Utilizzo dell'energia solare. Utilizzo dell'energia solare sulla Terra. Prospettive per l'uso dell'energia solare sulla Terra Viene utilizzata solo l'energia solare

Esistono due direzioni principali per l'utilizzo dell'energia solare: generare energia elettrica e ottenere energia termica (fornitura di calore). L’utilizzo dei generatori di energia solare è ancora agli inizi, ma l’uso del calore solare per il riscaldamento degli edifici residenziali occupa già un posto significativo nella pratica mondiale.

Così negli USA nel 1977 si contavano circa 1000 case solari, negli anni '90. il loro numero ha superato le 15mila unità.Il 90% delle case a Cipro e il 70% in Israele hanno impianti solari per il riscaldamento dell'acqua. Solo negli ultimi 15 anni, il Giappone ha costruito centinaia di migliaia di edifici riscaldati dal sole, riducendo drasticamente le emissioni di anidride carbonica e altri gas serra.

L'energia solare in Russia è completamente sottosviluppata, anche se metà del suo territorio si trova in condizioni favorevoli per l'uso dell'energia solare - vengono forniti almeno 100 kWh/m 2 all'anno, e in aree come Daghestan, Buriazia, Primorye, regione di Astrakhan, ecc.. – fino a 200 kWh/m 2 .

L’energia solare è molto conveniente per alimentare gli edifici. Come hanno dimostrato studi sperimentali, solo grazie all'energia dei raggi solari che cadono sulle strutture di recinzione degli edifici, è possibile risolvere completamente i problemi energetici associati al riscaldamento, alla fornitura di acqua calda, ecc.

Esistono tre tipologie di sistemi solari che servono a soddisfare il fabbisogno termico di un edificio: passivi, attivi e misti.

Nei sistemi solari passivi, l'edificio stesso funge da ricevitore e convertitore di energia solare e la distribuzione del calore avviene per convenzione.

L'elemento principale di un sistema solare attivo più costoso è un collettore, un ricevitore di energia solare, dove la luce solare viene convertita in calore. Il collettore solare è una scatola termicamente isolata: la luce visibile del sole attraversa un rivestimento trasparente (vetro o pellicola), colpisce un pannello annerito e lo riscalda. Grazie al design speciale del collettore, al suo interno viene raggiunta una temperatura molto elevata, consentendo una corretta fornitura di acqua calda.

Valutando l'efficacia dell'uso del calore solare nel nostro paese, N. Pinigin e A. Aleksandrov (1990) hanno dimostrato che l'uso di impianti solari per la fornitura di acqua calda agli edifici tutto l'anno è economicamente fattibile per quasi tutta la parte meridionale della Russia. Federazione.

Negli ultimi anni sono stati realizzati impianti con accumulo stagionale di calore, che consentono, anche in condizioni siberiane, di risparmiare fino al 30% delle risorse di combustibile e di utilizzarle per riscaldare piccole case in inverno. Sono necessarie ulteriori ricerche sull'uso dell'energia solare non solo nelle regioni meridionali, ma anche in quelle settentrionali della Russia, soprattutto considerando che tale esperienza esiste già in Norvegia e Finlandia.

Il sole riversa un oceano di energia sulla Terra. Una persona nuota letteralmente in questo oceano, l'energia è ovunque. E l'uomo, come se non se ne accorgesse, scava nel terreno alla ricerca di carbone e petrolio per estrarre energia per impianti e fabbriche, per l'illuminazione e il riscaldamento. E in fondo estrae dal Sole tutta la stessa energia che veniva “assorbita” dalle piante di un tempo, divenute poi carbone. Le piante sono in grado di catturare meno dell’1% dell’energia solare che cade sulle loro foglie, e ancora meno viene rilasciata dopo la combustione del carbone. L’energia solare è disponibile per tutti. Ce n'è quasi quanto ne vuoi. È rispettoso dell'ambiente: non inquina nulla, non viola nulla, dà vita a tutto ciò che esiste sulla Terra. Inoltre, questa energia è gratuita, ma nonostante tutti i suoi vantaggi è anche la più costosa. Questo è il motivo per cui le centrali solari non sono così comuni come altri tipi di centrali elettriche.

