ALLA LUCE DEL SOLE (pannello fotovoltaico sviluppato per uso didattico)

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1 SPERIMENTANDO 2011 RELAZIONE ALLA LUCE DEL SOLE I.S.I.S.S. GIUSEPPE VERDI di VALDOBBIADENE (TV) Area scientifica individuata: fisica-elettrotecnica GRUPPO DI LAVORO: Classi: Studenti tutor: 3^A e 4^A ITIS Denis Pilla (3^A ITIS), Carmelo Mastrogiacomo (4^A ITIS) Docente referente: Giorgio De Conto Docente ITP: Carmelo Leone Assistente Tecnico: Andrea Gazzola

2 INDICE: 1. PREMESSA STUDIO DEI PRINCIPI FISICI...3 LE VARIABILI NATURALI E DI POSIZIONE DAL PROGETTO AL PRODOTTO...5 FASE PROGETTUALE...5 FASE ESECUTIVA...5 MATERIALI UTILIZZATI...5 MACCHINE, ATTREZZATURE E STRUMENTI UTILIZZATI DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO CONCLUSIONI E RISULTATI FINALI...7 RINGRAZIAMENTI...7 BIBLIOGRAFIA...7 Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 2 di 7

3 1. Premessa L istituto Giuseppe Verdi di Valdobbiadene che frequentiamo è sempre stato molto attivo nell ambito dell energia, del risparmio energetico e dell utilizzo delle fonti rinnovabili, sviluppando progetti di vario tipo con le classi del triennio, che spesso si sono ben difesi ai concorsi regionali e nazionali a cui hanno partecipato. Nell anno scolastico 2008/2009, infatti, una classe del corso I.T.I.S. ha partecipato ad un concorso organizzato dall ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente) con un progetto dal titolo A scuola di Risparmio Energetico ; il risultato di tale progetto è stata una menzione speciale per l applicabilità e la replicabilità del progetto ottenendo in premio anche un pannello fotovoltaico completo di tutti gli accessori per riuscire ad accendere una lampadina. Per questa edizione di Sperimentando abbiamo pensato di sviluppare questo pannello, per permetterne un uso didattico molteplice: dalla misura della potenza elettrica prodotta per effetto fotovoltaico, alla verifica dell efficienza di lampade ad incandescenza e a basso assorbimento, ribattezzate ad alta luminosità. Si è inoltre pensato di realizzare una struttura di supporto che permettesse l orientamento del pannello e che risolvesse inoltre il problema del trasporto e della manovrabilità del pannello stesso, che così come si trovava non era per niente agevole. 2. Studio dei principi fisici L effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell energia solare in energia elettrica. Questo processo è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni materiali, detti semiconduttori, il più conosciuto dei quali è il silicio. Quando un raggio luminoso raggiunge un sottile strato di tale materiale, l energia della sua radiazione viene trasferita agli elettroni del materiale, che, in funzione del livello della radiazione, si spostano, creando un campo elettrico. La chiusura del circuito elettrico determina una corrente elettrica continua. La parte fondamentale di un impianto è la cella fotovoltaica, la cui fabbricazione inizia da un cristallo cilindrico di silicio ottenuto da un bagno di silicio fuso, che viene contaminato mediante una piccola concentrazione di impurità. La tecnologia fotovoltaica si caratterizza, tra le fonti energetiche rinnovabili, per i seguenti particolari vantaggi: Può essere utilizzata ovunque, quando ci sia irradiazione solare; Possono essere evitate le perdite di energia dovute al trasporto (nella maggior parte dei casi i dispositivi fotovoltaici possono essere installati vicino agli apparecchi che ne utilizzano l energia così da ridurre le perdite dovute al trasferimento di energia lungo la linea elettrica); Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 3 di 7

4 E possibile stimare la produzione di energia annua, ammettendo un margine di errore, indipendentemente dalla variabilità di richiesta; Copre una vasta gamma di potenze: da pochi mw, per il calcolatore tascabile, alle decine di MW per le centrali; La potenza dell impianto può essere modificata in qualsiasi momento; Non produce alcun genere di inquinamento durante la produzione di energia; La manutenzione è minima, non essendoci parti meccaniche in movimento. Grazie a questi vantaggi, i dispositivi fotovoltaici sono particolarmente adatti ad essere installati nella maggior parte delle costruzioni, per qualsiasi utilizzo (abitazioni, uffici, fabbriche, zone commerciali...). Le variabili naturali e di posizione La radiazione solare massima si ha quando il cielo è sereno o poco nuvoloso, mentre quella minima si ha in condizioni di nebbia o cielo scoperto. Per stimare la potenza di un pannello bisogna considerare quindi anche i fattori atmosferici, quali sole, nebbia, pioggia, ecc. L assorbimento di energia da parte di un impianto fotovoltaico dipende principalmente dal posizionamento del pannello. Si definiscono i seguenti due angoli fondamentali: Tilt: Azimut: angolo di inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale. angolo di orientamento del pannello rispetto al sud. Impostare correttamente gli angoli di Tilt (inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale) e Azimut (l angolo di orientamento rispetto al sud) permette di sfruttare al massimo, in ogni momento, la radiazione solare disponibile. Il struttura di supporto è stata realizzata proprio per questo, cioè per poter mettere il pannello in diverse posizioni e quindi, nell arco di poco tempo, si può rilevare il suo rendimento nelle diverse inclinazioni in cui è stato posizionato. Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 4 di 7

