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Lenergia solare, Lenergia solare, nonostante sia tra le fonti energetiche più facili da utilizzare e tra le più economiche, non risulta in Italia tra.

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2 Lenergia solare, Lenergia solare, nonostante sia tra le fonti energetiche più facili da utilizzare e tra le più economiche, non risulta in Italia tra le più sfruttate. Questa realtà sconfortante indica certamente la mancanza dadeguata cultura dellambiente e del risparmio energetico ponendoci in una posizione dinferiorità nei confronti daltri paesi Europei e Oltreoceano, che benché abbiano peggiori condizioni climatiche e minori livelli giornalieri dirraggiamento solare, hanno, però, maggiore sensibi- lità verso lutilizzo e la conversione dellenergia che proviene dal sole. Ma non dimentichiamo comunque che esistono anche altre fonti denergia pulita come ad esempio The solar energy The solar energy is not among the most exploited, although it is among the easiest and the most economic to be used. This discouraging reality of course shows the lack of culture about enviroment and energy, taking us in an inferior position compared to other European and overseas countries. There are foreign countries, which care much more about the use and conver sion of the energy coming from the sun, although they have worse climatic conditions and lower daily level of solar rays. It is important to remember that clean energy exists, for example, eolian and geothermal energy, which, often, arent Comenius Project 2nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

3 quelleolica e geotermica che troppo spesso sono considerate poco redditizie e quindi scarsamente investibili. Perché pensare allenergia solare? Perché è gratuita; Perché è meno traumatizzante per lambiente; Perché è naturale; Perché è decentralizzata (cioè è sempre disponibile anche nei luoghi più isolati); Perché è inesauribile; Perché è polivalente. A questi motivi potrebbero aggiun- gersene degli altri perché il campo dapplicazione è talmente vasto da far paura perfino a Leonardo. considered profitble. Why thinking about solar energy? Because it is free; Because it is less dangerous for the environment; Because it is natural; Because it is always available even in isolated areas; Because it is inexhaustible; Because it is polivalent; You can add other reasons to these because its application field is such wide to scare even Leonardo. Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

4 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Lenergia solare può, infatti, essere impiegata per: La conversione elettrica La produzione dacqua sanitaria La desalinizzazione dellacqua marina La climatizzazione di serre Forni solari Biosfere Nel nostro progetto ovviamente abbiamo considerato soltanto un possibile utilizzo, cioè quello di produ- zione denergia elettrica dal sole, ma in realtà poco importa sullo sfruttamento finale, perché il vero scopo dello studio è stato quello di avvicinare gli alunni (futuri cittadini) alla cultura dellambien- The solar energy can be used for: the electric conversion the production of healthy water the desalting of sea water the air-conditioning of greenhouses solar oven biosphere In our project we considered only one of the possible uses, that is the production of electric energy from the sun, but actually we do not care much about its final exploitation, because the main aim of our research is to get people closer to the environment and to energetic savings through a more I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

5 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies te e al risparmio energetico mediante un uso più attento delle risorse naturali. Il progetto rappresenta un sistema di produzione elettrica mediante la Conversione Foto-voltaica utilizzante giunzioni a semiconduttore, le quali, costruite con tecnologie sempre più sofisticate per aumentare il rendimento e diminuire i costi, sono collegate in serie ed in parallelo e poi assemblate in singole unità chiamate pannelli di celle foto-voltaiche. Ogni elemento costituisce un vero e proprio generatore elettrico il quale esposto al sole è in grado di alimentare singolarmente carichi di bassa tensione e di bassa corrente. attentive use of natural resources. The project represents a system of electric production through the Photovoltaic Conversion using semiconductor junctions which are built with very sophisticated technology to increase the production and reduce costs. These junctions are linked in series and parallel and then unified in single units called panels of photovoltaic cells. Each element is a real electric generator which is able to convert power at low voltage and low current if displayed to the sun rays. As it was already said, each single semiconductor junction uses photovoltaic effect. This was noticed for the first time in I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

6 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Ogni singola giunzione a semi- conduttore sfrutta, come già detto, leffetto foto-voltaico che fu osservato per la prima volta nel 1840 dal fisico Becquerel, ma in un secondo tempo fu la NASA a finanziare la realizzazione del primo impianto di conversione elettrica con il quale furono alimentati gli strumenti di bordo del satellite Telsar. Ad oggi esistono diverse realizzazioni nate dapprima come impianti speri- mentali, ma in realtà rappresentano vere e proprie unità autonome in grado di fornire elettricità a piccole strutture e/o a piccole comunità. Ad esempio negli USA laeroporto di Phoenix riceve energia esclusivamente da un impianto foto-voltaico costituito da circa by the phisician Bequerel but then it was the NASA to finance the realization of the first plant of electric conversion through which the boarding instruments of the Telsar satellite were powered. Today there are different realizations which were born like experimental plants, but they really represent true autonomous units, able to supply electricity to little structure and/or to small villages. For example, in the USA the airport of Phoenix receives energy only by a photovoltaic plant made up of about cells. In Italy the biggest working plant is in Serre. In a solar plant there is the so called I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