In Sicilia, non lontano dall'Etna, famosa per la sua natura inquieta, all'inizio degli anni '80 una centrale solare con una capacità di 1 MW produceva elettricità. Il principio del suo funzionamento è la torre. Gli specchi concentrano i raggi del sole su un ricevitore situato a 50 m di altezza, dove viene generato vapore con una temperatura superiore a 500º C che aziona una turbina tradizionale alla quale è collegato un generatore di corrente. In caso di tempo parzialmente nuvoloso la mancanza di energia solare viene compensata da un accumulatore di vapore. È stato indiscutibilmente dimostrato che le centrali elettriche con una capacità di 10-20 MW possono funzionare secondo questo principio, e molto di più se moduli simili vengono raggruppati e collegati tra loro.

Un tipo leggermente diverso di centrale elettrica si trova ad Almeria, nel sud della Spagna. La sua differenza è questa

Il calore solare focalizzato sulla sommità della torre mette in moto il ciclo del sodio (come in

reattori nucleari con neutroni veloci) e riscalda già l’acqua per formare vapore. Questa opzione presenta numerosi vantaggi. L'accumulatore di calore al sodio fornisce solo il funzionamento continuo della centrale elettrica, ma consente di accumulare parzialmente l'energia in eccesso per il funzionamento con tempo nuvoloso e di notte. La potenza della centrale spagnola è di soli 0,5 MW. Ma in base al suo principio è possibile crearne di molto più grandi, fino a 300 MW. In installazioni di questo tipo, la concentrazione di energia solare è così elevata che l'efficienza del processo della turbina a vapore non è peggiore di quella delle tradizionali centrali termoelettriche.

Questo principio di funzionamento è incorporato in un'altra versione della centrale solare, sviluppata in Germania. Anche la sua potenza è piccola: 20 MW. Intorno ad una torre alta 200 metri sono disposti specchi mobili di 40 m2 ciascuno, controllati da un microprocessore. Concentrano la luce solare su un riscaldatore in cui viene posizionata l'aria compressa. Riscalda fino a 800ºC e aziona due turbine a gas. Quindi il calore della stessa aria di scarico riscalda l'acqua e la turbina a vapore entra in azione. Sembra che ci siano due fasi di generazione di elettricità. Di conseguenza, l'efficienza della stazione aumenta al 18%, che è significativamente superiore a quella di altri impianti solari.

E nell'ex Unione Sovietica, vicino a Kerch è stata costruita una stazione con una capacità di 5 MW. Intorno alla torre sono disposti 1.600 specchi concentrici, che dirigono i raggi del sole verso la caldaia a vapore che corona la torre alta 70 metri. Specchi con una superficie di 25 m 2 ciascuno, utilizzando automazione e azionamenti elettrici, monitorano il Sole e riflettono l'energia solare precisamente sulla superficie della caldaia, fornendole una densità di flusso 150 volte maggiore di quella del Sole sulla superficie della caldaia. Terra. Nella caldaia, ad una pressione di 40 atmosfere, viene generato vapore con una temperatura di 250ºC e fornito alla turbina a vapore. Speciali serbatoi di stoccaggio a pressione contengono acqua che accumula calore per il lavoro notturno e con tempo nuvoloso. Grazie a queste batterie, la stazione può funzionare per altre 3-4 ore dopo il tramonto, e a metà potenza – per circa mezza giornata.

L'energia solare viene utilizzata anche nelle piccole automobili, nelle stazioni spaziali e nei satelliti alimentati a energia solare.

