Illumino ma non consumo Scuola secondaria del primo ordine “Alighieri – Tanzi” - Mola di Bari Illumino ma non consumo Progetto extracurricolare pomeridiano di Tecnologia Anno scolastico 2015/2016 Classi: 3A, 3B, 3D, 3E, 3F, 3G Docenti: prof. Leonardo MARTINELLI prof. Claudio MARIELLI Prof. Claudio MARIELLI - https://profmarielli.wordpress.com

Cosa ci servirà Lampada LED Pannello Fotovoltaico Sensore PIR Regolatore di carica Accumulatore Prof. Claudio MARIELLI

Cosa fa ogni componente Lampada LED: illumina consumando poca energia. Pannello fotovoltaico: Cattura la luce del sole e la trasforma in energia elettrica. Sensore PIR: Percepisce la presenza di una persona e della luce solare e apre/chiude un interruttore in funzione di ciò. Regolatore di carica: Gestisce l’energia prodotta dal pannello solare e quella accumulata nell’accumulatore e fornisce energia alla lampada LED. Accumulatore: accumula l’energia elettrica prodotta dal pannello fotovoltaico durante le ore di luce. Prof. Claudio MARIELLI

La teoria Prof. Claudio MARIELLI

Macchine e apparecchi elettrici Motori, generatori e trasformatori elettrici: motori o generatori a corrente alternata o continua, gruppi elettrogeni, trasformatori elettrici. Apparecchiature per la distribuzione e il controllo dell’elettricità: spine, interruttori, pannelli, fusibili, limitatori di tensione ecc. Fili e cavi isolati: fili, cavi e altri conduttori isolati, dotati o meno di connettori. Pile e accumulatori elettrici: pile e accumulatori elettrici, comprese le batterie per autoveicoli. Apparecchiature per illuminazione e lampade elettriche: lampade a incandescenza o a scarica, a raggi ultravioletti o ultrarossi, lampadari ecc. Apparecchiature elettriche per motori e veicoli: magneti e bobine di accensione, motorini di avviamento, fari, clacson ecc. Altre apparecchiature elettriche: semafori, elettromagneti, suonerie ecc. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Verifiche sul circuito elementare Per montare il circuito della foto occorrono: una pila da 4,5 volt, una lampada da 4,5 volt, un interruttore, filo elettrico. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Verifiche sul circuito in parallelo Per montare questo circuito occorrono: una pila da 4,5 volt, tre lampade da 4,5 volt, tre interruttori, filo elettrico. Ogni apparecchio è collegato con una linea indipendente (in parallelo) alla linea di alimentazione e funziona alla tensione del generatore. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Verifiche sul circuito in serie Per montare questo circuito occorrono: una pila da 4,5 volt, tre lampade da 1,5 volt, tre interruttori, filo elettrico. Ogni apparecchio è collegato in fila con gli altri (in serie) sulla linea di alimentazione e la tensione del generatore è divisa tra le singole lampade. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

