L'energia solare: ricerca

Di Redazione Studenti.

Energia solare: ricerca sul suo utilizzo con esempi. Cosa sono fotovoltaico, inverter, accumulo dell'energia e collettori solari

Energia solare

Energia solare
Energia solare — Fonte: getty-images

Come quasi tutte le stelle, il Sole è un'immensa sfera di gas elio incandescente che, proprio per questo motivo è simile ad una centrale che produce un'enorme quantità di energia termica, e una parte di quell’energia giunge fino a noi qui sulla Terra.

Sebbene sia una piccola parte, se la si paragona a tutta quella prodotta dal Sole, quell'energia è di gran lunga superiore al fabbisogno energetico dell’intera umanità. Questa enorme stella irradia energia sotto forma di calore e luce che con alcuni accorgimenti architettonici possono essere sfruttati in modo passivo, ma con l’installazione di sistemi fotovoltaici e collettori solari possono venire sfruttati in modo attivo.

L'energia solare è proprio l'energia prodotta sfruttando direttamente l'energia termica del Sole che appunto arriva sulla Terra.

In media si è calcolato che l'energia massima fornita in un giorno è circa 5 chilowatt/ora ma dipende molto dalla latitudine del sito, dalla stagione, dall’ora e dalla trasparenza dell’atmosfera. Infatti, se si prende come esempio il nord Italia, l'irraggiamento medio annuo a livello del suolo è di 1.200 chilowatt al metro quadro in pianura e di 1.500 chilowatt al metro quadro in montagna.

Inoltre il prezzo di queste celle continua a diminuire grazie ai continui perfezionamenti e all’aumento della domanda e ormai sono già la fonte di energia elettrica più economica sul mercato per buona parte delle aree rurali in via di sviluppo. Per quanto riguarda la manodopera, gli impianti di energia rinnovabile creano più posti di lavoro delle industrie energetiche convenzionali e richiedono capitali ridotti.

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Quest’energia sarà probabilmente la più sfruttata del nuovo sistema energetico per vari motivi:

  • è disponibile in grandi quantità
  • è più diffusa di qualsiasi altra fonte energetica
  • è adattissima per il riscaldamento dell’acqua (che rappresenta una gran parte dell’impiego energetico mondiale).

Ma l’energia solare può anche essere convertita in energia elettrica riscaldando l’acqua e ottenendo vapore per alimentare una turbina, oppure tramite celle fotovoltaiche (che in sostanza sono sottili lamine di silicio che, colpite dai raggi solari, producono energia elettrica).

I sistemi fotovoltaici

Per la fabbricazione delle celle oggi si utilizzano principalmente il silicio cristallino, il silicio amorfo e l'arsenuro di gallio. Le celle, di forma circolare o quadrata, hanno uno spessore di qualche decimo di millimetro e un'area di circa 100 cm². Ciascuna è in grado di erogare 1,2 - 1,5 Watt, ad una tensione di circa mezzo Volt, trasformando in energia elettrica il 10 - 15 percento dell'energia luminosa incidente sulla sua superficie.

Le celle fotovoltaiche, come le comuni pile, possono collegarsi fra loro per ottenere un modulo, e più moduli per formare un generatore fotovoltaico avente le caratteristiche di potenza e tensione desiderate.

Gli impianti fotovoltaici sono ormai utilizzati per tutti gli usi. Si va, per esempio, dall'alimentazione degli orologi, dei giocattoli, delle calcolatrici tascabili (circa un decimo di Watt) fino ai grandi sistemi con potenze di alcuni milioni di Watt (MW) connessi alla rete ENEL (a Serre, in provincia di Salerno esiste un impianto da 3,3 MW).

Sono insostituibili per dare energia a ponti radio isolati sulle montagne o a sistemi per il rilevamento degli incendi nei boschi. Sono utilizzati negli impianti di pompaggio dell'acqua, ed in quelli di dissalazione dell'acqua di mare (Lampedusa, Lipari), per l'illuminazione di strade isolate, aereoporti, aree archeologiche (Sovana in provincia di Siena) o negli impianti di ricarica degli accumulatori di auto elettriche (Palermo).

Al posto dei rumorosi gruppi elettrogeni a gasolio o benzina, si usano, per l'alimentazione di case o comunità isolate e, per sfruttare completamente l'energia prodotta dal sole, anche sui tetti delle case o in quartieri già connessi alla rete elettrica pubblica.

Un sistema fotovoltaico non è un impianto complesso, lo dimostra la vita media superiore ai 25 anni. L'impianto, che non consuma combustibile e non ha parti in movimento, anche se per i casi comuni di sistemi per l'alimentazione di case isolate dalla rete elettrica pubblica, di pompe per il sollevamento di acqua e di lampioni, è composto da alcuni elementi. Vediamo quali sono.