I lavori sono in corso, le valutazioni sono in corso. Finora, bisogna ammetterlo, non sono favorevoli agli impianti solari: ancora oggi queste strutture rientrano tra i metodi tecnici più complessi e costosi per produrre energia solare. Ma potrebbe verificarsi una situazione nel mondo in cui il costo relativamente elevato dell’energia solare non rappresenterà il suo più grande svantaggio. Stiamo parlando di “inquinamento termico” del pianeta a causa della gigantesca scala del consumo energetico. Conseguenze irreversibili, dicono gli scienziati, si verificheranno se il consumo di energia supererà di cento volte i livelli attuali. Questo non può essere trascurato. La conclusione degli scienziati è questa: ad un certo stadio dello sviluppo della civiltà, l’uso su larga scala dell’energia solare rispettosa dell’ambiente diventa assolutamente necessario. Ma questo non significa che l’energia solare non abbia avversari. Ecco le ragioni: a causa della bassa densità della radiazione solare, l'installazione di attrezzature per catturarla porterà alla sottrazione di vaste aree utilizzabili dall'uso del territorio, senza contare i costi estremamente elevati di attrezzature e materiali.

Nel frattempo, c'è ancora molta strada da fare prima che sia possibile generare dai raggi del sole un'elettricità paragonabile in termini di costi a quella prodotta bruciando i tradizionali combustibili fossili. Naturalmente, in tali condizioni, non è realistico aspettarsi di trasferire l'intero settore energetico alla tecnologia solare, anche nel prossimo futuro. Per ora, il suo destino è aumentare la capacità e ridurre il costo del kilowattora. Allo stesso tempo, non dobbiamo dimenticare che dal punto di vista ambientale l'energia solare è davvero l'ideale, poiché non sconvolge l'equilibrio della natura.

Il Sole ha fatto un ottimo lavoro inviandoci la sua energia, quindi apprezziamolo! Un caldo raggio di luce sul viso che si trovava sulla superficie del Sole otto minuti e diciannove secondi fa

1 . INvestiti asciutti

Il Sole ha fatto un ottimo lavoro inviandoci la sua energia, quindi apprezziamolo! Un caldo raggio di luce sul viso era sulla superficie del Sole otto minuti e diciannove secondi fa. Come minimo, lo usiamo per asciugare i vestiti. Dato che il sole è un gigantesco reattore nucleare, dillo ai tuoi amici: hai un'asciugatrice nucleare.

2 . INSRUNConTETB ConVOYu eDA

Togli il sole e cosa può crescere? Con solo terra e luce solare possiamo coltivare pomodori, peperoni, mele, lamponi, insalata verde e molto altro ancora. Costruisci serre solari che immagazzinano il calore del sole in modo da poter coltivare cibo anche durante il freddo inverno.

3 . NUNGReTB VODA

Settanta milioni di famiglie cinesi utilizzano il sole per riscaldare l’acqua, quindi perché no? Puoi utilizzare un tubo a vuoto o una piastra piana per raccogliere il calore del sole. Per un investimento di circa 6.800 dollari, queste unità forniranno il 100% di acqua calda in estate e il 40% in inverno.

4 . DIHEConTETB VODA

Se la tua fornitura idrica locale non è sicura, puoi sfruttare il sole per disinfettare l'acqua riempiendo bottiglie di plastica e lasciandole al sole per almeno sei ore. I raggi ultravioletti del sole uccideranno tutti i batteri e i microrganismi. Se vivi in ​​riva al mare, puoi utilizzare l'energia solare per desalinizzare l'acqua.

5 . CONOinvia il tuoe ehleATREHeConTVO

Installare pannelli solari sul tetto.

6. Metti in moto l'autoe

Immagina un'auto alimentata solo dal sole. Una Nissan Leaf EV che percorre 16.000 chilometri all’anno, ad esempio, utilizzerà 2.000 kW di elettricità. Un impianto fotovoltaico sul tuo tetto genererà 2.200 kWh all'anno e, una volta esauriti i pannelli solari, l'energia sarà gratuita.

7 . DlIO DEHaina tuaO DOMUN

Quando si progetta una casa solare passiva, le finestre rivolte a sud e l’isolamento rivolto a nord creano massa termica per immagazzinare il calore solare. Questi passaggi possono ridurre il fabbisogno di riscaldamento del 50%. Massimizzare la luce solare naturale riduce la necessità di illuminazione artificiale.

