Tecnica solare. Un infinità di possibilità di impiego. Esperimenti con pannelli solari. il tuo assistente tecnico, esperto di energia solare

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1 :44:15 Uhr Tecnica solare Esperimenti con pannelli solari Un infinità di possibilità di impiego Ma come si può trasformare la luce solare in energia elettrica? Quali sono le condizioni ottimali che dobbiamo creare per poter eseguire ciò? A questi e a tanti altri quesiti risponderà by C. Repky 1999 il tuo assistente tecnico, esperto di energia solare 1

2 :44:17 Uhr Indice Introduzione pag. Indice 2 Il set di materiali per esperimenti 3 Gli esperimenti 3 Materiali ausiliari utili 3 Elenco componenti 3 La tecnica fotovoltaica in genere Il sole come fonte di energia 4 La tecnica fotovoltaica 4 La curva di resa 4 I vari tipi di pannelli solari 4 I prezzi 4 La realizzazione dei pannelli fotovoltaici 5 La trasformazione della luce in energia elettrica 5 Esempi di impiego della tecnica fotovoltaica 5 Impianti collegati in parallelo 6 Impianti a funzionamento autonomo 6 Esempi di impiego 7 Gli esperimenti Suggerimenti riguardanti gli esperimenti 7 Diverse fonti di luce e gli effetti da loro creati 8 L influenza della quantità della luce sulla potenza 9 L effetto della luce a distanze differenti 10 L aumento del voltaggio attraverso collegamenti in serie 11 L aumento della potenza (Ampere) tramite collegamenti in parallelo 12 Pannelli solari polarizzati nel circuito in serie 13 Pannelli solari polarizzati nel circuito in parallelo 14 Oscuramento parziale di pannelli solari 15 Oscuramento di pannelli solari nel circuito in serie 16 Oscuramento di pannelli solari nel circuito in parallelo 17 Il filtro di luce 18 L angolo di incidenza della luce 19 Attenzione Norme antinfortunistiche: Questo pacco materiale contiene parti con angoli acuti. Ci si può fare male! 2

3 :44:17 Uhr Il set per esperimenti pratici Questo set offre la possibilità di studiare la tecnica e le caratteristiche dei pannelli solari e le loro capacità di generare energia solare eseguendo degli esperimenti pratici. I pannelli solari, che sono la base dei nostri esperimenti sono composti da silicio, un cristallo "monolitico e quindi sono di qualità pregiata. In questo modo possiamo eseguire i nostri esperimenti anche all interno senza l irradiazione diretta del sole. L ideale sarebbe l impiego di una lampada da tavolo. Inoltre la lampada ha il vantaggio di emettere sempre la medesima att. La forza di irradiazione del sole invece può variare a seconda la nuvolosità il che ovviamente distorce i dati prelevati e ti. Gli esperimenti Dopo una breve introduzione generica veniamo introdotti passo per passo, eseguendo degli esperimenti, nelle conoscenze di base della tecnica solare. Materiali di sussidio utili Mediante il allegato ed il numero dei giri sviluppati possono venire analizzati tutti i dati. Per poter eseguire gli esperimenti in modo ancor più scientifico sarebbe opportuno utilizzare un multimetro digitale con il quale i dati possono essere controllati esattamente. I dati possono essere inseriti in appositi protocolli ed analizzati. Elenco componenti 2 pannelli solari 0,5 V, 250 ma 1 solare 4 cavetti 1 disco 5 fogli colorati 2 cartoncini per oscurare i pannelli 3