7 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies celle, in Italia limpianto più grosso attualmente in funzione si trova a Serre. Alla base di un impianto solare vi è la così detta cella. Essa è caratterizzata da un cristallo di materiale semi- conduttore (tipicamente silicio) che viene opportunamente trattato e lavo- rato fino allottenimento di un wafer caratterizzato da una superficie superio- re di tipo N e da uninferiore di tipo P. Quando i fotoni della luce colpiscono la cella, causano la scissione di un legame elettronico con conseguente creazione daccumulo di cariche. La cella si trasforma così in un generatore elettrico caratterizzato da una propria tensione e da una propria corrente. Il lavoro nasce dalla idea di rendere la cell. It is characterized by a crystal of semiconductor material (typically silicon) which is treated to obtain a wafer characterized by a superior surface of type N and by an inferior surface of type P. When light photons hit the cell, they cause the split of an electronic link, implying the creation of charge. The cell turns into an electric generator characterized by its voltage and current. The work was born from the idea of making solar energy simply convertible, storable and available to be applied in our school, that is the reason why we I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

8 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies energia prodotta solare facilmente con- vertibile, immagazzinabile e disponibile per lapplicazione nella nostra struttura scolastica, per cui si è pensato ad un sistema autonomo che Converte, Controlla, Orienta, Accumula ed Eleva a tensione di rete. Il sistema è stato suddiviso in blocchi funzionali ognuno dei quali rappresenta un unico circuito elettronico in grado di funzionare separatamente, quindi ogni gruppo di lavoro si è occupato della analisi e dello studio del proprio dispo- sitivo. Lobiettivo che si è voluto ottenere con questo modo di procedere è quello di lasciare libero ogni gruppo di studio nel modo di operare, nel modo di thought of an autonomous system, which Converts, Controls, Orients, Accumulates and Increases up to net voltage. The system has been divided into operational blocks, each of them representing a single electronic circuit able to work separately; therefore, each working group dealt with testing and studying its own device. The main aim of this kind of work is that every group is free to do their job, and to produce documents, so that individuality and skills of single persons have been highlighted. Each individual skill has been integrated to work on a common project, I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

9 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies produrre rivalutando lindividualità e le risorse dei singoli, ma che comunque devono integrarsi per portare a termine un progetto comune che necessita come in un puzzle dogni singolo ele- mento. which needs every single element like in a puzzle. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

10 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Crystal silicon cells production 103 mm x 103 mm 125 mm x 125 mm Ø 150mm I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

11 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies USI DELLENERGIA SOLARE Lenergia solare è lenergia raggiante prodotta nel Sole per effetto di reazioni nucleari e trasmessa alla Terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. L'intensità della radiazione solare, cioè la quantità di energia che il Sole irraggia ogni secondo su 1 cm 2 di superficie terrestre, è detta costante solare; il suo attuale valore, calcolato quando la Terra si trova a una distanza media dall'astro, è 1,37×10 6 erg s -1 cm -2 (1,97 cal/cm 2 al minuto) ma sembra variare dello 0,2% in trent'anni. Questa stima tuttavia prevede che l'atmosfera sia assolutamente tras- parente alla radiazione, mentre gli effetti di assorbimento e di dispersione riduco- USE OF SOLAR ENERGY Solar energy is the radiant energy produced in the sun by nuclear reactions and then it is passed on the Earth as electromagnetic radiation. The intensity of solar radiation, that is, the quantity of energy that the sun radiates every second on 1 cm 2 of earthly surface, is called solar costant; its present value, calculated when the earth is to a medium distance from the star, is 1.37 x 10 6 erg s -1 cm -2 (1.97 cal/cm 2 a minute), but it seems to vary at 0.2% in thirty years. Nevertheless, this evaluation implies that the atmosphere is absolutely transparent to radiations, while the effects of the electrical input and disper- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

12 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies no molto l'ammontare di energia effetti- vamente disponibile. Trasformazione naturale dell'energia solare L'energia solare, accumulata nella atmosfera terrestre, negli oceani e negli organismi vegetali è fondamentale per la maggior parte dei processi vitali e dei fenomeni fisici che hanno luogo sulla Terra: è ad esempio indispensabile nel processo di fotosintesi che consente lo sviluppo della vita vegetale; è impor- tante per il ciclo idrologico cui sono associate le precipitazioni; è respon- sabile dei venti tuttora utilizzati come risorsa locale di elettricità. sion reduce a lot the amount of real available energy. Natural trasformation of solar energy Solar energy, stored in the earthly atmosphere, in the oceans and in vegetable organisms, is fundamental for most vital processes and physical phenomena which take place on earth: for example, it is essential in the photosynthesis process, which allows the development of vegetable life; it is important for the hydrologyc cicle which precipitations are associated to; it is responsable for winds which are still used as local resource of electricity. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