8. Per riscaldare la casa

9. Cuocere il cibo

Esistono diversi tipi di fornelli solari: alcuni utilizzano finestre solari riflettenti, altri utilizzano dischi parabolici. In estate potete anche realizzare un essiccatore solare per frutta e verdura nel vostro giardino.

10. Energia per il mondo

Ogni giorno, il sole emette nei deserti del mondo una quantità di calore mille volte superiore a quella che ne utilizziamo. La tecnologia solare termica, utilizzando torri paraboliche o solari, può convertire questa energia in vapore e poi in elettricità. Potremmo risolvere tutto il fabbisogno energetico mondiale utilizzando solo il 5% del Texas per l'energia solare termica. Quindi chi ha bisogno del petrolio e delle fuoriuscite di petrolio?

Olya Chernyshova, studentessa dell'ottavo anno

Relazione sulla fisica in terza media.

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Relazione sull'argomento:

"Uso dell'energia solare sulla Terra."

Completato da uno studente dell'ottavo anno della scuola secondaria Rostoshinskaya.

Chernyshova Olga

"Prima un chirurgo e poi il capitano di diverse navi", Lemuel Gulliver, durante uno dei suoi viaggi, finì su un'isola volante: Laputa. Entrando in una delle case abbandonate di Laga Do, capitale della Laputia, scoprì uno strano uomo emaciato con la faccia fuligginosa. Il suo vestito, la camicia e la pelle erano anneriti dalla fuliggine, i capelli arruffati e la barba erano bruciacchiati in alcuni punti. Questo incorreggibile proiettore ha impiegato otto anni a sviluppare un progetto per estrarre la luce solare dai cetrioli. Aveva intenzione di raccogliere questi raggi in bottiglie ermeticamente chiuse in modo che in caso di estate fredda o piovosa potesse riscaldare con essi l'aria. Ha espresso la fiducia che tra altri otto anni sarebbe stato in grado di fornire la luce solare ovunque fosse necessaria.

Gli odierni cacciatori di raggi solari non somigliano affatto al pazzo raffigurato nella fantasia di Jonathan Swift, anche se stanno facendo essenzialmente la stessa cosa dell'eroe di Swift: cercare di catturare i raggi del sole e trovarne un uso energetico.

Già i popoli più antichi pensavano che tutta la vita sulla Terra fosse generata e legata indissolubilmente al Sole. Nelle religioni dei vari popoli che abitano la Terra, una delle divinità più importanti è sempre stata il Dio Sole, che dona calore vivificante a tutte le cose.

In effetti, la quantità di energia che arriva sulla Terra dalla stella più vicina a noi è enorme. In soli tre giorni, il Sole invia alla Terra tanta energia quanta è contenuta in tutte le riserve di carburante che abbiamo esplorato! E sebbene solo un terzo di questa energia raggiunga la Terra - i restanti due terzi vengono riflessi o dispersi dall'atmosfera - anche questa parte di essa è più di mille e mezzo volte più grande di tutte le altre fonti di energia utilizzate dall'uomo messe insieme ! E in generale, tutte le fonti di energia disponibili sulla Terra sono generate dal Sole.

In definitiva, è all’energia solare che l’uomo deve tutte le sue conquiste tecniche. Grazie al sole, in natura avviene il ciclo dell'acqua, si formano corsi d'acqua che fanno ruotare le ruote idrauliche. Riscaldando la terra in modo diverso nelle diverse parti del nostro pianeta, il sole provoca il movimento dell'aria, lo stesso vento che gonfia le vele delle navi e fa ruotare le pale delle turbine eoliche. Tutti i combustibili fossili utilizzati nell'energia moderna provengono dai raggi del sole. Era la loro energia che, con l'aiuto della fotosintesi, veniva convertita dalle piante in massa verde che, a seguito di lunghi processi, si trasformava in petrolio, gas e carbone.