La corrente elettrica Prof. Claudio MARIELLI

L’elettricità risiede nell’atomo Struttura dell’atomo: al centro c’è il nucleo formato da protoni e neutroni ben legati tra di loro; lontano dal nucleo si trovano gli elettroni. In ogni atomo i protoni, dotati di carica elettrica positiva, attraggono gli elettroni, di carica negativa, con una forza elettrica. L’elettricità è quindi la “colla” che tiene insieme l’atomo. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Cos’è la corrente elettrica Cavo di rame scollegato: l’interno del metallo è formato dai nuclei degli atomi e dai loro elettroni. E’ disegnato però solo un elettrone libero che si sposta tra i nuclei rimanendo però nella stessa zona. Cavo di rame collegato al generatore: il filo di rame è collegato con una pila e una lampadina; l’elettrone si muove quindi a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale è attratto. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Conduttori e isolanti Conduttori: sono i materiali che si lasciano attraversare con facilità dalla corrente elettrica, come i metalli, le soluzioni elettrolitiche (per esempio acqua e sale) e i gas ionizzanti (come all’interno dei tubi al neon). Isolanti: sono la ceramica, il vetro, la gomma, le materie plastiche, il legno secco, l’olio e altre sostanze che impediscono il passaggio della corrente elettrica. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Tre grandezze della corrente Intensità di corrente L’intensità di corrente unitaria corrisponde al passaggio di 6 miliardi di miliardi di elettroni al secondo attraverso una sezione del circuito; si misura in Ampere (A) e si indica con la lettera I Tensione La tensione elettrica è il dislivello elettrico a cui vengono mantenuti gli elettroni e si misura in Volt (V) e si indica con la lettera V. Questo dislivello è creato dal generatore di corrente. Resistenza E’ la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente; si misura in ohm (Ω) e dipende dal materiale, dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore. Si indica con la lettera R. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

V = R•I oppure Legge di Ohm Le tre grandezze della corrente sono legate tra loro dalla legge di Ohm: V = R•I oppure V (tensione) R (resistenza) I (intensità di corrente) 220 V 100  2,2 A 200  1,1 A 12 V 14,4  0,83 A 400 V 2 A Prof. Claudio MARIELLI

Potenza ed energia Potenza (si misura in Watt - W): si calcola moltiplicando l’intensità della corrente che attraversa un apparecchio elettrico per la tensione alla quale è sottoposto. Energia (si misura in Wattora - Wh): l’energia consumata da un apparecchio è misurata dalla sua potenza moltiplicata per il tempo di funzionamento (ore). Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Potenza ed energia P = V•I si misura in Watt (W) Potenza (è quella scritta sugli apparecchi elettrici): P = V•I si misura in Watt (W) Energia (è quella che paghiamo con le bollette): E = P•t si misura in Wattora (Wh) V (tensione) I (intensità di corrente) t (tempo di funzionamento) P (potenza) E (energia) Esempio 220 V 10 A 1 h 2200 W 2,2 kWh Lavatrice 1 A 12 h 220 W 2,64 kWh Frigorifero 12 V 0,83 A 10 W 0,01 kWh Faretto LED 0,17 A 18 h 2 W 0,036 kWh Stand By Prof. Claudio MARIELLI

Generatori di corrente Pila Accumulatore Magnete Alternatore Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Pila Pila normale E’ formata da tre parti principali: - il contenitore cilindrico di zinco è il polo negativo (-); - l’elettrolita è la pasta nerastra con sali di ammoniaca che riempie il contenitore; - il bastoncino di carbone affondato nella pasta è il polo positivo (+). Pila alcalina: è una pila a lunga durata. Pile in serie: se si collegano in serie più pile da 1,5 volt, si ottengono tensioni multiple. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Accumulatore L’accumulatore accumula energia elettrica sotto forma di energia chimica e la eroga a un utilizzatore. Questo processo di carica e di scarica può essere ripetuto molte volte. La prima figura mostra un accumulatore per automobile formato da sei celle. La seconda figura mostra una singola cella. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Magnete Il magnete è un corpo di ferro che è stato magnetizzato e genera attorno un campo magnetico. I due poli: le estremità di un magnete si chiamano poli e sono detti polo nord (N) e polo sud (S). Poli dello stesso tipo si respingono, poli di tipo diverso si attraggono. L’elettromagnete è un magnete che si può accendere e spegnere così che si possa decidere quando deve funzionare da elettromagnete e quando no. E’ costituito da un filo di rame avvolto su un pezzo di metallo ferroso. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

