Accumulo dell'energia fotovoltaica tesina

Ministero dell’Istruzione, Università e della Ricerca

Istituto di istruzione superiore

“David Maria Turoldo”

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Tecnico delle industrie elettriche

Anno scolastico 2012/2013

Tesina di maturità realizzata da:

Mattia Ravasio

Temi trattati

• Storia della prima cella che costituì il primo pannello
• Dal 1954 al 1989
• Costituzione e funzionamento generale dei pannelli fotovoltaici
• Introduzione delle energie sostenibili
• Tipi di installazioni
• Accumulo e immagazzinamento dell’energia prodotta
• Progetto
• Dizionario rapido
• Ringraziamenti e conclusioni
• Bibliografia

Storia della prima cella che costituì il primo pannello

Dal 1954 al 1989

Il principio del funzionamento delle celle solari è quello che

A destra, Cella fotovoltaica

consente di trasformare direttamente l'energia solare (con la pura e semplice irradiazione) in energia elettrica. Il procedimento fu messo a punto in questo anno 1954 dall’americana Bell Telephone, utilizzando celle al selenio, un elemento che se esposto e viene colpito dalla luce solare, spinge via gli elettroni dal suo atomo. E sono questi elettroni a trasportare la corrente si può utilizzare (mettendo le celle collegate in serie o in parallelo per ottenerne il voltaggio e la potenza desiderata) direttamente per far funzionare un comune motore elettrico, oppure con una batteria. La medesima corrente può essere immagazzinata, come una qualsiasi altra batteria elettrica. In seguito dal selenio si è passati all'impiego del cadmio, con l'aumento dell'efficienza e rendimenti maggiori.

Ma la diffusione, e il pericolo che ognuno potesse farsi la corrente che desiderava per il suo personale impiego, è stata molto ostacolata dai monopoli dell'energia elettrica tradizionale via rete. Questo perché se ci fosse stata la diffusione in massa, in forma esponenziale il massiccio utilizzo di celle avrebbe abbattuto i costi, e quindi allargato sempre di più i consumatori di energia solare, a discapito dei produttori della comune energia, compresi i fornitori che vendono petrolio alle centrali termoelettriche.

Il 1954 fu un anno di svolta in generale per molti settori e in particolare nel nostro paese. Difatti in Italia ci furono le prime proiezione televisive della RAI e della prima partita di calcio intera in TV, Italia-Egitto. Ci furono grandi svolte a livello dell'informatiche introdotte dal 1948 con l'invenzione dei circuiti integrati, dei transistor, del mouse, delle RAM e dei Compact Disc. In sordina in questo decennio si sono fondate le basi per tutta la tecnologia e informatica odierna. Nel 1953 addirittura grazie alle tecnologie sviluppate si sperimentano i primi trapianti e s’inventa

Sopra, Festival di Sanremo, prima televisiva del 1955

la prima macchina cuore-polmoni.

Così nel 1954 arrivò anche l’invenzione delle centrali termonucleari che contrastarono per l’appunto la nascita e diffusione del fotovoltaico. Anche l’automazione e la robotica videro la luce solo adesso grazie sempre agli integrati di nuova generazione e ai transistor. Si modificarono così sistemi di produzione e tutto venne velocizzato grazie all’automazione meccanico-elettrica. Vennero così a crearsi i circuiti di controllo con l’adozione sempre più di precisi sensori e misuratori che andavano a verificare il funzionamento dei processi industriali.

Sopra, Storica foto scattata

Ci troviamo negli anni post dopoguerra, in piena ricostruzione e benessere fiorente. Il dopoguerra italiano era rimasto segnato da centinaia di migliaia

subito dopo la pubblicazione del risultato

di morti, paesi interi rasi al suolo dai bombardamenti, la popolazione migrata nelle campagne, città fantasma e grave crisi economica e sociale che gravava sugli italiani come sul resto d’Europa. In Italia da pochi anni s’era formata con il referendum la repubblica nel 1946, la politica aveva preso le redini da poco e questo favorì la crescita economica ed industriale, con l’eliminazione del protezionismo, nuove forme di energia come metano e idrocarburi e la riduzione del costo della manodopera, infine anche grazie all’attuazione del piano Marshall, che prevedeva aiuti economici all’Italia. Molti effetti negativi che pesano tutt’oggi vennero causati da tali manovre risanatorie. Le campagne si svuotarono di colpo con una crisi nel settore agricolo e delle risorse primarie alimentari, un brusco cambiamento di usi e costumi dettato dal consumismo e dal benessere prodotto dal grande quantitativo di beni disponibile e in ultimo ma non meno importante, lo squilibrio tra nord e sud accentuato dalla possibilità della pianura padana di offrire risorse e spazi per le industrie che il sud per conformazione territoriale non può dare. Nello stesso periodo si affermano autori Italiani del calibro

A lato, Eugenio Montale

di Giuseppe Ungaretti, che dopo aver vissuto sulla propria pelle le esperienze della prima guerra mondiale, testimonia le sue emozioni e sensazioni dal periodo durante a dopo la guerra con la sua più grande opera “L’Allegria”. Eugenio Montale, s’arruola per la prima guerra mondiale e anch’egli ne trae spunto di riflessione per le sue opere, parteciperà pure alla seconda guerra mondiale. La sua opera forse più famosa che ritrae il periodo storico al meglio è “Ossi di Seppia”.