È possibile sfruttare direttamente l'energia del sole? A prima vista, questo non è un compito così difficile. Chi non ha provato a bruciare un'immagine su una tavola di legno in una giornata di sole utilizzando una normale lente d'ingrandimento? Un minuto o due - e sulla superficie dell'albero, nel punto in cui la lente d'ingrandimento raccoglieva i raggi del sole, compaiono un punto nero e un leggero fumo. Fu in questo modo che uno degli eroi più amati di Jules Verne, l'ingegnere Cyrus Smith, aiutò i suoi amici quando il loro incendio si spense quando si ritrovarono su un'isola misteriosa. L'ingegnere ha realizzato una lente con due vetri da orologio, lo spazio tra i quali era pieno d'acqua. Una “lenticchie” fatta in casa concentrava i raggi del sole su una manciata di muschio secco e la accendeva: questo modo relativamente semplice per ottenere alte temperature è noto fin dall’antichità. Nelle rovine dell'antica capitale Ninive in Mesopotamia furono ritrovate lenti primitive realizzate nel XII secolo a.C. Solo il fuoco "puro", ottenuto direttamente dai raggi del sole, avrebbe dovuto accendere il fuoco sacro nell'antico tempio romano di Vesta. È interessante notare che gli antichi ingegneri suggerirono un'altra idea per concentrare i raggi del sole - con l'aiuto di specchi . Il grande Archimede ci ha lasciato un trattato “Sugli specchi incendiari”. Al suo nome è legata una leggenda poetica raccontata dal poeta bizantino Tsetses: durante le guerre puniche, la città natale di Archimede, Siracusa, fu assediata dalle navi romane. Il comandante della flotta Marcello non aveva dubbi su una vittoria facile: dopo tutto, il suo esercito era molto più forte dei difensori della città. L'arrogante comandante navale non tenne conto di una cosa: un grande ingegnere entrò nella lotta contro i romani. Inventò formidabili macchine da combattimento, costruì armi da lancio che inondarono le navi romane con una grandine di pietre o perforarono il fondo con una trave pesante. Altre macchine utilizzavano gru uncinate per sollevare le navi dalla prua e farle schiantare contro le rocce costiere. E un giorno i romani furono stupiti nel vedere che il posto dei soldati sulle mura della città assediata era preso da donne con gli specchi in mano. Al comando di Archimede, diressero i raggi del sole su una nave, in un punto. Poco tempo dopo, sulla nave scoppiò un incendio. La stessa sorte toccò a molte altre navi degli attaccanti, finché non fuggirono confuse, fuori dalla portata della formidabile arma. Per molti secoli questa storia è stata considerata una bellissima finzione. Tuttavia, alcuni moderni ricercatori di storia della tecnologia hanno effettuato calcoli dai quali consegue che gli specchi incendiari di Archimede potrebbero, in linea di principio, esistere

Collettori solari

I nostri antenati usavano l’energia solare per scopi più prosaici. Nell'antica Grecia e nell'antica Roma, la maggior parte delle foreste veniva rapacemente abbattuta per la costruzione di edifici e navi. La legna veniva poco utilizzata per il riscaldamento. L'energia solare è stata utilizzata attivamente per riscaldare edifici residenziali e serre. Gli architetti hanno cercato di costruire le case in modo che in inverno ricevessero quanta più luce solare possibile. L’antico drammaturgo greco Eschilo scrisse che i popoli civilizzati differiscono dai barbari in quanto le loro case “sono rivolte verso il sole”. Lo scrittore romano Plinio il Giovane sottolineava che la sua casa, situata a nord di Roma, “raccoglieva e aumentava il calore del sole per il fatto che le sue finestre erano posizionate in modo da catturare i raggi del sole basso invernale”. l'antica città greca di Olinto mostrò che l'intera città e le sue case erano progettate secondo un unico piano e erano posizionate in modo tale che in inverno potessero catturare più raggi solari possibile, e in estate, al contrario, evitarli. I soggiorni erano necessariamente situati con finestre rivolte al sole e le case stesse avevano due piani: uno per l'estate, l'altro per l'inverno. A Olinto, come più tardi nell'antica Roma, era vietato posizionare le case in modo da proteggere dal sole le case dei vicini: una lezione di etica per gli odierni creatori di grattacieli!