Moduli fotovoltaici

Pannelli solari
Pannelli solari — Fonte: istock

Sono raggruppamenti piani di celle, di potenza che va dai 20 ai 100 Watt di picco, erogati nelle condizioni di illuminamento nominale. I pannelli vanno rivolti a sud con un'inclinazione, in gradi, rispetto al piano orizzontale, pari alla latitudine del luogo. Considerando che l'intensità dell'illuminazione solare varia durante il giorno e nel corso dei mesi, si può dire che l'energia media prodotta da un m² di pannello è di circa 450 Wattora al giorno.

Inverter

La corrente generata dai pannelli fotovoltaici è di tipo continuo; visto che la maggior parte delle apparecchiature elettriche richiede la corrente alternata si utilizza un dispositivo elettronico, l'inverter, capace di trasformare l'energia elettrica da continua ad alternata.

Sistema d'accumulo dell'energia elettrica

Per garantire l’alimentazione delle apparecchiature elettriche anche di notte o quando l'insolazione è insufficiente, si prevede, normalmente, l'installazione di un certo numero di accumulatori (come quelli delle auto) nei quali si immagazzina l'energia prodotta in eccesso durante il giorno.

Sistema elettronico di controllo della carica degli accumulatori

Si tratta di un sistema regolazione della carica degli accumulatori necessario per evitare danneggiamenti per difetto o eccesso di carica.

Impianti di alimentazione di piccole utenze domestiche

Nel caso di una piccola utenza domestica isolata, per l'alimentazione di 4 - 5 lampade fluorescenti, ad alta efficienza, da 15-20 Watt, di un frigorifero (50 - 200 litri) di un piccolo televisore, sono disponibili sul mercato sistemi, dotati di un generatore fotovoltaico della potenza di 300 - 600 Watt di picco, composti da:

  • moduli, della potenza di 40 - 50 Watt ciascuno, connessi in modo da erogare una tensione di lavoro di 24 Volt;
  • sistema d'accumulo, costituito da 5 - 8 accumulatori stazionari al piombo, per una capacità complessiva di circa 5 - 8 KWh;
  • regolatore di carica che interrompe il collegamento con il generatore quando gli accumulatori sono completamente carichi e che, quando il livello di carica scende al di sotto del 50 - 60 % del valore nominale, da un allarme e, al limite, interrompe l'alimentazione delle utenze, per evitare il danneggiamento degli accumulatori.

Va segnalato che i Watt di picco del generatore fotovoltaico non sono un indice diretto della potenza massima erogabile dall'impianto, bisogna tenere conto della capacità del sistema d'accumulo dell'energia e delle utenze domestiche.

Così, ad esempio, in una casa di campagna abitata solo per pochi giorni al mese, dimensionando opportunamente il numero di accumulatori, è possibile collegare apparecchi (lavatrice, ferro da stiro) che complessivamente richiedono una potenza ben maggiore di quella di picco del generatore, consumando in poche ore l'energia accumulata nelle settimane precedenti. In altre parole, il sistema fotovoltaico va paragonato ad un impianto idrico costituito da una pompa (il generatore) e da uno o più serbatoi (il sistema d'accumulo).

Sistemi delle dimensioni prima dette, nelle condizioni tipiche d'insolazione giornaliera italiane (si va dai 3,5 KWh/m² della pianura Padana ai 4 KWh/m² del centro Italia, fino ai 4,5 KWh/m² della Sicilia), hanno una producibilità annua di 300 - 600 KWh e garantiscono un'autonomia di alcuni giorni anche in periodi di scarsa insolazione. In Italia sono installati più di 6.000 di questi impianti per l'illuminazione, l'alimentazione degli elettrodomestici ed il pompaggio dell'acqua, in case rurali o di vacanza, isolate e in rifugi di montagna.

Il costo di tali sistemi, disponibili peraltro anche in Kit di montaggio di facile installazione, è di circa 10 - 15 milioni (lampade fluorescenti, frigorifero a basso consumo con o senza congelatore, I. V. A. e montaggio inclusi). In commercio, comunque, sono pure disponibili Kit di minore potenza (20 - 60 Watt di picco) destinati sia alla sola illuminazione (2 - 6 lampade fluorescenti da 15-20 W) del costo di 1 - 2,5 milioni e Kit misti illuminazione-refrigerazione (da 60 a 300 Watt di picco) i cui costi vanno dai 5 ai 10 milioni (I. V. A. inclusa).

La loro utilizzazione è da considerare quando esistono distanze dalla rete ENEL tali da rendere problematico l'allacciamento alla rete pubblica.

Nel caso di distanze ENEL maggiori e della impossibilità pratica di allacciamento (costo elevato rispetto alle quantità d'energia richiesta dall'utente) il sistema fotovoltaico si propone come alternativa al gruppo elettrogeno non tanto dal punto di vista economico, anche se il tempo di ritorno dell'investimento si riduce 15 - 20 anni, quanto per le sue caratteristiche di:

  • Assenza di fastidi e costi legati all'acquisto, al trasporto e allo stoccaggio del combustibile;
  • Ridottissima manutenzione;
  • Assoluta silenziosità;
  • Assenza di fumi ed emissioni inquinanti;
  • Lunga durata.