4 :44:17 Uhr Il sole come fonte di energia Il sole ha la massa che è volte quella della terra ed è la fonte di energia più potente nel nostro sistema solare. Il diametro del sole è di milioni di chilometri e quindi è cento volte superiore a quello del pianeta Terra. La distanza media della Terra dal sole è di 150 milioni di chilometri. Quotidianamente ci giungono i raggi del sole dopo un viaggio della durata di 8 minuti. La luce viaggia a una distanza di ,5 km al secondo. Se si volesse inviare la luce da Bolzano a Napoli (distanza ca km) essa impiegherebbe solamente una frazione di secondo e cioè esattamente 0,0035 secondi. Dal punto di vista tecnico il sole non è altro che un enorme sfera di vetro di altissima temperatura e altamente esplosiva. Nell interno del sole riscontriamo delle temperature che vanno fino a 15 milioni di gradi. Alla superficie riscontriamo ancora delle temperature che raggiungono addirittura 5700 Celsius. La temperatura del sole è difficile da descrivere e da capire. Comunque tramite la tabella sottostante potete tentare di immaginare quanto è alta la temperatura effettiva del sole C nel deserto di giorno C nella sauna 100 C l acqua evapora 3000 C metallo si fonde in pochi secondi 5700 C superficie del sole C temperatura all interno del sole La temperatura e la pressione all interno del sole sono talmente elevate e di conseguenza avvengono delle reazioni nucleari. A causa di queste reazioni vengono bruciati ogni secondo 4 milioni di tonnellate di materia. Ogni grammo di questa materia bruciata genera kwh di energia. Energia solare Questa energia rinnovabile ed ecologica deve essere sfruttata dall uomo! Fotovoltaica La trasformazione di luce in energia elettrica viene denominata effetto fotovoltaico. Il termine proviene dal greco ed è composto dalle due parole "phos = luce e "Volt unità della tensione elettrica. L effetto fotovoltaico fu scoperto già nel lontano 1839 dal fisico francese Becquerel. Ma soltanto 100 anni dopo fu sviluppato il primo pannello solare nei laboratori di Bell e precisamente nell anno Da questo momento ricercatori di tutto il mondo cercano di migliorare la qualità dei pannelli solari. Tanti miliardi vengono investiti ogni anno nella ricerca in questa tecnologia. Il fine di questa intensa ricerca è di aumentare la efficienza dei pannelli solari. Il grado di efficienza (resa) La del grado di efficienza di un pannello solare avviene nel laboratorio. Detta viene eseguita rispettando diversi parametri. L irradiazione della luce deve essere di 1000 Watt/m 2 inoltre la temperatura del pannello deve comportare 25 C. Anche l umidità ha un notevole influsso. Questi parametri, che devono venire rispettati da tutti i vari produttori consente il confronto tra i vari tipi di pannelli solari prodotti. Ma in definitiva cos è il grado di efficienza? L indice di efficienza indica il rapporto tra energia immessa e quella ricavata espresso in percentuale. Esempio: Se da 1000 Watt di immissione viene generata una potenza di 100 Watt all uscita abbiamo una resa del 10%. I vari tipi di pannelli solari I tipi più diffusi attualmente tipo di pannello materiale resa pannello amorfo strato di silicio evaporato 4-8% pannello policristallino fette di silicio 10-14% pannello monocristallino fette di silicio 13-17% Il costo Dal punto di vista del costo il pannello amorfo è di gran lungo il più conveniente. Ma d altronde questo tipo perde dopo pochi anni notevolmente di potenza. I pannelli poli e monocristallini non perdono nulla della loro efficienza anche dopo tanti anni di impiego. Questi pannelli attualmente sono più costosi ma d altronde grazie alla loro longevità il costo risulta inferiore. 4

