L'ENERGIA SOLARE

L'energia solare

OBIETTIVI DI QUESTA LEZIONE

Conoscere l'evoluzione nel tempo della produzione e dell'utilizzo di energia
Conoscere e classificare le fonti energetiche rinnovabili
Valutare le scelte e decisioni relative a problematiche (ambientali, sociali, economiche...) legate alla produzione di energia

COSA TI SERVE PER COMINCIARE?
Riconoscere i sistemi tecnologici e le relazioni che stabiliscono con l'ambiente
Riconoscere i principali processi di trasformazione delle risorse e delle materie prime e di produzione di beni
Riuscire a ipotizzare le conseguenze di scelte di tipo tecnologico

INDICE
1.ENERGIA DAL SOLE
2.IL PANNELLO SOLARE
3.I PANNELLI FOTOVOLTAICI
4.I SISTEMI DI PRODUZIONE ENERGETICA SU LARGA SCALA

1.ENERGIA DAL SOLE

L'energia solare [VIDEO]  arriva sulla Terra sotto forma di luce e calore e costituisce una fonte di energia fondamentale: il Sole fornisce alla Terra praticamente tutta l’energia di cui questa ha bisogno, nonostante la Terra riceva solo una minima parte dell’energia effettivamente liberata. Basti pensare che l’illuminazione solare di un’ora equivale al consumo di energia annuale del mondo intero!

L’energia solare presenta tre caratteristiche positive e tre caratteristiche che, al contrario, non ne permettono un utilizzo immediato.

Gli aspetti positivi riguardano tre caratteristiche fondamentali dell'energia solare. Essa è infatti:

- inesauribile

- non inquinante

- gratuita

Quelli che invece possiamo definire come limiti dell’energia solare sono:

- il sole non fornisce un’energia concentrata ma un’energia diffusa

- l’energia solare è discontinua (si pensi all’alternanza del giorno e della notte)

- il Sole non scalda fino alla temperatura di ebollizione.

L’uomo ha sempre sfruttato, direttamente o indirettamente, l’energia solare. Da essa infatti dipendono:

-  la fotosintesi clorofilliana (che è alla base della vita vegetale e, quindi, del'alimentazione umana)

-  il movimento dei venti (e il conseguente moto ondoso)

-  l’evaporazione dell’acqua (e quindi il ciclo delle acque)

-  la temperatura della superficie terrestre (che rende la Terra vivibile per l’uomo)

- l’illuminazione, sia diurna (illuminazione diretta del sole) sia notturna (illuminazione riflessa dalla luna)

Le radiazioni emesse dal sole possono essere utilizzate in due modi:

- il calore per riscaldare l’acqua, con i pannelli solari;

- la luce per produrre elettricità, con pannelli fotovoltaici.

Le principali tecnologie che utilizzano l’energia solare riguardano, pertanto, i seguenti campi di applicazione:

1) produzione di calore a bassa temperatura (pannelli solari per uso domestico)

2) produzione di calore ad alta temperatura (le centrali solari: sistemi a collettori parabolici e sistemi a torre con specchi piani)

3) conversione fotovoltaica (pannelli fotovoltaici)

2.IL PANNELLO SOLARE

Il pannello solare è il più noto degli impianti che sfruttano direttamente l’energia proveniente dal Sole. Esso è costituito da una superficie metallica capace di assorbire i raggi solari, sopra la quale viene posta una lastra trasparente che permette alla radiazione di entrare, ma non permette al calore di uscire (effetto serra). Tutta l’energia termica assorbita viene quindi trasmessa ad un liquido circolante, che a sua volta viene pompato verso un dispositivo chiamato scambiatore di calore, dove scambia il suo calore riscaldando l’acqua dell’impianto domestico destinato agli usi igienici o al riscaldamento.

I pannelli solari sono esposti al Sole, sui tetti, sulle terrazze, nei giardini, orientati verso Sud e inclinati in modo tale da captare i raggi quanto più possibile in modo perpendicolare.

Come è fatto un pannello solare

3.I PANNELLI FOTOVOLTAICI

I pannelli fotovoltaici permettono di produrre energia elettrica direttamente dalla luce solare.