5 3. Dal progetto al prodotto Fase progettuale La fase progettuale ha riguardato principalmente gli aspetti relativi al supporto. Come la maggior parte delle idee da sviluppare, su un foglio abbiamo preliminarmente riportato uno schizzo a mano libera per la messa a punto delle dimensioni ottimali del supporto; le dimensioni sono state scelte in base anche ai materiali a disposizione nella nostra officina. Dopo l analisi preliminare, è iniziato il dimensionamento e la rappresentazione grafica a mezzo computer, utilizzando il software AutoCAD. Ciascun componente della struttura è stato disegnato singolarmente, per poi procedere alla realizzazione del disegno complessivo, dove si sono assemblati i singoli disegni, verificandone la reciproca correttezza dimensionale. Successivamente si sono compilati i fogli di lavoro per la produzione della struttura, la lista materiali per la realizzazione del progetto ed i macchinari da utilizzare. Fase esecutiva La struttura del pannello fotovoltaico ha richiesto qualche decina di ore di lavoro all interno dell officina della scuola. Materiali utilizzati - 9 pezzi di tubolare quadro - 1 pezzo di tubolare tondo - 4 pezzi di tubolare angolare - 4 piastre - 2 supporti lampade - viti M6 X 16 - Goniometro ad asta - 2 pomelli - 4 ruotine - bussola - 4 interruttori Macchine, attrezzature e strumenti utilizzati Tornio parallelo; Fresa; Trapano a colonna; Saldatrice a filo (MIG); Mola a disco e smerigliatrice; Levigatrice. Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 5 di 7

6 4. Descrizione dell esperimento Come accennato precedentemente, l esperimento consiste nel calcolo della potenza elettrica generata da un pannello fotovoltaico, con la possibilità di effettuare rilievi anche con diversi valori dell angolo di tilt e di azimut. Per riuscirci è necessario effettuare due misure, entrambe con l utilizzo di un tester. Si procede nel seguente modo: 1. Impostare l angolo di azimut orientando il pannello fotovoltaico con l ausilio di una bussola; 2. Impostare l angolo di tilt inclinando il pannello fotovoltaico con l ausilio del goniometro ad asta mobile; Misura della tensione elettrica (V): 3. impostare il tester (o multimetro) su volt in corrispondenza del valore 700 V 4. verificare che i connettori dei puntali siano inseriti nel tester come segue: il nero sul comune (COM) il rosso su ingresso misura tensione in regime continuo 5. inserire uno dei due puntali del tester sul morsetto A 6. inserire l'altro puntale del tester sul morsetto B 7. verificare che il circuito sia chiuso, ovvero che l'interruttore sia sulla posizione 0 8. rilevare la misura della tensione a batteria scollegata Misurazione dell intensità elettrica (A) 9. impostare il tester (o multimetro) su ampere in corrispondenza del valore 10 A 10. verificare che i connettori dei puntali siano inseriti nel tester come segue: il nero sul comune (COM) il rosso su ingresso misure corrente in regime continuo 11. inserire uno dei due puntali del tester sul morsetto B (preferibilmente il nero ) 12. inserire l'altro puntale del tester sul morsetto D 13. verificare che il circuito sia chiuso, ovvero che l'interruttore sia sulla posizione rilevare la misura dell intensità di corrente a batteria scollegata Calcolo della potenza elettrica del pannello fotovoltaico [P]: 15. moltiplicare tra loro le due misure rilevate goniometro ad asta mobile Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 6 di 7

7 5. Conclusioni e risultati finali L esperienza di questo progetto è stata positiva in quanto abbiamo imparato a progettare, realizzare e presentare il prodotto finito. La realizzazione pratica in officina è stata più coinvolgente ed interessante perché man mano che si lavorava si vedevano ogni giorno dei piccoli risultati concreti. Tutto il gruppo di lavoro è stato impegnato nelle varie attività e siamo rimasti soddisfatti dei risultati ottenuti. In questa attività siamo riusciti a progettare, costruire e presentare il nostro progetto. Speriamo di poter partecipare ancora a progetti simili riguardanti il campo scientifico-meccanico. Ringraziamenti Rivolgiamo un ringraziamento ai professori, ai tecnici e a tutto il personale scolastico che ci ha sostenuto e ha collaborato al progetto e che si è adoperato per metterci a disposizione, nei tempi richiesti, le attrezzature e i materiali necessari ai fini della realizzazione del nostro lavoro. Ringraziamo inoltre i nostri colleghi di 5^A ITIS che, avendo vinto il pannello fotovoltaico ad un concorso, hanno reso possibile la realizzazione dell attrezzatura. Bibliografia C. Pidatella, M. Poggi Corso di meccanica razionale Zanichelli G. Cornetti Unità di Macchine il capitello L. Caligaris, S. Fava, C. Tomasello Manuale di meccanica - HOEPLI F. Calza (2009) Produrre, trasformare, utilizzare energia Ed Sandit Enel.si s.r.l, Guida agli impianti fotovoltaici ultimo accesso Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS Pagina 7 di 7