L'apparente facilità di ottenere calore con la luce solare concentrata ha più volte suscitato un ottimismo ingiustificato. Poco più di cento anni fa, nel 1882, la rivista russa Tekhnik pubblicò una nota sull'uso dell'energia solare in una macchina a vapore: “Un insolatore è un motore a vapore la cui caldaia viene riscaldata con l'aiuto dei raggi solari raccolti a questo scopo da uno specchio riflettente appositamente progettato. Lo scienziato inglese John Tyndall usò specchi conici simili di diametro molto grande quando studiò il calore dei raggi lunari. Il professore francese A.-B. Mouchot approfittò dell'idea di Tyndall, applicandola ai raggi del sole, e ottenne calore sufficiente a generare vapore. L'invenzione, perfezionata dall'ingegner Pif, è stata portata a tale perfezione che il problema dell'utilizzo del calore solare può considerarsi finalmente risolto in senso positivo”. L'ottimismo degli ingegneri che costruirono l'“isolatore” si è rivelato ingiustificato. Gli scienziati dovevano ancora superare troppi ostacoli affinché lo sfruttamento energetico del calore solare diventasse realtà. Solo ora, più di cento anni dopo, ha iniziato a prendere forma una nuova disciplina scientifica, che affronta i problemi dell'uso energetico dell'energia solare: l'energia solare. E solo ora possiamo parlare dei primi veri successi in questo settore.Qual è la difficoltà? Prima di tutto, ecco il punto. Considerando l'enorme energia totale proveniente dal sole, ogni metro quadrato della superficie terrestre rappresenta molto poco: da 100 a 200 watt, a seconda delle coordinate geografiche. Durante le ore di sole tale potenza raggiunge i 400-900 W/m2 e quindi, per ottenere una potenza apprezzabile, è necessario prima raccogliere questo flusso da un'ampia superficie e poi concentrarlo. E, naturalmente, un grosso inconveniente è il fatto ovvio che puoi ricevere questa energia solo durante il giorno. Di notte devi utilizzare altre fonti di energia o accumulare in qualche modo l'energia solare.

Impianto di desalinizzazione solare

Puoi catturare l'energia del sole in diversi modi. Il primo modo è il più diretto e naturale: utilizzare il calore solare per riscaldare del liquido refrigerante. Quindi il liquido di raffreddamento riscaldato può essere utilizzato, ad esempio, per il riscaldamento o la fornitura di acqua calda (in questo caso non è necessaria una temperatura dell'acqua particolarmente elevata) o per produrre altri tipi di energia, principalmente elettrica. . Per realizzarlo avrete bisogno innanzitutto di una scatola ricoperta con normale vetro per finestre o materiale trasparente simile. Il vetro della finestra non interferisce con i raggi del sole, ma trattiene il calore che ha riscaldato la superficie interna della scatola. Questo è, in sostanza, l'effetto serra, il principio su cui sono costruite tutte le serre, serre, serre e giardini d'inverno L'energia solare “piccola” è molto promettente. Ci sono molti posti sulla terra dove il sole picchia senza pietà dal cielo, seccando il terreno e bruciando la vegetazione, trasformando l’area in un deserto. In linea di principio è possibile rendere tali terreni fertili e abitabili. Dobbiamo “solo” fornirgli acqua e costruire villaggi con case confortevoli. Tutto ciò richiederà, prima di tutto, molta energia. Ricevere questa energia dallo stesso sole appassito e distruttivo, trasformando il sole in un alleato umano, è un compito molto importante e interessante.