5 :44:17 Uhr L a s s i s t e n t e t e c n i c o La produzione dei pannelli solari p e r l e n e r g i a Il materiale dal quale vengono prodotti i pannelli solari è il quarzo. Tramite specifici processi questa sabbia di quarzo viene depurata dalle impurità ottenendo un blocco di silicio. A secondo del tipo di pannello distinguiamo i seguenti processi. Per i pannelli monocristallini viene impiegata la fusione a crogiolo. Il cristallo al silicio viene immerso nel silicio fuso surriscaldato. Il silicio liquido si congiunge con quello immerso estraendolo lentamente. In questo modo vengono prodotte delle barre a forma cilindrica della lunghezza di ca. 1 m e del diametro di 12 cm. I pannelli policristallini vengono prodotti colando il silicio surriscaldato in una forma e quindi viene lentamente raffreddato. Anche in questo processo di produzione si ottengono delle barre. In seguito vengono tagliate dalle barre delle fettine sottilissime (<0,5 mm). Ogni fettina viene appiattita tramite levigatura ed incisione. Dopodiché tutti e due i lati vengono inquinati volutamente da atomi estrani. Questo processo viene denominato "dotazione. A causa di questa dotazione si ottiene che un lato viene caricato positivamente e l altro negativamente dette caratteristiche determinano più tardi che tramite l irradiazione della luce la corrente elettrica è in grado percorrere. Il rovescio del pannello solare viene ricoperto da un sottile strato di alluminio. Questo strato è il polo positivo. Il lato anteriore viene anche ricoperto da uno strato di alluminio ma non del tutto bensì da delle linee conduttrici in modo che la luce possa giungere al silicio. Infine viene applicata la linguetta per la saldatura che sarà il secondo punto di collegamento e cioè il polo negativo linee conduttrici disco di silicio linguetta per la saldatura strato di alluminio strato n "-" strato p "+ pannello solare La trasformazione della luce in corrente elettrica La luce è composta da un infinità di particelle di energia i cosiddetti fototoni. Se questi fototoni colpiscono il pannello solare si liberano degli elettroni dallo strato n e cercano di migrare verso lo strato p. Questa migrazione si chiama flusso di corrente. Questo flusso avviene sempre partendo dal verso il +. Se ora viene collegato al pannello solare un utilizzatore il flusso degli elettroni prosegue pure fino all utilizzatore ed aziona per esempio il rotore di un motore. irradiazione della luce linguetta di saldatura linee conduttrici strato n "-" disco di silicio strato di alluminio strato p "+ Esempi di impiego della tecnica fotovoltaica Un pannello solare genera corrente continua. A seconda della qualità del pannello possiamo ottenere una tensione tra 0,5 e 0,65 V. Moduli solari vengono impiegati soprattutto in due varianti per la generazione di energia elettrica. Impianti in parallelo alla rete di alimentazione domestica Impianti autonomi Questi due sistemi vengono descritte più dettagliatamente nelle seguenti pagine. 5

6 :44:18 Uhr Impianti in parallelo Questi impianti vengono impiegati per alimentare la rete elettrica pubblica con la corrente prodotta dall impianto fotovoltaico. Questi impianti necessitano di moduli solari di punti di connessione ed un interruttore generale. con impianto solare senza impianto solare rete elettrica pubblica Questo dispositivo trasforma la tensione continua in tensione alternata e quindi la corrente può venire collegata alla rete pubblica. Se l impianto solare non produce sufficiente corrente per es. di notte oppure quando fa brutto tempo l utente preleva la corrente necessaria dalla rete pubblica. Impianti autonomi Questi impianti vengono montati là dove non esiste rete elettrica per es. nelle roulotte, nei camper, sulle barche oppure nelle baite di montagna. Per fare funzionare un impianto di questo genere servono dei moduli solari, regolatori per la carica e batterie e naturalmente degli utilizzatori per es. lampade, radio, frigoriferi ecc. batteria da 12 Volt commutatore per l alimentazione regolatore commutatore utilizzatore da 12 V- utilizzatore da 230 V~ Il modulo solare Il modulo solare in genere è composto da 36 pannelli che sono collegati in serie. La potenza generata dal singolo pannello è determinante per la corrente totale. Il regolatore di carica Il regolatore impedisce che l accumulatore venga sovraccaricato dal modulo solare perché questo comporterebbe dei danni ad esso. Se l accumulatore è carico il regolatore stacca il modulo da esso. Inoltre regolatori di qualità sono muniti di sistema protettivo che impedisce che la carica dell accumualtore non scenda oltre un limite precedentemente fissato. Superato questo limite l utilizzatore si spegne automaticamente. Se dopo il modulo solare alimenta nuovamente l accumulatore l utilizzatore si accende di nuovo. Utilizzando solamente regolatori senza questo dispositivo di protezione contro la scarica totale dell accumulatore viene scaricato più volte completamente e di conseguenza la durata di esso si abbassa notevolmente. L accumulatore Esso serve esclusivamente come accumulatore della corrente che viene prodotta dal modulo solare. In questo modo si può accumulare l energia prodotta di giorno e utilizzarla al momento dell effettivo consumo di giorno oppure di notte. Il commutatore serve a trasformare la tensione della batteria da 12 V corrente continua in corrente alternata da 220 Volt. Ciò significa che tutti gli utilizzatori da 230 V possono venire azionati tramite corrente prodotta dall impianto solare per es. televisore, lampade, radio ecc. 6

