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Fonti di energia Le fonti di energia presenti in natura ed usufruibili dalluomo sono essenzialmente di due tipi: Fonti rinnovabili Lacqua Il Sole Il vento.

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2 Fonti di energia Le fonti di energia presenti in natura ed usufruibili dalluomo sono essenzialmente di due tipi: Fonti rinnovabili Lacqua Il Sole Il vento Il calore della terra La biomassa Lidrogeno Fonti non rinnovabili Il petrolio Il gas naturale Il carbone Luranio Credits

3 Energia Solare Il Sole invia sulla terra una quantità di energia pari a circa 15 mila volte quella che luomo consuma giornalmente. Una parte di essa è sfruttata dalle piante per la fotosintesi clorofilliana. Luomo mediante i pannelli fotovoltaici ed i collettori termici ha imparato ad utilizzare tale fonte di energiapannelli fotovoltaici collettori termici

4 Collettori termici Un sistema che converte la radiazione solare in energia termica grazie ad un fascio di tubi in cui passa lacqua.

5 Questo tipo di pannello è costituito da particolari irradiatori anneriti e di grande superficie in cui si converte direttamente in energia termica la componente infrarossa della radiazione solare.

6 Effetto Fotoelettrico Leffetto fotoelettrico è il meccanismo di base utilizzato dalle celle fotovoltaiche. Questo effetto fu studiato da Einstein, che ricevette il premio Nobel proprio per linterpretazione che ne diede.

7 Nel 1887 Hertz aveva casualmente scoperto che, illuminando una placca metallica di zinco con una radiazione ultravioletta, il metallo si caricava elettricamente.Hertz effetto fotoelettrico, Dopo la scoperta degli elettroni, avvenuta nel 1897 per merito di Thomson che ne misurò carica e massa, si capì che quel fenomeno, poi chiamato effetto fotoelettrico, era dovuto a:Thomson Emissione elettronica provocata nel metallo da radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza Emissione elettronica provocata nel metallo da radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza

8 Nel 1902 Philipp Lenard, allievo di Hertz, attraverso il dispositivo sperimentale in figura, giunse per primo a stabilire le caratteristiche fondamentali dell'effetto fotoelettrico. Un pennello di radiazione di determinata lunghezzalunghezza donda penetra in un tubo adonda vuoto spinto e colpisce una placca metallica M. Gli elettroni emessi dalla placca per effetto fotoelettrico vengono raccolti dal collettore P e danno origine ad una correntecorrente misurabile.

9 Lenard giunse alle seguenti conclusioni: L'effetto fotoelettrico avviene solo se la frequenza della luce incidente sul catodo M è maggiore di un certo valore caratteristico del metallo di cui M è composto. Il numero degli elettroni emessi e quindi la corrente che raggiunge l'anodo è proporzionale all'intensità della luce. L'energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della luce incidente e dalla natura del catodo, ma non dalla intensità luminosa.

10 fotoni fotoni. Per spiegare il fenomeno Einstein fece ricorso al concetto di discontinuità supponendo lenergia dellonda concentrata in pacchetti discreti chiamati fotoni. fotoni Mediante questa ipotesi una radiazione di frequenza è caratterizzata da un flusso di fotoni, ciascuno dei quali possiede energia h Solo se questa energia è maggiore del lavoro di estrazione del metallo: w 0, si avrà estrazione di elettroni di energia cinetica:

11 Lunghezza donda Dicesi lunghezza donda la distanza tra due punti di unoscillazione in fase tra loro

12 Corrente elettrica La corrente elettrica è dovuta ad un flusso ordinato di elettroni accelerati da una differenza di potenziale. Lintensità di corrente è la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione di un conduttore in un certo intervallo di tempo fratto lintervallo di tempo. Lunità di misura è lAmpere.

13 Joseph John Thomson ( ) Thomson misurò il rapporto e/m per gli elettroni dei raggi catodici e trovò un unico valore indipendente dal tipo di catodo e dal gas contenuto nel tubo a bassa pressione usato per lesperimento. Trovò un valore di 1, coulomb/kg, abbastanza vicino a quello determinato da recenti misure.

14 Heinrich Hertz (Germania, ) Heinrich Hertz nel 1882, ventanni dopo le previsioni teoriche di Maxwell, fu in grado di generare radiazioni elettromagnetiche e di rilevarne il carattere ondulatorio. Dallesperimento di Hertz, attraverso progressive modificazioni, si è giunti alle moderne antenne ricetrasmittenti. Egli osservò per primo e inconsapevolmente un nuovo e strano fenomeno: l'effetto fotoelettrico. L'osservazione e i tentativi di spiegazione di questo fenomeno metteranno in crisi il modello ondulatorio della luce che egli stesso aveva abilmente verificato.