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14 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Per sottolineare il valore di questa fonte di energia, basti pensare che senza di lei non si sarebbe verificata la for- mazione di biomasse e quindi dei combustibili fossili come carbone, petrolio, gas naturale, né sarebbe pos- sibile lo sfruttamento del legno. Le biomasse possono inoltre essere utilizzate per la produzione di metano o di alcol, attraverso processi di fermen- tazione o distillazione. L'energia solare accumulata negli oceani dà luogo a gradienti verticali di temperatura che, inquadrati nell'ambito di un ciclo termo dinamico, potrebbero forse essere sfruttati per produrre energia meccanica trasformabile in elettricità; questa pos- sibilità, finora puramente teorica, richie- It is necessary to stress that without this source of energy, neither the formation of biomasse( that is also fuel fossils such as coal, petrol, natural gas), nor wood exploitation would be possible. Moreover, biomasses can be used for the productin of methane or alcohol through fermentation or distillation processes. Solar energy stored up in oceans produces vertical thermal gradient that, put in a thermodynamical cycle, might be exploited to make mechanical energy convertible into electricity. This possibility, only theorical till now, requires the employment of devices of I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

15 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies derebbe l'impiego di dispositivi di dimensioni colossali. Raccolta diretta di energia solare Per sfruttare la radiazione solare si ricorre a impianti a pannelli solari, o collettori solari. L'energia così ottenuta può essere usata sotto forma di calore per riscaldare un gas o un fluido, oppure convertita direttamente in elettricità sfruttando l'effetto fotovoltaico e le proprietà fisiche di particolari mate- riali. Esistono due tipi fondamentali di collettori: a pannello e a concentra- zione. Collettori a pannello Un pannello solare è composto essenzialmente da una superficie me- tallica che si riscalda per effetto della huge dimension. Direct assemble of solar energy. In order to exploit solar radiations people use solar panel plants, or solar collectors. The energy obtained can be used in the form of heat to warm up a gas or a fluid, or it can be directly converted into electricity, using the photovoltaic effect and the physical properties of particular materials. There are two main types of collectors: the panel ones and the concentration ones. Panel collectors A solar panel is composed by a metallic surface which warms up thanks to solar I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

16 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

17 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies radiazione solare; il calore viene poi a un liquido termovettore che circola in una serpentina e successivamente trasferito al sistema utilizzatore, ad esempio l'acqua dell'impianto di risc- aldamento domestico. In particolare i collettori a pannello sono in grado di riscaldare i fluidi di trasporto fino a circa 80 °C, con rendimento compreso tra il 40 e l'80%. Questi dispositivi sono particolarmente adatti per il riscal- damento domestico: di solito i collettori vengono installati sui tetti, e orientati opportunamente in relazione alla posi- zione geografica del luogo. Oltre ai pannelli, i sistemi di riscaldamento a energia solare devono comprendere pompe idrauliche, sensori di temperatu- radiation; then the heat reaches a thermal carrier liquid which circulates into a coil and then it is transferred to a system, for example, the water of the heating system at home. In particular, panel collectors are able to warm up the fluids of transport until to 80°c, with an output which varies between 40 and 80%. These devices are particularly suitable for domestic heating: collectors are usually installed on the roofs and are properly directed according to the geographical position of the place. Besides panels, solar energy heating system must include hydraulic pumps, temperature sensors, authomatic controls and store systems of heat. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

18 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies ra, controlli automatici e sistemi di immagazzinamento del calore. Il fluido di trasporto del calore può essere costituito da aria, acqua o altri liquidi; come serbatoio di calore si può impiegare una cisterna d'acqua ben isolata termicamente. Collettori a concentrazione Per particolari applicazioni industriali sono necessari collettori più complessi e costosi che, focalizzando i raggi solari incidenti in un'area ristretta, permettano di raggiungere temperature di diverse centinaia o addirittura migliaia di gradi Celsius. Per migliorarne l'efficienza, i concentratori sono comandati da dispo- sitivi elettromeccanici per l'inseguimento del tragitto del Sole durante l'arco del The fluid of heat transport can be made up of air, water or other liquids; as heat tank we can use a water tank that must be thermically isolated. Concentration collectors Particular industrial applications need more complex and expensive collectors, focusing on solar rays in a limited area, making temperature rise up to hundreds or even thousands Celsius degrees. To improve the efficiency, the concentrators are commanded by electromechanical devices to follow the sun way during the day. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