7 :44:18 Uhr Esempi di impiego Stazione di trasmissione della Telekom Supporto per moduli Standard con 4 moduli solari da 55 W ciascuno realizzato dalla SIEMENS SOLAR Fotos: Siemens-ufficio stampa Impianto di pompe d acqua azionato da pannelli solari in Africa Cenni riguardanti gli esperimenti Fonte di luce adatta Particolarmente adatta è una lampada da tavolo munita della potenza da Watt. Si possono pure utilizzare lampade alogene da 15 Watt. Queste ultime si trovano nei negozi specializzati e costano ca Lire l una. Utilizzando lampade alogene bisogna fare attenzione alla generazione del calore perché esse si riscaldano molto. La distanza tra fonte di luce e pannello solare Utilizzando una lampada da Watt consigliamo di tenerla ad una distanza di 20 cm dal pannello solare. Per le lampade alogene da 15 Watt invece consigliamo di tenerle ad una distanza di sicurezza di 30 cm. Attenzione: Esponendole per un periodo prolungato a distanza inferiore si potrebbe danneggiare il pannello solare. Suggerimenti nel maneggiare i pannelli solari I pannelli solari sono semiconduttori di alta qualità e assai fragili. Quindi devono essere trattati sempre con la massima cura. Bisogna badare che gli occhielli di collegamento siano avvitati bene tramite viti. Non rispettando ciò ci possono essere delle perdite di resa. Tramite pinza si possono stringere le viti di fissaggio. Misure tramite tester digitale Nella maggior parte dei casi dobbiamo impostare lo strumento in tal modo: per re la corrente: scala 200 ma, corrente continua per re la tensione: scala 2 Volt, tensione continua Se i dati prelevati superano il fondoscala bisogna scegliere quella successiva. Misure con il Eseguendo delle misure con il il display indica il numero dei giri del motore suddivisi in varie sezioni come visibile da allegata tabella. Per facilitare la valutazione dei giri sono indicate in ogni esperimento le possibili sigle abbreviate. Quindi questi valori vengono prelevati e protocollati nella tabella abbreviato S M L N U numero dei giri veloce medio lento non gira inversione della direzione di rotazione 7

8 :44:20 Uhr Varie fonti di luce e la loro influenza Non ogni fonte di luce è adatta nella tecnica solare. Una delle migliori è il sole. Però nella vita quotidiana ne troviamo altre con le quali possiamo eseguire i nostri esperimenti. multimetro multimetro della tensione lampadina da Watt della corrente lampada alogena Watt lampada neon sole fonte di luce lampadina lampada alogena P = U x L il gira: (V/M/L/N) lampada neon sole La potenza sviluppata dipende parzialmente dalla quantità di luce. Una grande quantità di luce genera una grande potenza del pannello solare. La fonte migliore è il sole. Negli esperimenti che seguono abbiamo impiegato come fonte di energia una lampada da Watt oppure una alogena. 8

