Comenius Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies Lenergia solare, nonostante sia tra le fonti energetiche più facili da utilizzare e tra.

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2 Comenius Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies 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 sensibilità 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 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 conversion 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

3 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies 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.

4 Comenius Sicily Project: 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 produzione 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 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

5 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies dellambiente 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

6 Comenius Sicily Project: 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 15.000 1840 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 15.000 cells. In Italy the biggest working plant is in Serre. In a solar plant there is the so called

7 Comenius Sicily Project: 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 dallidea di rendere 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

8 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies lenergia 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 dispositivo. 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

9 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 elemento. integrated to work on a common project, which needs every single element like in a puzzle. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

10 Produzione di celle in Silicio Monocristallino 103mm x 103mm 125mm x 125mm Ø 150mm

11 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 1,37×106 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 cm2 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 col/cm2 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- Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

12 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. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

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14 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 termodinamico, potrebbero forse essere sfruttati per produrre energia meccanica trasformabile in elettricità; questa pos- sibilità, finora puramente teorica, r ichie- 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 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

15 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 foto- voltaico e le proprietà fisiche di particolari materiali. Esistono due tipi fondamentali di collettori: a pannello e a concentrazione. Collettori a pannello Un pannello solare è composto essenzialmente da una superficie metallica 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 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

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17 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 riscaldamento 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. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

18 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 dispositivi elettromeccanici per l'inse- guimento del tragitto del Sole durante 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. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

19 l'arco del giorno. Celle fotovoltaiche Le celle solari realizzate con sottili lamelle di silicio cristallino, arseniuro di gallio o altri materiali semiconduttori convertono la radiazione solare direttamente in elettricità con rendimen- to superiore al 30%. Gli impieghi attuali delle celle solari sono limitati a dispositivi 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 silicious 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 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

20 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 apparecchi più compatti che si basano sulle proprietà di cambiamento di fase 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. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

21 di particolari 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. Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies

22 Fiera di Monaco: impianto da 1MW

23 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies Sicilia: impianto da 10kW Sicilia: impianto da 10kW Torino: impianto da 1kW Torino: impianto da 1kW

24 Comenius Sicily Project: Studying Technologies Of Regenerative Energies