Essi sfruttano l’effetto fotoelettrico, per il quale una piastra metallica, esposta alla luce, emette elettroni generando una corrente elettrica.
Il pannello è formato da moduli componibili (ognuno dei quali produce una precisa quantità di energia elettrica) a loro volta composti da elementi base detti celle che contengono speciali materiali, detti semiconduttori, come il silicio, che esaltano l'effetto fotoelettrico.

struttura di una cella fotovoltaica

I pannelli non vengono direttamente collegati agli impianti utilizzatori, in quanto la radiazione solare non è costante, ma sono collegati agli inverter dei dispositivi che fungono da trasformatori, trasformando la corrente continua prodotta dal pannello in corrente alternata utilizzabile dagli impianti domestici, e da accumulatori la corrente prodotta dai pannelli, infatti, non va direttamente agli apparecchi utilizzatori, in quanto la radiazione luminosa non è costante durante la giornata, ma viene ceduta agli accumulatori mantenendoli carichi. Da questi si preleva poi l’energia necessaria a far funzionare gli impianti. Il sistema è ampiamente sfruttato in astronautica per alimentare gli strumenti dei satelliti artificiali e della Stazione Spaziale Internazionale

un'immagine della stazione spaziale internazionale dove sono ben visibili i pannelli solari necessari al suo funzionamento

4.I SISTEMI DI PRODUZIONE ENERGETICA SU LARGA SCALA

Una centrale solare è costituita essenzialmente da specchi o altri strumenti che fungono da captatori, cioè da dispositivi che catturano l'energia solare. Questi concentrano i raggi catturati in un punto chiamato ricevitore che viene fortemente riscaldato trasformando l’energia catturata in Energia Termica. Questa consente di far evaporare dell’acqua che diventa vapore surriscaldato ad alta temperatura, in grado di far ruotare una turbina a vapore; l’energia termica viene così trasformata in Energia Meccanica e infine, attraverso un alternatore collegato alla turbina, questa diventa Energia Elettrica.

Questi sistemi vengono comunemente chiamati a concentrazione solare e sono distinti in:

Impianti parabolici lineari;

Impianti a torre;

IMPIANTI PARABOLICI LINEARI

È la tecnologia al momento più efficace per la produzione di energia elettrica sfruttando il calore del Sole.

Le centrali che sfruttano tali sistemi sono dotate di numerosi collettori parabolici collegati in serie e disposti in file parallele. Ogni collettore è costituito da un riflettore di forma parabolica formato da specchi che concentrano i raggi solari su un tubo assorbitore (detto ricevitore), al cui interno circola un fluido che assorbe il calore. Questo calore viene quindi scambiato, nello scambiatore di calore, con acqua che viene trasformata in vapore in pressione e inviata ad una turbina collegata ad un generatore elettrico.

Poiché, come detto, l’energia solare è discontinua, tali centrali sono dotate anche di caldaie tradizionali  a combustione che entrano in funzione quando gli effetti del Sole non sono sufficienti a generare il vapore necessario al funzionamento della turbina. Nonostante l’alto rendimento e i costi contenuti, quindi, questi sistemi non hanno avuto una larghissima diffusione poiché non risolvono completamente il problema di un’energia totalmente pulita.

specchio parabolico in una centrale solare

Schema di funzionamento di uno specchio parabolico

Schema di funzionamento di un'impianto parabolico lineare

IMPIANTI A TORRE 

Negli impianti a torre il campo solare è costituito da una piattaforma ricoperta da centinaia di specchi piani, chiamati eliostati, che seguono il moto apprente del Sole per circa otto ore al giorno. Tutti gli specchi riflettono la luce su una grande caldaia posta in cima ad una torre, dove si formano le altissime temperature che riscaldano il fluido vettore che viene inviato allo scambiatore di calore per produrre il vapore utilizzato per mettere in funzione la turbina e il generatore elettrico.

Grazie alle elevate temperature che si possono ottenere, è possibile sfruttare un accumulo termico per ovviare alle variazioni giornaliere dell’intensità solare, senza dover ricorrere quindi all’integrazione con combustibili fossili (il più grosso limite del sistema a collettori parabolici).
Di seguito un breve video che illustra il funzionamento di un impianto a torre solare

impianto a torre solare PS10 in Andalusia (Spagna)

impianto a fornace solare di Odeillo nei Pirenei Francesi