9 :44:21 Uhr L influsso della quantità di luce sulla potenza sviluppata dei pannelli. Questo fenomeno lo vogliamo verificare illuminando il panello con un altra fonte di luce. Intensifichiamo inoltre la luce rispecchiandola. multimetro multimetro della tensione della corrente lampadina da Watt 2x lampadina da Watt lampadina da Watt + specchio fonte di luce lampadina 2x lampadina lampadina + specchio P = U x L il gira: (V/M/L/N) La quantità della luce sta in proporzione diretta con la potenza sviluppata del pannello solare. Una grande quantità di luce genera una grande potenza del panello. Una piccola quantità invece genera una potenza ridotta. 9

10 :44:21 Uhr L a s s i s t e n t e t e c n i c o p e r l e n e r g i a L effetto della luce a distanze differenti Più la fonte di energia è vicina al pannello maggiore è la potenza sviluppata. Attenzione: Non esporre la fonte di luce per un periodo eccessivo ad una distanza troppo vicina perché il pannello potrebbe venire surriscaldato e quindi distrutto! multimetro multimetro della tensione della corrente lampadina da Watt lampadina da Watt lampadina da Watt 10 cm lampadina da Watt 20 cm 30 cm 40 cm distanza dalla fonte di luce 10 cm 20 cm 30 cm 40 cm P = U x L il gira: (V/M/L/N) Più vicino sta il pannello solare alla fonte di luce maggiore è la potenza sviluppata. 10

11 :44:22 Uhr Aumento della tensione tramite collegamento in serie Per poter aumentare la tensione sviluppata di un impianto solare bisogna collegare i singoli pannelli in serie. Caratteristica tipica di un modulo standard composto solitamente da 36 pannelli collegati in serie. della tensione della corrente ottica con tensione della corrente della ottica con Quantità dei pannelli P = U x L gira: (V/M/L/N) un pannello due pannelli Collegando pannelli solari in serie si aumenta la tensione complessiva. La formula è: Tensione del singolo pannello x numero dei pannelli = tensione complessiva 11

12 :44:23 Uhr Aumento della corrente tramite collegamento in parallelo Per poter aumentare la potenza sviluppata di un impianto solare i singoli pannelli vanno collegati in parallelo. Per provare questa tesi costruiamo il seguente circuito. Bisogna fare attenzione di utilizzare solamente pannelli dello stesso tipo della tensione della corrente ottica con della tensione corrente della ottica con Quantità dei pannelli P = U x L gira: (V/M/L/N) un pannello due pannelli Eseguendo questo esperimento il numero dei giri del non aumenterà più di tanto. Però la forza di trazione del rotore si raddoppierà e di conseguenza anche la potenza complessiva del motore sarà superiore. Se ad un pannello ne viene collegato un altro in parallelo la corrente prodotta di raddoppierà. La formula è: Corrente del pannello singolo x numero dei pannelli = corrente complessiva 12

13 :44:23 Uhr Pannelli polarizzati inversamente collegati in serie Utilizzare pannelli con i poli invertiti significa che la potenza complessiva viene ridotta della potenza doppia del pannello con i poli invertiti. Non ha nessuna importanza quale dei pannelli sia stato invertito ciò che possiamo verificare eseguendo il seguente esperimento. della tensione corrente della ottica con pannelli polarizzati nessun pannello pannello sinistro pannello destro tutti e due i pannelli P = U x I gira: (V/M/L/N) ) Se nell esperimento indicato si fossero collegati 3 pannelli in serie il nonostante che ci sia un pannello inversamente polarizzato girerebbe ancora ma solamente con la potenza sviluppata da un solo pannello. Se tutti i pannelli vengono inversamente polarizzati riscontriamo tutta la potenza sviluppata però la polarità risulta invertita. 13

14 :44:24 Uhr Pannelli polarizzati inversamente collegati in parallelo Se in un circuito collegato in parallelo un pannello viene polarizzato inversamente la potenza globale si riduce del valore doppio del pannello polarizzato. E adesso segue il rispettivo esperimento. tensione della corrente della ottica con pannelli polarizzati nessun pannello pannello sinistro pannello destro tutti e due i pannelli P = U x L gira: (V/M/L/N) Se nel suddetto esperimento 3 pannelli fossero collegati in parallelo il nonostante che un pannello sia polarizzato inversamente girerebbe ancora però solamente con la potenza sviluppata di un singolo pannello. Se tutti i pannelli nel circuito parallelo vengono polarizzati inversamente si ottiene la potenza complessiva però i valori dei dati riscontrati avranno la polarità invertita. 14