L’alternatore L’alternatore è una macchina rotante che, quando gira, genera corrente alternata. La dinamo delle biciclette è un piccolo alternatore costituito da: - un rotore, magnete cilindrico con quattro poli Nord e quattro poli Sud; - uno statore, costituito da otto piastre di ferro a contatto con un rocchetto di filo di rame con moltissimi elettroni liberi. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Apparecchi elettrici in casa Lampade Campanello elettrico Ferro da stiro Frullatore Lavatrice Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Lampade Lampada comune o a incandescenza: dura circa 1000 ore di accensione, costa poco ma è poco efficiente, cioè consuma molto rispetto alla luce che emette. Lampada a fluorescenza: dura circa 8000 ore di accensione, è più costosa ma è molto efficiente, cioè consuma poco rispetto alla luce che emette. Lampada a LED: circa 30000 ore di accensione, costa poco più di una fluorescente, è efficientissima. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Campanello elettrico Il campanello è formato da una parte meccanica (campana metallica e martelletto) e da un circuito elettrico con un elettromagnete. Funzionamento: premendo il pulsante l’elettromagnete si magnetizza, attira la lamina e il martelletto batte sul campanello; allo stesso tempo si interrompe il contatto con la vite, l’elettromagnete si smagnetizza e la lamina flessibile torna nella posizione di partenza. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Fero da stiro Il ferro da stiro è costituito da: - il manico con attacco del filo elettrico e pulsanti per il vapore; - il serbatoio dell’acqua; - la piastra, dotata di fori per l’uscita del vapore. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Frullatore Il frullatore è formato da tre elementi: - il basamento che contiene il motore con la parte elettrica e l’albero motore; - il bicchiere dotato sul fondo di un utensile formato da sei fruste di metallo; - il motore formato da due pezzi: la parte fissa (statore) e la parte rotante (rotore). Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Lavatrice La parte interna contiene la grossa vasca cilindrica in cui si trova il cestello per gli indumenti. Il cestello è azionato da una grossa puleggia (ruota) collegata al motore elettrico. Dentro la vasca c’è la serpentina elettrica con la resistenza e il termostato. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Sicurezza in casa La scossa elettrica Per evitare la scossa Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

La scossa elettrica Contatto diretto: la persona sta sistemando la presa senza avere staccato l’interruttore generale e per errore tocca i cavi. Contatto diretto: la donna tocca un filo scoperto in tensione senza saperlo; se le suole sono di gomma non prende la scossa. Contatto indiretto: il ragazzo tocca la lavatrice che è in tensione per un cavo elettrico difettoso a sua insaputa. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Per evitare la scossa Non tenere apparecchi elettrici sul bordo della vasca o lavandino. Non impugnare l’asciugacapelli con le mani bagnate. Non toccare la vite metallica del portalampada per cambiare una lampadina. Non avvolgere il filo sul ferro da stiro caldo. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Consumi elettrici Potenza di un apparecchio Potenza impegnata Consumi bimestrali Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Potenza di un apparecchio La tabella mostra i consumi approssimativi dei vari apparecchi: - gli apparecchi con resistenza richiedono molta energia; - gli apparecchi con solo motore consumano molto meno; - gli apparecchi “luce e suono”, assorbono poca potenza. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Potenza impegnata La potenza impegnata è quella disponibile in ogni appartamento in base al contratto con la Società Elettrica. Essa è riportata anche sulla bolletta bimestrale. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Consumi bimestrali Scaldabagno elettrico: è l’apparecchio che più incide sui consumi; è meglio scegliere un modello di dimensioni non eccessive. Lavatrice: i consumi riguardano soprattutto l’energia necessaria per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavatrice a pieno carico e preferire i programmi di lavaggio a temperature non elevate. Lavastoviglie: i consumi dipendono soprattutto dall’energia per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavastoviglie solo a pieno carico. Frigorifero: scegliere un modello di dimensioni adeguate. Illuminazione: non tenere le lampade accese inutilmente. Prof. Claudio MARIELLI Immagini e testi tratti dal testo di Giampietro Paci, Fare Tecnologia