19 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies giorno. Celle fotovoltaiche Le celle solari realizzate con sottili lamelle di silicio cristallino, arseniuro di gallio o altri materiali semiconduttori convertono la radiazione solare diret- tamente in elettricità con rendimen-to superiore al 30%. Gli impieghi attuali delle celle solari sono limitati a dispo- sitivi di bassa potenza che non possono essere riforniti di energia, come gli strumenti a bordo di sonde spaziali. Energia solare dallo spazio Un modello puramente teorico proposto per produrre energia solare su vasta scala prevede la collocazione di moduli Fotovoltaic cells Solar cells built with fine crystal silicon segments, gallium or other semiconductors materials, convert solar radiations directly into electricity with an output of more than 30%. The actual uses of solar cells are limited to low power devices that cant be supplied by energy, as the instruments which we can find on space probes. The space solar energy A purely theorical model proposed to produce solar energy on a large scale provides to place some giant solar I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

20 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies solari giganti in orbita geostazionaria. Qui l'energia generata dalla luce del Sole verrebbe convertita in microonde per essere poi inviata a terra e riconvertita in energia elettrica. Immagazzinamento dell'energia solare La natura intermittente della radiazione solare come fonte di energia rende indispensabile l'uso di dispositivi di accumulazione dell'energia prodotta in esubero durante le ore o i periodi favorevoli; l'energia immagazzinata può essere resa disponibile, ad esempio, durante la notte. Oltre alla semplice acqua, si possono impiegare appa- recchi più compatti che si basano sulle proprietà di cambiamento di fase di par- modules in the geostationary orbit. Here, the energy produced by the sun light is converted into micro-waves to be sent on earth and then reconverted into electrical energy. The storing of solar energy The intermittent nature of solar radiations as source of energy, implies the use of devices to store up energy which is produced in excess during the hours or propitious periods. The stored energy can be available, for example, during the night. Apart from simple water, we can employ more compacted devices which are based on changing phase properties of particular saline mixture. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

21 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies -ticolari miscele saline. Anche le batterie possono essere usate per serbare l'energia elettrica in eccesso prodotta dal vento o da dispositivi foto-voltaici. Even batteries can be used to store the excess of electrical energy produced by the wind or by photovoltaic devices. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

22 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Münich Fair: plant by 1MW I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

23 Comenius Sicily Project 1 st year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Sicily: plant by 10kW Sicily: Torino: plant by 1kW Torino: I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

24 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies THE IMPLANTS TO SOLAR ENERGY An implant to Solar Energy is generally formed by three elements: the panel or Solar module, the battery and the regular change. The first element is given the transformation of Solar energy in electrical energy: physically a Solar panel is composed by Solar element cells put in series through themselves and encapsulated by two pieces of glass, united in a border of aluminium. Behind the panel we find two signs + and - that level energy. All the panels present a tension of combatable exits with the charger straight from the battery at 12 volts. Typically these panels give a compressed tension between 15 and 18 volts. GLI IMPIANTI AD ENERGIA SOLARE Un impianto ad energia solare e generalmente formato da tre elementi: il pannello o modulo solare, la batteria e il regolatore di carica. Al primo elemento e affidata la trasformazione dellenergia solare in energia elettrica; fisicamente un pannello solare e composto da un insieme di celle solari elementari collegate in serie tra loro e incapsulate tra due lastre di vetro, il tutto unito da una cornice in alluminio. Posteriormente al pannello troviamo i due morsetti + e - da cui prelevare energia Tutti i pannelli presentano una tensione di uscita compatibile con la ricarica diretta I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

25 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies There are two types of solar panels: the amorphous and the crystalline, the first uses a wafer of thicker silicon but is treated in a simple way, and the surface is brown and the result of about 7%. Another characteristic, that is very important to the amorphous panels, is that they work with every type of light. Crystalline panels use wafer of thinner and purer silicon, their superficial colour is blue. They are characterized by a very high profit (between 15-18%) but they works well with the rays straight from the sun. The second element of our implant is represented by a battery that waits the delle batterie a 12 volt: tipicamente questi pannelli forniscono una tensione compresa tra 15 e 18 volt. Esistono due tipi di pannelli solari: quelli amorfi e quelli cristallini, i primi utilizzano un wafer di silicio più spesso ma trattato in maniera più semplice, la superficie sensibile e di colore marrone ed il rendimento di e di circa il 7%, altra caratteristica molto importante dei pannelli amorfi e il funzionamento con qualsiasi tipo di luce. I pannelli cristallini utilizzano wafer di silicio più sottili e più puri, presentano una superficie di colore azzurro, sono caratterizzati da un rendimento molto più alto (attorno al 15- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

26 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies successive charge. This sort of basin is a disaster because the panel is not constant in 24 hours. Finally, we find the charge regulator. Through this word we mean an electronic device that provides to open the solar panel circuit - battery when this last one is in charge. During the realization of an implant of solar energy it is very important to put a so called block diode between the panels and the battery in order to avoid that the battery will be uncharged during the night or without light through the resistance of the solar panel. If the implant has more than one module and 18 %) ma funzionano bene con la luce diretta del sole. Il secondo elemento del nostro impianto e rappresentato da una batteria a cui spetta il compito di immagazzinare e fornire successivamente la corrente al carico. Questa sorta di serbatoio e indis- pensabile perché il pannello non e costante nellarco delle 24 ore. Infine, troviamo il regolatore di carica, termine con cui indichiamo una appa- recchiatura elettronica che provvede ad aprire il circuito pannello solare – batteria, quando questultima risulta carica. Durante la realizzazione di un impianto ad energia solare e indispen- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