15 :44:25 Uhr L a s s i s t e n t e t e c n i c o p e r l e n e r g i a Oscuramento parziale dei pannelli solari Oscuramenti parziali comportano un notevole calo della potenza dei pannelli solari. Quindi ora vogliamo fare degli esperimenti sul rapporto tra il parziale oscuramento indicato in percentuale ed il calo della potenza sviluppata. della tensione della corrente oscuramento 0% oscuramento 25% oscuramento 50% ottica con cartoncino per la copertura oscuramento 75% oscuramento 100% oscuramento in % P = U x L gira: (V/M/L/N) 0 % 25 % 50 % 75 % 100 % Più si copre un pannello solare meno potenza riesce a sviluppare. Quindi bisogna badare, prima del montaggio dei pannelli solari di trovare un posto dove i pannelli vengano oscurati il meno possibile. 15

16 :44:26 Uhr L oscuramento di pannelli solari collegati in serie Oscuramenti parziali in circuiti collegati in serie significano un completo azzeramento della potenza dell intero impianto perché il pannello oscurato è una resistenza insuperabile. Un semplice esperimento prova questa tesi. della tensione della corrente ottica con pannelli oscuramento nessun pannello pannello sinistro pannello destro tutti e due i pannelli P = U x I gira: (V/M/L/N) Se si oscura un pannello di un impianto collegato in serie la potenza complessiva sviluppata è "ZERO. Questo inconveniente è particolarmente problematico in impianti a moduli che di solito si compongono di 36 pannelli collegati in serie. 16

17 :44:26 Uhr L oscuramento di pannelli solari collegati in parallelo Oscuramenti parziali in circuiti collegati in parallelo significano una riduzione della potenza dell intero impianto però non di una perdita totale della capacità dell impianto. Un semplice esperimento prova questa tesi. della tensione corrente della ottica con cartoncino per oscurare cartoncino per oscurare cartoncino per oscurare cartoncino per oscurare oscuramento in % nessun pannello pannello sinistro pannello destro tutte e due i pannelli P = U x I gira: (V/M/L/N) Se si oscura un pannello di un impianto collegato in parallelo la potenza complessiva si riduce della potenza del pannello oscurato. Solamente oscurando tutti i pannelli la potenza complessiva dell impianto si azzera. 17

18 :44:27 Uhr Filtro di luce I filtri di luce utilizzati nella sperimentazione di impianti solari simulano in genere i vari gradi di nuvolosità. Quindi lo spettro di nuvolosità si estende da quella assai leggera fino a quella intensa. Per poter capire questi fenomeni e la loro conseguenza sulla potenza dell impianto eseguiamo il seguente esperimento. della tensione della corrente ottica con foglio colorato pannello solare 90 colore del foglio P = U x I gira: (V/M/L/N)) trasparente giallo verde rosso marrone Filtrando la luce si perdono vari spettri della luce. A seconda del colore del foglio vengono filtrati raggi luminosi di un dato colore. Per questo motivo il pannello solare genera una potenza diversa a seconda del filtro impiegato. 18

19 :44:28 Uhr L angolo di incidenza L angolo di incidenza ha una notevole influenza sulla potenza sviluppata dall impianto solare. Questo esperimento vi farà capire l importanza del montaggio dei pannelli rispetto all incidenza dei raggi del sole. della tensione della corrente ottica con angolo di irradiazione P = U x I gira: (V/M/L/N) La potenza massima viene sviluppata se il pannello viene sistemato a 90 rispetto all incidenza dei raggi del sole. Riducendo l angolo rispetto all incidenza di 90 della fonte di luce si abbassa pure la potenza sviluppato dal pannello. 19