Progettazione Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Cosa devo illuminare? Per quanto tempo devo illuminare? Quanta energia mi serve? Come mi procuro l’energia? Come devo controllare l’accensione e lo spegnimento? Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Cosa devo illuminare? Il piazzale della scuola antistante l’entrata principale, ampio circa 500 metri quadri. Mi servirà una lampada da 200 lumen. Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Per quanto tempo devo illuminare? Per il solo tempo necessario a consentire alle persone di attraversare il piazzale di sera. Ipotizzo che sia sufficiente 1 minuto per attraversare il piazzale. Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Quanta energia mi serve? Ipotizzo di usare una sorgente luminosa a basso consumo (LED) che per erogare una quantità di luce di 200 lumen consuma circa 10W di potenza. Ipotizzo che in un giorno ci siano 30 persone che attraversano il piazzale di notte. Applico la formula dell’energia: E = P·t E = 10W ·(30·(1/60))h = 5 Wh Ho bisogno di 5 Wh di energia ogni giorno. Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Come mi procuro l’energia? Non voglio consumare energia elettrica prelevata dalla rete di distribuzione. Devo usare una fonte di energia alternativa e scelgo il fotovoltaico. Devo catturare l’energia del sole e immagazzinarla in un accumulatore perché mi servirà quando il sole non c’è. Devo dimensionare il pannello fotovoltaico per catturare tutta l’energia che mi serve. Devo orientare il pannello in modo che catturi più energia possibile dal sole. Devo dimensionare l’accumulatore perché possa contenere tutta l’energia che mi serve. Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Il pannello fotovoltaico Devo rivolgere il pannello fotovoltaico all’azimuth più conveniente (180°ossia a SUD); Devo conoscere la radiazione solare disponibile a Mola di Bari sul piano orizzontale (siti, norme tecniche). Devo capire di quale angolo (tilt) devo inclinare il pannello fotovoltaico per produrre più energia possibile quando ne ho più bisogno (60°per ottimizzare l’inverno). Devo calcolare la radiazione disponibile sul piano inclinato del pannello solare così come l’ho orientato. Devo conoscere il rendimento del pannello fotovoltaico (circa 20%). Devo calcolare la dimensione del pannello necessaria a catturare l’energia che mi serve (….. Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Il pannello fotovoltaico Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Il pannello fotovoltaico Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento L’accumulatore Devo scegliere la tensione a cui far funzionare il mio lampione (12V). Devo scegliere una batteria a 12Vche riesca a contenere l’energia che mi serve. Voglio che la batteria possa contenere l’energia necessaria a far funzionare il lampione per 5 giorni anche se il pannello non funziona (periodo di cattivo tempo). La batteria deve contenere la seguente energia: 5 Wh/giorno •5 giorni = 25 Wh Poiché la batteria è a 12 V devo sceglierla a 25 Wh/12V = 2,1 Ah Mi serve una batteria a 12V con capacità almeno 2,1 Ah Prof. Claudio MARIELLI

Dimensionamento Come controllo accensione e spegnimento? Voglio evitare che sia l’utente ad accendere e spegnere la luce perché potrebbe dimenticarsi di spegnere (quindi consumare inutilmente energia preziosa) o potrebbe tenerla accesa troppo tempo inutilmente (quindi consumare inutilmente energia preziosa) . Voglio che la luce si accenda AUTOMATICAMENTE solo quando c’è una persona nel piazzale e che si spenga AUTOMATICAMENTE quando non c’è nessuno. Voglio poter decidere quanto tempo deve rimanere accesa la luce prima che si spenga AUTOMATICAMENTE . Voglio che la luce non si accenda di mattina quando c’è gente nel piazzale (consumerebbe inutilmente energia preziosa). Mi serve un interruttore automatico che sia in grado di accendersi se c’è qualcuno, spegnersi dopo un certo periodo e che non si accenda quando c’è la luce del sole. Prof. Claudio MARIELLI