27 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies if these are linked together in series we have to use a bypass diode in parallels at every single panel. In this way we avoid that the breakdown or blackout of a panel has got an influence on the working of the whole panel. sabile interporre un diodo denominato di blocco tra il pannello e la batteria per evitare che questultima si scarichi di notte o in assenza di luce attraverso la resistenza propria del pannello solare. Se limpianto comprende più di un modulo e se questi sono collegati in serie tra loro, dovremo utilizzare in parallelo ad ogni singolo pannello, un diodo di bypass, eviteremo così che lavaria o loscuramento di un pannello pregiudichi il funzionamento dellintero impianto. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

28 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Solar form I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

29 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies CRYSTALLINE SOLAR PANELS They convert solar energy directly into electric energy and you can immediately distinguish them by the sky-blue colour on the sensible surface. E.V.A. The mono or polycrystalline silicon cells are electrically connected among them and first encapsulated between two papers of E.V.A. (ethylene vinyl acetate) and then contained between two slabs of temperate glass with low content of iron. Everything is kept into an anodized aluminium frame. Behind the panel we find a tin derivation box and inside it, the two clamps, positive and negative, to draw the I PANNELLI SOLARI CRISTALLINI Convertono direttamente lenergia sola- re in energia elettrica e si distinguono immediatamente per il colore azzurro della superficie sensibile. E.V.A. Le celle di silicio mono o policristallino sono collegate elettricamente tra di loro e incapsulate dapprima tra due fogli di E.V.A. (etilene vinil acetato) e succes- sivamente racchiuse tra due lastre di vetro temperato con basso contenuto di ferro. Il tutto e trattenuto da una cornice in alluminio anodizzato. Posteriormente al pannello troviamo una scatola di derivazione stagna con allinterno i due morsetti, positivo e negativo, da cui pre- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

30 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies tension for the charge of the battery. levare la tensione per la carica della batteria. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

31 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies HOW TO DIMENSION A SOLAR PLANT I.P.S.I.A. "O. M. Corbino Partinico We suppose that we have to realize a solar plant at 12 volts for the illumination of an halogen lamp at the entry of our Institute I.P.S.I.A. "O. M. Corbino in Partinico that uses up to 200 watts for 12 hours. We calculate the daily current demanded from the load dividing the waste for the tension. Apparatus: 2000W / 12V = 17A x 12 hours = 204 Ah. The current demanded everyday is of 204 Ah. COME DIMENSIONARE UN IMPIANTO SOLARE I.P.S.I.A. O. M. Corbino Partinico Supponiamo di realizzare un impianto solare a 12 volt per lilluminazione di una lampada alogena allingresso del Nostro Istituto I.P.S.I.A. O. M. Corbino di Partinico che consuma 200 watt per 12 ore. Calcoliamo la corrente giornaliera richiesta dal carico dividendo il consu- mo per la tensione. Apparato: 200W / 12V = 17A x 12 ore = 204 Ah. La corrente richiesta ogni giorno è: di 204 Ah. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

32 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies We increase of the 20% for possible leaks of the plant, current + leaks: 204 Ah x 1,20 = 245 Ah. ESH ESH Now we obtain, consulting the map, the coefficient of the ESH (Equivalent Sun Hours). In the space of a winter day this value expresses the number of hours equivalent at to the maxim illumination. In our case the ESH is 3,5 hours: this means that in 24 hours the panel will furnish a power equivalent to the one of the same panel that would have furnished if it would have worked in the conditions of maxim insulation for 3,5 hours. 245 Ah / 3,5 ore = 70 A Consequently supposing to use a solar 204 Ah x 1,20 = 245 Ah. ESH ESH Ricaviamo ora, consultando la mappa, il coefficiente di ESH (Equivalent Sun Hours, ore di sole equivalenti). Questo valore esprime nellarco di una giornata invernale il numero di ore equivalenti alla massima illuminazione Nel nostro caso lESH è di 3,5 ore: ciò significa che nellarco delle 24 ore il pannello fornirà una potenza equivalente a quella che che lo stesso pannello fornirebbe se funzionasse nelle condizioni di massima insolazione per 3,5 ore. 245 Ah / 3,5 ore = 70 A Di conseguenza supponendo di utiliz- zare il modulo solare Kyocera da I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