15 Energia cinetica Lenergia cinetica è quellenergia che possiedono i corpi in movimento con velocità v

16 I fotoni, ipotizzati da Einstein partendo dalla ipotesi della quantizzazione dellenergia di Planck, sono pacchetti di energia che costituiscono la luce. Un fascio di luce di determinata frequenza trasporta energia nh Più intensa è la luce più numerosi saranno i fotoni, quindi più fotoni colpiranno una determinata superficie

17 Una cella fotovoltaica è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è usata per generare elettricità a partire dalla luce del sole.

18 Questi dispositivi sono fabbricati a partire da materiali semiconduttori, come il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu 2 S). In una cella fotovoltaica i fotoni della luce solare incidente spezzano i legami degli elettroni del semiconduttore, consentendo così ad essi di muoversi liberamente nel semiconduttore. Le posizioni lasciate libere dagli elettroni agiscono come cariche positive e prendono il nome di "lacune".

19 Le celle fotovoltaiche consistono generalmente in due regioni sottili, una sopra l'altra, ognuna dotata di impurità aggiunte appositamente, chiamate droganti. Il risultato è che una regione è di "tipo n", avendo un eccesso di elettroni (negativi), mentre l'altra è di "tipo p", avendo un eccesso di lacune positive. Questa struttura a 2 regioni, chiamata giunzione p-n, produce un campo elettrico interno. Quando i fotoni creano elettroni liberi e lacune in prossimità della giunzione p- n, il campo elettrico interno li fa muovere in direzioni opposte; gli elettroni si muovono verso il lato p e le lacune si muovono verso il lato n. Viene quindi generata una tensione (forza elettromotrice, f.e.m.) fra le regioni p ed n, con il lato p positivo ed il lato n negativo.

20 Cella fotovoltaica in silicio monocristallino. Le strisce argentate sono i contatti ohmici che permettono la connessione in serie di più celle. Vai a Effetto fotoelettrico

21 Energia geotermica Per energia geotermica si intende quella contenuta, sotto forma di "calore", all'interno della Terra. La sua origine è dovuta al calore endogeno; vulcani, sorgenti termali, soffioni e geyser ne sono una conseguenza. L'energia termica accumulata in queste zone viene resa disponibile da vettori termici presenti nella crosta terrestre e denominati fluidi geotermici.

22 Oltre alla produzione di energia elettrica(mediante il metodo delle turbine), a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili svariati impieghi: turbine Acquacoltura (max 38°C) Terricoltura (38 – 80)°C, Teleriscaldamento(80-100)°C Usi industriali (almeno 150 °C) e molti altri.

23 L'Italia e' stato il primo paese al mondo a sfruttare l'energia geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato nel 1913 a Larderello. Attualmente sono attive centrali geotermiche a Larderello, Travale e Monte Amiata (in Toscana) e forniscono circa l'1,5% della produzione totale dell'energia elettrica nazionale.

24 Turbine La turbina è una macchina motrice rotante che converte in energia meccanica l'energia cinetica di un fluido in movimento. L'elemento essenziale della turbina è il rotore, che può essere costituito da un'elica oppure da una ruota con alette o pale variamente profilate. L'energia meccanica acquisita viene poi trasmessa a un albero motore che viene utilizzato per azionare una macchina, un compressore, un generatore elettrico o un'elica.

25 Idrogeno La parola idrogeno deriva dalle parole greche hydor (acqua) e gennàn (generare). Antoine Lavoisier lo riconobbe come elemento e gli diede nome. E lelemento piu leggero e abbondante nelluniverso, è presente nellacqua e in tutti gli organismi viventi, ed è inodore, incolore ed altamente infiammabile. Di recente viene usato anche come combustibile alternativo e come riserva di energia nelle pile a combustibile.

26 L'idrogeno non è una fonte di energia, ma un vettore energetico, perchè può essere utilizzato per immagazzinare energia elettrica sotto forma di energia chimica. I vantaggi dellutilizzo dellidrogeno come vettore energetico sono: Impatto ambientale trascurabile Possibilità di estrazione da molte fonti, quali acqua, carbone, combustibili fossili e metano Possibilità di accumulo, di trasporto e di distribuzione. Modello di trasformazioni di energia: Un piccolo pannello solare alimenta una cella a scambio protonico che fa muovere una piccola elica

27 Biomasse Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia. Alcune fonti non necessitano di subire trattamenti, altre devono essere processate in un digestore. Dalla fermentazione dei vegetali ricchi di zuccheri, si può ricavare l'etanolo o alcool etilico (biocarburanti) che può essere utilizzato come combustibile per i motori a scoppio, in sostituzione della benzina. In alcuni paesi si stanno sperimentando coltivazioni di vegetali a crescita veloce da utilizzare per produrre biocombustibili necessari per la produzione di energia elettrica che possa alimentare piccole centrali elettriche.