Collettori solari

Pannelli solari per utenze domestiche
Pannelli solari per utenze domestiche — Fonte: getty-images

Il pannello solare, detto anche “collettore piano ad acqua”, serve a catturare l’energia che giunge dal Sole sulla Terra e ad utilizzarla per produrre acqua calda ad una temperatura dell’ordine di 38 - 45°C. L’acqua calda prodotta ed accumulata in un apposito serbatoio potrà essere utilizzata per le esigenze di casa, come pure per riscaldare le piscine.

Esiste anche la possibilità di utilizzare l’energia solare per integrare il riscaldamento degli ambienti o per essiccare prodotti alimentari.

Questi collettori sono composti da una superficie piana simile ad un radiatore contenente al suo interno un liquido che, riscaldato dal sole, permette di trasferire il calore assorbito all’acqua del serbatoio e di produrre quindi acqua calda per usi sanitari.

Il classico sistema solare è composto dalle seguenti parti:

  • il pannello vero e proprio
  • il serbatoio di accumulo dell’acqua
  • i collegamenti idraulici ed elettrici
  • le staffe di montaggio.

Quello che viene chiamato pannello è a sua volta formata dall’unione di vari elementi.

Una lastra di vetro destinata a raccogliere i raggi del sole. I vetri migliori sono quelli che riflettono di meno l’immagine, infatti tanto meno i raggi sono riflessi, tanto maggiore sarà l’energia raccolta. Analogamente il vetro che risulterà meno caldo al contatto sulla superficie esterna, sarà il più efficiente perché più trasparente.

Un assorbitore del calore solare formato da una lastra simile ad un radiatore (che può essere in acciaio, in lamiera o in rame) all’interno della quale sono inseriti i tubi del circuito primario, che contengono il liquido destinato ad essere riscaldato dal sole. Il liquido del circuito idraulico dei pannelli è addizionato con un antigelo perché deve tollerare il freddo invernale senza congelarsi.

Nella struttura del pannello è inserito un isolante termico che riduce le dispersioni di calore.

Il pannello è chiuso posteriormente da una scocca, spesso realizzata in lamiera. Il tutto (vetro, assorbitore e fascio tubiero, isolante termico e scocca posteriore) è tenuto assieme da una cornice, abitualmente realizzata in alluminio, che conferisce al pannello una consistente robustezza e stabilità.

Il serbatoio di accumulo dell’acqua contiene al suo interno uno scambiatore di calore ad intercapedine nel quale circola il liquido del circuito primario del pannello che, cedendo il calore ricevuto dal sole, riscalda l’acqua contenuta nel serbatoio. Quindi nel serbatoio si trovano due circuiti idraulici separati: quello primario del pannello, che conduce il liquido riscaldato dal sole e quello dell’acqua, collegato all’impianto idraulico di casa, che permette l’utilizzo dell’acqua calda per i servizi domestici in ogni ora del giorno e della notte.

Le dimensioni del serbatoio sono proporzionali alla metratura del pannello: la capacità del serbatoio, in linea di massima, è pari a 50 - 80 litri per ogni metro quadrato di superficie solare installata.

L’acqua calda prodotta da un collettore solare è mediamente pari a 80-130 litri/giorno per ogni metro quadro di pannello installato.

Per riscaldare il serbatoio dell’acqua occorre circa mezza giornata di sole nel periodo estivo ed una giornata nel periodo invernale. La temperatura dell’acqua raggiungibile nelle giornate di pieno sole è di circa 40°C in inverno e di circa 60-80°C in estate per i pannelli vetrati.

Si calcola che mediamente occorre installare una superficie di pannelli solari di 2-3 metri quadri per coprire il fabbisogno di acqua calda di una famiglia di 3-5 persone.

Il pannello solare produce acqua calda nelle giornate di sole e, in minor misura, anche con il cielo nuvoloso. Tuttavia si verifica una dispersione di calore che non consente di utilizzare a lungo l’acqua calda del serbatoio.

Per poter disporre sempre di acqua calda è indispensabile che nel serbatoio sia inserita una resistenza elettrica di almeno 2 kW con termostato tarato a circa 40°C. Tutti i sistemi solari compatti in commercio sono dotati di una resistenza elettrica integrativa posizionata all’interno del serbatoio.

In alternativa, se già esiste nella casa una caldaia istantanea a gas a controllo elettronico per la produzione dell’acqua calda sanitaria, possiamo collegare il sistema solare in serie all’impianto termico esistente, al quale fornirà acqua preriscaldata. Questa soluzione permette di risparmiare sulla bolletta del gas e di disporre di acqua calda senza limiti di consumo, utilizzando al massimo le capacità del pannello solare.

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