33 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies module Kyocera of 48 watts its able to supply a maxim current of 2,88 A and will have: 70 A / 2,88 A = 24 forms. We should then install 24 forms in the plant connected among them in parallel. Now we should choose the appropriate battery for the plant. Such choice depends by the days of autonomy whom the plant as to arrange, and also in this case exist tables tied at the latitude whom has to make the plant work. It's evident that in proximity to the equator the probability that we are going towards long periods of poor illumination is rather low; its the opposite getting close to the poles. To carry out such a calculation exist some tables drowned from the practical 48 watt in grado di erogare una corrente massima di 2,88 A avremo: 70 A / 2,88 A = 24 moduli Dovremo quindi istallare nel nostro impianto 24 moduli connessi in parallelo tra loro. Ora non resta che scegliere la batteria appropriata per limpianto. Tale scelta dipende dai giorni di autonomia di cui deve disporre limpianto, ed anche in questo caso esistono tabelle legate alla latitudine alla quale deve funzionare limpianto. E evidente che in prossimità dellequatore la probabilità che si vada incontro a lunghi periodi di scarsa illuminazione è piuttosto bassa; al contrario avvicinandosi ai poli. Per effettuare tale calcolo esistono delle I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

34 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies experience. Latitude of the place installation / Reserve of time recommends (days): from 0 to 30 north or south: from 6 to 10; from 30 to 50 north or south: from 10 to 12; from 50 to 60 north or south: over 15 days. tabelle ricavate dallesperienza pratica. Latitudine del luogo di installazione / Riserva di tempo raccomanda (giorni): da 0 a 30 nord o sud: da 6 a 10; da 30 a 50 nord o sud: da 10 a 12; da 50 a 60 nord o sud: oltre 15 giorni. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

35 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

36 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies The reserve of time recommended is 10 days. Now let's calculate the capacity of the battery multiplying the daily current requested by the load for the days of autonomy necessary: Battery capacity: 245 Ah / day x 10 days = 2450 Ah. La riserva di tempo raccomandata e di 10 giorni. Calcoliamo ora la capacità della batteria moltiplicando la corrente richiesta giornalmente del carico per i giorni di autonomia necessari: Capacità batteria: 245 Ah / giorno x 10 giorni = 2450 Ah. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

37 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

38 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies THE AMORPHOUS SOLAR PANELS Externally they acknowledge easy for the brown colour of the sensitive surface and for the principle of construction based on an only photovoltaic amorphous silicon cell that is encapsulated between two glass plates. The main characteristic of the amorphous panel is the ability to supply current coming from every type of light, directly from the sun or artificial that is generated from one lamp to fluorescent filament. The amorphous panel is also used when the requested power is minimal. I PANNELLI SOLARI AMORFI Esternamente si riconoscono facilmente per il colore marrone della superficie sensibile e per il principio di costruzione basato su ununica cella foto voltaica di silicio amorfo che viene incapsulata tra due lastre di vetro. Caratteristica prin- cipale del pannello amorfo e la capacità di fornire corrente partendo da qualsiasi tipo di luce sia essa prove-niente direttamente dal sole oppure artificiale ovvero generata da una lampada a filamento o fluorescente. Il pannello amorfo viene anche utilizzato quando la potenza richiesta e minima. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

39 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies INSTALLATION OF THE PANELS To put the panels towards the Equator. To control that the position prechoice does not come partially d also during all the day from trees or other objects. As far as the connections electrical workers, go respected the polarity therefore as they go mount the diode valve of block and eventual the other diode valves to you of bypass. Then we connect all cargos in parallel between them respecting the polarity, therefore we connect the regulator on drums and then the panels. Being the system in low tension, with the aim of reducing the losses, we use cables of section adaptedand as small as possible. INSTALLAZIONE DEI PANNELLI Orientare i pannelli verso lequatore. Controllare che la posizione prescelta non venga ombreggiata anche par- zialmente durante tutta la giornata da alberi o da altri oggetti. Per quanto riguarda i collegamenti elettrici, vanno rispettate le polarità così come vanno montati il diodo di blocco e gli eventuali altri diodi di bypass. Di seguito colleghiamo tutti i carichi in parallelo tra loro rispettando le polarità, quindi colleghiamo il regolatore alla batteria e poi i pannelli. Essendo limpianto in bassa tensione, al fine di ridurre le perdite, utilizzare dei cavi di sezione adeguata con la minore lun- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

40 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies No demanded maintenance its from a solar system to exception, obviously, of the maintenance of the sensitive surface of the panel and to the eventual substitution of the batteries. In the case of new panels the varied duration from 10 to 20 years for the amorphous type. ghezza possibile. Nessuna manutenzione e richiesta da un impianto solare ad eccezione, ovviamente, della pulizia della superficie sensibile del pannello ed alla eventuale sostituzione delle batterie. Nel caso di pannelli nuovi la durata varia da 10 a 20 anni per il tipo amorfo. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