28 Oltre ai vegetali coltivati, anche i rifiuti vegetali e i liquami di origine animale possono essere sottoposti a fermentazione in assenza di ossigeno. La biomassa, fermentando, produce biogas, che può essere usato come carburante o combustibile per il riscaldamento e per la produzione di energia elettrica. I semi di soia sono utilizzati per produrre biodiesel

29 Energia idroelettrica Per energia idroelettrica si intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia cinetica e quindi, grazie ad una turbina accoppiata ad un alternatore, energia elettrica. energia cinetica Essa viene ricavata dai fiumi e dai laghi grazie alla creazione di dighe. L'acqua viene incanalata in condutture forzate; acquista così energia potenziale e viene fatta scorrere rapidamente attraverso delle turbine, che trasformano lenergia potenziale in cinetica che, a sua volta, attraverso la dinamo ad esse collegata, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, si trasforma in energia elettrica. energia potenziale

30 L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni inquinanti ) e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona. L'energia idroelettrica è l'unica energia da fonte rinnovabile che viene utilizzata su larga scala e il suo contributo alla produzione mondiale di energia elettrica è cresciuto dal 14.5% del 1986 al 20% del 1992.

31 Energia eolica Lenergia del vento è stata usata per secoli e ancora oggi viene sfruttata come fonte di energia pulita inesauribile. La produzione di energia eolica avviene tramite lutilizzo di aeromotori che convertono lenergia cinetica del vento in energia meccanica.

32 I primi generatori di energia elettrica azionati dal vento risalgono allinizio del Novecento. Nel periodo tra le due Guerre Mondiali fu compiuta una rapida evoluzione sul piano tecnologico con la costruzione di aerogeneratori di potenze fino a 1250 kW. Lutilizzazione su larga scala dei combustibili fossili, che nel secondo dopoguerra forniva energie a costi bassissimi, portò ad un quasi completo abbandono delle ricerche e della produzione di aerogeneratori. La richiesta di energie pulite e rinnovabili ha spinto, a partire dal 1975, gli U.S.A., il Canada e alcuni paesi europei a portare avanti programmi di ricerca e sperimentazione volti ad accertare le effettive possibilità di impiego dellenergia eolica per la produzione di energia elettrica. Attualmente sono già in funzione nel mondo, sia pure soltanto a scopo sperimentale, prototipi di aerogeneratori con potenze fino a 4000 kW.

33 Aerogeneratore La tipica configurazione di un aerogeneratore e' costituita da una struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommita' la gondola o navicella. Nella gondola sono contenuti l'albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l'albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All'estremita' dell'albero lento e all'esterno della gondola e' fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale. L'aereogeneratore funziona gia' con un vento di circa 3 m/s (10 km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17 m/s (50÷60 km/h).

34 Caretteristiche del vento Lenergia del vento è legata al movimento di masse di aria che si spostano al suolo, da aree di alta pressione ad altre di bassa pressione, con velocità proporzionale al gradiente di pressione.

35 Si può dimostrare che la potenza posseduta dal vento è: Dove è la densità dellaria, A è la sezione trasversale della vena fluida e v la velocità del vento. Potenza estraibile dal vento

36 A. Betz ha dimostrato che il 59,3% della potenza posseduta dal vento può essere teoricamente assorbita dal rotore. Quando il vento si avvicina al rotore, rallenta. Diminuisce la sua energia cinetica e, per il teorema di Bernoulli, aumenta lenergia di pressione, raggiungendo un massimo in corrispondenza del rotore.teorema di Bernoulli

37 Le risorse eoliche in Italia La nostra penisola può contare, specie nelle zone mediterranee e nelle isole su venti di buona intensità, quali il maestrale, lo scirocco e il libeccio. In primavera ed in estate spirano inoltre regolarmente delle brezze che contribuiscono in misura consistente allapporto di energia eolica.

38 Teorema di Bernoulli In un fluido privo di attrito interno ed incomprimibile in moto stazionario lungo un condotto, si ha che : P + gh +1/2 V 2 = cost Dove p è la pressione, la densità, h la quota e V la velocità del fluido

39 Energia Potenziale Lenergia potenziale gravitazionale è unenergia che dipende dalla posizione del punto materiale. Per un corpo di massa m posto ad altezza h dal livello di riferimento essa è uguale a U = mgh

40 Hanno realizzato il lavoro: Antonino Calarese Stefano Chisari Giuseppe Gentile Rosario Guidotto Francesco Pellizzotti Mattia Pizzone Liceo Scientifico Galileo Galilei Catania


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