio anodizzato che è resistente ai raggi UVA e alle intemperie, assicura inoltre protezione degli spigoli di vetro. Garantisce la durabilità della giuntura fra vetro e serbatoio.

11 Figura 15 listello di vetro Giunti impermeabilizzanti: sono collocati all estremità del pannello e collegano il filetto esterno con il giunto piano. Valvola a depressione: è una valvola per la compensazione della pressione. Quando si riscalda l aria interna al collettore si espande creando una sovrapressione. La valvola si apre e l aria può fuoriuscire, quando invece l aria si raffredda, la valvola si chiude e all interno del collettore si crea un vuoto. Così facendo non si creano corrosioni del collettore e nessuna condensazione di umidità che potrebbe rovinare il pannello. MATERIALI Per costruire un pannello solare occorrono vari tipi di materiali che danno al pannello delle caratteristiche ben particolari a seconda del loro utilizzo. I materiali utilizzati generalmente sono: rame, gomma, silicone, alluminio, vetro e silicio. Rame: viene utilizzato per costruire i tubi che compongono il pannello solare. Gomma: viene utilizzata per rivestire la parte superiore laterale del pannello. Silicone: utilizzato come materiale di protezione.

12 Alluminio: viene utilizzato come rivestimento esterno del pannello, infatti è considerato come l involucro del pannello, inoltre viene anche posizionato sul fondo del pannello. Vetro: viene utilizzato come elemento di copertura del pannello. Silicio: viene utilizzato per la costruzione del pannello. La saldatura dei materiali viene fatta con un processo ad ultrasuoni. Figura 16 materiali all'interno del pannello solare STRUTTURA E FUNZIONAMENTO DELL IMPIANTO SOLARE L impianto solare ha la funzione di produrre acqua calda igienico-sanitaria usufruendo dei raggi catturati dal pannello solare. Un impianto solare è costituito essenzialmente da tre elementi: - il collettore o pannello solare - impianto di distribuzione - serbatoio di accumulo dell acqua calda.

13 Analizzando meglio l impianto possiamo individuare tutti gli elementi che lo compongono: 1) pannello solare 2) regolatore 3) pompa 4) pressostato 5) serbatoio d acqua 6) dissipatore 7) altra fonte di calore (caldaia, pompa di calore, ecc.) Figura 17 produzione acqua igienico-sanitaria

14 Figura 18 impianto di produzione acqua calda igienico-sanitaria Riferendosi allo schema, sopra raffigurato, si può spiegare il processo di produzione dell acqua calda dell impianto solare. L acqua fredda dell acquedotto entra dall alimentatore e va al boiler di accumulo dove viene scaldata dai pannelli solari. L alimentazione del collettore serve per caricare il circuito dei pannelli solari quando, a causa di evaporazione o perdite, subisce una diminuzione di pressione. La sonda e il termostato controllano la temperatura dell acqua. Se i pannelli non sono in grado di mantenere la temperatura prefissata (normalmente di 50 ), la centralina ferma la pompa dei pannelli e il termostato apre la valvola a due vie, così facendo permette all acqua calda prodotta dalla caldaia di alimentare la serpentina. L acqua sanitaria prodotta va alle utenze del miscelatore e torna al miscelatore per mezzo del circolatore di ricircolo.

15 Possiamo inoltre semplificare il discorso tramite l utilizzo dello schema seguente: Ricezione Pannello solare Boiler Alimentazione: acquedotto comunale Impianto ad acqua calda Bibliografia Elementi di impianti tecnici, Amerio e Sillitti, Sei; ; ; ; solari ; ; pannelli solari ;

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