41 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies SUN FOLLOWER Solar energy is always arousing a greater interest: it allows in fact a production of simpler energy and cleaning up, less dangerous for the man and the nature and, for a long time term, more economic. The applications are numerous: from the heating of residences, to the production of warm water, of mechanical or electric energy. Solar energy is exploited through special panels when the receiving surface results perpendicular to the solar rays, for which it is necessary that the panel continually follows the apparent motion of the sun. INSEGUITORE SOLARE L'energia solare sta suscitando un interesse sempre maggiore: permette infatti una produzione d'energia più semplice e pulita, meno traumatizzante per l'uomo e la natura e, a lungo termine, più economica. Le applicazioni sono numerose : dal riscaldamento di abitazioni, alla produzione di acqua calda, di energia meccanica o elettrica. L'energia solare viene sfruttata attraverso appositi pannelli quando la superficie captante risulta perpen- dicolare ai raggi solari, per cui è necessario che il pannello segua continuamente il moto apparente del sole. Per questo è nato uno strumento denominato "Sun Follower" (inseguitore I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

42 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies For this a denominated tool was born "Sun Follower" (solar pursuer), that becomes the organ of control of the system furnishing to the motor that regulates the position of the panel the information around their correct positioning. The circuit is connected in a sideburn with some components among which we detain there on the sensor that is the system of survey of the light. The sensor is formed from two photo resistors that must be insert in a structure that allows them to perpendicularly gain the solar rays. Naturally the sensor has to be situated on the structure checked by the motor (on the cloth or on the surface of the panel in the examples done to the solare), che diventa l'organo di controllo del sistema fornendo al motore che regola la posizione del pannello le informazioni circa il loro corretto posizionamento. Il circuito è collegato in una basetta con dei componenti tra cui ci soffermiamo sul sensore che è il sistema di rilevazione della luce. Il sensore è formato da due foto resistenze che devono essere inserite in una struttura che consenta loro di captare perpendicolarmente i raggi solari. Naturalmente il sensore deve essere collocato sulla struttura con- trollata dal motore (sul telo dello ombrellone o sulla superficie del pannello negli esempi fatti all'inizio), solo in tal modo, i foto resistori faranno I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

43 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies sì che la struttura si trovi perfettamente orientata verso le radiazioni luminose. L'intero circuito viene alimentato da una tensione duale di +/- 12V fornita da un alimentatore duale. R1-2 : 1.5 k resistor R3-4: 10 k resistor R5: 1M resistor R6: 560 k resistor R7-9: 15 k resistor R8-10: 2.2 k resistor R11-12: 1 k resistor R13: 1.2 k resistor T1: 10 k trimmer P1: 2.2 k adjustable linear resistance P2: 470 k adjustable linear resistance beginning), only in such way, the photo resistors will do yes that the structure is perfectly found directed toward the bright radiations. F1-2 : photo resistor 1 k full light – 1 M dark D1/4: diode 1N4002 LED1: 5mm green led diode LED2: 5mm yellow led diode LED3: 5mm red led diode TR1: transistor npn 2N1613 TR2: transistor pnp 2N2904 IC1: µA741 RL1-2: relais 12V - 1 exchange. Components: I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

44 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -

45 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies R1P1R2 F1F2 R1R2 P1 Iniziamo la descrizione dal ponte di Wheatstone, costituito da R1, P1, R2, F1 ed F2. Il ponte è formato da 4 resistenze disposte a quadrilatero, nel nostro caso dalle due foto resistenze e dalle due resistenze R1 ed R2 tra le quali è stato inserito il potenziometro P1 come regolazione. IC1 P1 K Su una diagonale del quadrilatero viene collegata direttamente la tensione dalimentazione di 12V, mentre sull'altra diagonale vengono invece collegati i due ingressi dell'amplificatore diffe- renziale IC1. Regolando opportuna- mente P1 quando le due foto resistenze sono illuminate contemporaneamente dal sole, il potenziale elettrico presente sul punto K risulta essere uguale a quel- I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO - R1 P1R2F1F2 R1R2 P1 IC1 P1 KZ0 We start the description from the Wheatstone bridge, constitute by R1, P1, R2, F1 and F2. The bridge is formed by 4 resistors disposed like a quadrangle, in our case, it is formed by the two photo resistors and the two resistors R1 and R2 between them it was inserted the potentiometer P1 to regulate them. On a diagonal of the quadrangle we connect directly the alimentation voltage of 12 V, while on the other diagonal we connect the two inputs of the differential amplifier IC1. Regulating appropriately P1, when the two photo resistors are lighted at the same moment by the sun, the electrical potential between K and Z values 0: in these conditions the bridge is in perfect