Costituzione e funzionamento generale dei pannelli fotovoltaici

Per definizione un impianto fotovoltaico è composto da moduli fotovoltaici, i così detti pannelli fotovoltaici, a loro volta costituiti da celle fotovoltaiche. Le suddette sono per l’appunto la base costituente principale per la produzione di energia solare elettrica. Costituite in materiale semiconduttore, in maggior diffusione silicio, il loro rendimento viene calcolato facendo un rapporto tra l’energia elettrica prodotta e il quantitativo energetico radiativo solare che la investe. Differenti sono i tipi collegamenti adottati tra le celle, a seconda della tensione di alimentazione degli accumulatori. Si è riscontrato che cablarle in serie ne aumenta sì la tensione di uscita, ma essendo sottoposte a stessa corrente, le celle in ombra fanno da strozzo a le celle che potrebbero produrre di più. Successivamente alla scelta costruttiva del modulo singolo si passa alla scelta della

Sopra, Celle sistemate a formare

disposizione dei moduli per l’impianto complessivo.

un modulo fotovoltaico

Introduzione delle energie sostenibili

Dal sole per ovviare ai problemi dei combustibili fossili

Record-high oil prices make both wind and solar energy increasingly competitive. Fear of climate change should brighten prospects for any alternative to fossil fuels, which the greenhouse gases that cause global warming. That is the reason why more and more multinationals are making long-term investments in solar energy. The sun gives us energy

In two forms: light and heat. For many years people have been using solar energy to make their homes

Sopra, Il presidente degli Stati Uniti d’America

brighter and warmer. Today, we use special equipment and specially designed homes to capture solar energy for lighting and heating. Solar collectors

intrattiene un discorso sulla possibilità di

trap the sun’s rays to produce heat. A solar collector

convertire metà delle fonti di energia

may be a box, a frame or a room containing these

americane entro il 2014 in fonti ecosostenibili,

parts:

forse un’utopia

• Clear covers, which let in solar energy;
• Absorber plates, which soak up heat;
• Insulation materials, which prevent heat from escaping;
• Vents or pipes, which carry the heated air or liquid from inside the collector to where it can be used.

Covers

Many clear materials can be used as covers for solar collectors, but glass is perhaps the most common. A special type of glass, which resists breaking and scratching, is generally used for solar collectors. When sunlight passes through glass and hits a surface inside a solar collector, it is transformed into heat.

For many years, scientists have been searching for alternatives to fossil fuels as a source of energy. The main disadvantage of fossil fuels is pollution. They produce carbon dioxide, which contributes to the "greenhouse effect”. Nuclear power supplies energy without the pollution caused by fossil fuels, but it can be very dangerous, as events in Japan in 2011 demonstrated. Furthermore, nuclear waste must be sealed up and buried for many years to allow the radioactivity to die away. Hydro-electric power produces no waste or pollution, but finding suitable site can be difficult and building a dam will cover a very large area with water, so the impact on residents and the environment may be unacceptable. So what other renewable sources are available to us? And what, if any, are the disadvantages?

Solar power

There are three main ways to use the sun's energy:

• Solar Cells (“photovoltaic” or “photoelectric” cells), that convert light directly into electricity. These were originally developed in order to provide electricity for satellites orbiting the Earth. In a sunny climate, you can get enough power to run a 100w light bulb from a solar panel measuring just one square metre.
• Solar water heating, where the sun heats water pumped through pipes in glass panels on roofs. The pipes are painted black, so they absorb heat when the sun shines on them. Hot water is thus available for home use, reducing fuel bills.
• Solar Furnace use a huge array of mirrors to concentrate the sun’s energy into a small space and produce very high temperatures. They can achieve temperatures up to 33°000 degrees Celsius.

Advantages

• Solar energy needs no fuel
• It produces no waste or pollution.

Disadvantages

• Solar power stations are very expensive to build.
• Solar cells cost a lot compared to the amount of electricity they'll produce in their lifetime.
• Unless you live in a sunny climate, you will need a very large area of solar panels to get a decent amount of power.

Tipi di installazioni

I tipi di installazioni sono molteplici, da quelle statiche su superficie, che può essere un tetto nella più comune e conosciuta applicazione o alla più efficiente ma poco pratica su distese di terreno; quelli dinamici a ricerca solare, costituiti da pannelli posti su telai mobili che tramite sensori appositi permettono di orientarli al meglio verso la sorgente radiante (sole) e ottenere maggiore rendimento, come nel caso del mio progetto che andrò ad esplicare successivamente. Altri progetti costruttivi sono ad oggi in fase di studio, come quelli a parabola che permettono grazie alla loro forma costruttiva di ricevere un maggior numero di radiazioni dirette e diffuse.

Nello specifico riporto un’analisi di un impianto fotovoltaico statico su superficie installato su un tetto di un’abitazione domestica civile. Il seguente impianto è stato relazionato in tutti i suoi parametri di funzionamento e rendimento in tutte le fasi annue.

A lato, Dal grafico si può

notare come il

rendimento e la

produzione di energia

cambiano in maniera

significativa adottando un

sistema ad inseguimento

solare rispetto ad uno

fisso

A destra,