Nel nostro paese, tale lavoro è stato diretto dall'Istituto di energia solare dell'Accademia delle scienze della SSR turkmena, a capo dell'associazione scientifica e di produzione “Sun”. È assolutamente chiaro il motivo per cui questa istituzione dal nome che sembra uscito dalle pagine di un romanzo di fantascienza si trova proprio in Asia centrale: del resto ad Ashgabat, in un pomeriggio estivo, un flusso di energia solare cade su ogni piazza chilometro, la potenza equivalente ad una grande centrale elettrica! Innanzitutto, gli scienziati hanno indirizzato i loro sforzi per ottenere acqua utilizzando l'energia solare. C'è acqua nel deserto ed è relativamente facile trovarla: si trova poco profonda. Ma quest'acqua non può essere utilizzata: contiene troppi sali diversi disciolti, di solito è ancora più amara dell'acqua di mare. Per utilizzare l’acqua del sottosuolo del deserto per l’irrigazione e per bere, è necessario desalinizzarla. Se ciò è stato raggiunto, possiamo supporre che l'oasi artificiale sia pronta: qui puoi vivere in condizioni normali, pascolare le pecore, coltivare giardini, tutto l'anno - c'è abbastanza sole anche in inverno. Secondo gli scienziati, solo in Turkmenistan si potrebbero costruire settemila oasi di questo tipo. Tutta l'energia necessaria per loro sarà fornita dal Sole. Il principio di funzionamento di un impianto di desalinizzazione solare è molto semplice. Questa è una nave con acqua satura di sali, chiusa con un coperchio trasparente. L'acqua viene riscaldata dai raggi del sole, evapora gradualmente e il vapore si condensa sul coperchio del frigorifero. L'acqua purificata (i sali non sono evaporati!) scorre dal coperchio in un altro recipiente.

Costruzioni di questo tipo sono note da tempo. I più ricchi giacimenti di salnitro nelle regioni aride del Cile non furono quasi sviluppati nel secolo scorso a causa della mancanza di acqua potabile. Poi, nella località di Las Sali-nas, secondo questo principio è stato costruito un impianto di desalinizzazione con una superficie di 5mila metri quadrati, che in una giornata calda ha prodotto 20mila litri di acqua dolce.

Ma solo ora il lavoro sull'uso dell'energia solare per la desalinizzazione dell'acqua si è sviluppato su un ampio fronte. Per la prima volta al mondo, l’azienda agricola statale turkmena “Bakharden” ha lanciato un vero e proprio “approvvigionamento idrico solare”, che soddisfa il bisogno di acqua dolce delle persone e fornisce acqua per l’irrigazione delle terre aride. Milioni di litri di acqua desalinizzata ottenuti da impianti solari amplieranno notevolmente i confini dei pascoli delle aziende agricole statali.

Le persone spendono molta energia per il riscaldamento invernale delle case e degli edifici industriali e per la fornitura di acqua calda tutto l'anno. E qui il sole può venire in soccorso. Sono state sviluppate centrali solari in grado di fornire acqua calda agli allevamenti di bestiame. La trappola solare, sviluppata da scienziati armeni, ha un design molto semplice. Si tratta di una cella rettangolare di un metro e mezzo in cui, sotto uno speciale rivestimento che assorbe efficacemente il calore, è presente un radiatore a forma di onda costituito da un sistema di tubi. Basta collegare una tale trappola alla rete idrica ed esporla al sole, e in una giornata estiva ne usciranno fino a trenta litri di acqua riscaldata a 70-80 gradi all'ora. Il vantaggio di questo design è che le celle possono essere utilizzate per costruire una varietà di installazioni, come i cubi, aumentando notevolmente le prestazioni del riscaldatore solare. Gli esperti prevedono di convertire al riscaldamento solare una zona residenziale sperimentale di Yerevan. La nostra industria produce dispositivi per il riscaldamento dell'acqua (o dell'aria), chiamati collettori solari. Sono state create decine di impianti solari e sistemi di fornitura di acqua calda con una capacità fino a 100 tonnellate di acqua calda al giorno per fornire un'ampia varietà di strutture.