46 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies Z KZ lo in Z e quindi la differenza di poten- ziale tra K e Z vale zero: in queste condizioni il ponte si viene a trovare in perfetto equilibrio. KZ Quando una delle due foto resistenze risulta più o meno illuminata dell'altra, tra i nodi K e Z esisterà una piccola differenza di potenziale positiva o negativa secondo quale delle due foto resistenze riceve più luce. IC1 R3 R4R5R6 P2 µA741 L'amplificatore differenziale presidiato da IC1 e composto da R3, R4, R5, R6 e P2, provvede ad amplificare la diffe- renza tra i due segnali dingresso; nel nostro caso viene utilizzato un solo amplificatore operazionale cioè un µA741 il cui guadagno per il segnale differenziale è fornito dalla relazione: I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO - KZ equilibrium. If one of the two resistances is more or less lighted than the other, it will exist a little positive or negative difference of potential between K and Z, depending on which of the two receives more light. IC1R3R4R5R6 P2 µA741 The differential amplifier protected by IC1 and composed by R3, R4, R5, R6 and P2, provides to amplify the difference between the two input signals; we use only one operational amplifier and its a µA741. Its gain for the differential signal is given by the relation: G=(R6+P2)/R3. T1 0 The trimmer T1 provides to take manually back to 0 the offset voltage of

47 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies G=(R6+P2)/R3. T1 P2 Il trimmer T1 provvede a riportare a zero manualmente la tensione offset dell'amplificatore operazionale in modo che eventuali derive non influiscano sul corretto funzionamento dello stadio. Il potenziometro P2 permette di regolare il guadagno di tensione dell'amplificatore differenziale e quindi la sensibilità dell'intero circuito. 6 IC1 Il segnale che ricaviamo all'uscita dell'amplificatore operazionale, e più precisamente sul suo terminale 6, altro non è che una tensione che risulta positiva o negativa a seconda dello squilibrio del ponte in un senso oppure nel senso opposto. La corrente erogata da IC1 non è però sufficiente ad attivare I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO - P2 the operational amplifier, in this way eventual creeps cant have influence on the correct functionality of the stage. The adjustable resistor P2 allows to regular the gain of voltage of the differential amplifier and so the sensibility of all the circuit. 6 The signal that we get from the output of the operational amplifier, and precisely on its terminal 6, is nothing other than a positive or negative voltage, according to the imbalance of the bridge in a direction or in the opposed direction. IC1 But the current supplied by IC1 is not enough to active the relais that control the motor. So its necessary to use it to pilot

48 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies R7,R8R9-10 i relè che controllano il motore, per cui è necessario utilizzarla per pilotare, attraverso i rispettivi partitori formati dai resistori R7,R8 e R9-10, la base dei due transistori attuatori. D1 D2 I diodi D1 e D2, collegati su due rami di controllo ed in senso inverso l'uno rispetto all'altro, assicurano la chiusura di un relè alla volta. 6 TR1 NPNRL1 DL1 IC1TR2 PNPRL2 Quando sul piedino 6 dell'amplificatore operazionale si presenta una tensione positiva, il transistor TR1, essendo NPN, si satura attivando il relè RL1 e portando a massa anche il catodo del diodo led DL1 il quale sillumina. Viceversa quando la tensione d'uscita di IC1 è negativa, si satura TR2 il quale, essendo un PNP, attiva il relè RL2 I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino - Partinico (PA) I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO - R7R8R9-10 D1 D2 through the respective dividers formed by the resistors R7, R8, e R9-10, the base of the two start transistors. The diodes D1 and D2 are connected on two control branches, one in the opposed direction of the other, so they guarantee the closing of one relay a time. 6 TR1 NPN RL1 DL1 When we have a positive current on the connector 6 of the operational amplifier, the transistor TR1 ( being NPN ) saturates and activates the relay RL1 and it takes to ground the cathode of the led diode DL1 and it lights. IC1TR2 PNP RL2 DL2DL3DL4 On the contrary, when an output voltage on IC1 is negative, TR2 saturates which being a PNP, activates the relè RL2 and in the same times it lights the led DL2. The diodes DL3 and DL4,

49 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies DL2 facendo contemporaneamente illumina- re il led DL2. D3D4 I diodi D3 e D4, in parallelo alla bobina dei relè, impediscono la formazione di elevate tensioni indotte al momento della commutazione; se non venissero tagliati dai diodi, tali transistor man- derebbero rapidamente fuori uso i transistor pilota. OUT1.....OUT6 Le uscite contrassegnate con le sigle OUT1.....OUT6 rappresentano i contatti dei due relè e quindi le linee alle quali verrà collegato un motore passo - passo, o un motore in corrente continua oppure anche un motore in corrente alternata. I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO - in parallel with the coil of the relay, prevent the formation of high voltages inducted at the moment of the commutation; if they are not cut by the diodes these transistors would broke the pilot transistors. OUT1.....OUT6 The outputs marked by the abbreviations OUT1.....OUT6 represent the contacts of the two relès and so the lines where we connect a stepper motor or a DC motor or a AC motor.

50 Comenius Sicily Project 2 nd year: Studying Technologies Of Regenerative Energies *: I.P.S.I.A. Orso Mario Corbino – PARTINICO -


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