I riscaldatori solari sono installati su numerose case costruite in varie località del nostro Paese. Uno dei lati del tetto ripido, rivolto al sole, è costituito da riscaldatori solari, con l'aiuto dei quali la casa viene riscaldata e fornita di acqua calda. Si prevede di costruire interi villaggi costituiti da tali case, ma non solo nel nostro Paese si affronta il problema dell'utilizzo dell'energia solare. Innanzitutto, gli scienziati dei paesi dei tropici, dove ci sono molti giorni di sole all'anno, si sono interessati all'energia solare. In India, ad esempio, hanno sviluppato un intero programma per l'utilizzo dell'energia solare. A Madras è in funzione il primo impianto solare del paese. Nei laboratori degli scienziati indiani funzionano impianti sperimentali di desalinizzazione, essiccatoi per cereali e pompe per l'acqua. L’Università di Delhi ha costruito un’unità di refrigerazione solare in grado di raffreddare il cibo fino a 15 gradi sotto zero. Quindi il sole non solo può riscaldare, ma anche rinfrescare! Nella vicina Birmania, gli studenti dell'Istituto di tecnologia di Rangoon hanno costruito un fornello che utilizza il calore solare per cuocere i cibi, mentre anche in Cecoslovacchia, situata molto più a nord, sono attualmente in funzione 510 impianti di riscaldamento solare. L'area totale delle loro fogne operative è due volte più grande di un campo da calcio! I raggi del sole riscaldano asili nido e allevamenti di bestiame, piscine all'aperto e case individuali Nella città di Holguin, a Cuba, è entrato in funzione un originale impianto solare sviluppato da specialisti cubani. Si trova sul tetto di un ospedale pediatrico e fornisce acqua calda anche nei giorni in cui il sole è oscurato dalle nuvole. Secondo gli esperti, queste installazioni, già apparse in altre città cubane, consentiranno di risparmiare molto carburante e nella provincia algerina di M’sila è iniziata la costruzione di un “villaggio solare”. Gli abitanti di questo insediamento piuttosto grande riceveranno tutta la loro energia dal sole. Ogni edificio residenziale di questo villaggio sarà dotato di un collettore solare. Gruppi separati di collettori solari forniranno energia alle strutture industriali e agricole. Gli specialisti dell’Organizzazione Nazionale per la Ricerca Scientifica dell’Algeria e dell’Università delle Nazioni Unite, che hanno progettato questo villaggio, sono fiduciosi che diventerà il prototipo di migliaia di insediamenti simili nei paesi caldi.Il diritto di essere chiamato il primo insediamento solare è messo in discussione da un villaggio algerino vicino alla città australiana di White Cliffs, che divenne il luogo della costruzione dell'originale impianto di energia solare. Il principio dell'utilizzo dell'energia solare è qui speciale. Gli scienziati dell'Università Nazionale di Canberra hanno proposto di utilizzare il calore solare per decomporre l'ammoniaca in idrogeno e azoto. Se si permette a questi componenti di ricombinarsi, viene rilasciato calore, che può essere utilizzato per far funzionare una centrale elettrica allo stesso modo del calore prodotto dalla combustione di combustibile convenzionale. Questo metodo di utilizzo dell’energia è particolarmente interessante perché l’energia può essere immagazzinata per un uso futuro sotto forma di azoto e idrogeno non reagiti e utilizzata di notte o nei giorni tempestosi.

Installazione di eliostati nella centrale solare della Crimea

Il metodo chimico per generare elettricità dal sole è generalmente piuttosto allettante. Una volta utilizzata, l'energia solare può essere immagazzinata per un uso futuro, immagazzinata come qualsiasi altro combustibile. In uno dei centri di ricerca in Germania è stata creata un'installazione sperimentale che funziona secondo questo principio. Il componente principale di questa installazione è uno specchio parabolico del diametro di 1 metro che, utilizzando complessi sistemi di tracciamento, è costantemente diretto verso il sole. Al centro dello specchio, i raggi solari concentrati creano una temperatura di 800-1000 gradi. Questa temperatura è sufficiente per la decomposizione dell'anidride solforica in anidride solforosa e ossigeno, che vengono pompati in contenitori speciali. Se necessario, i componenti vengono immessi in un reattore di rigenerazione, dove, in presenza di uno speciale catalizzatore, da essi si forma l'anidride solforica originale. In questo caso, la temperatura sale a 500 gradi. Il calore può quindi essere utilizzato per trasformare l'acqua in vapore, che fa ruotare la turbina di un generatore elettrico. Gli scienziati dell'Istituto energetico G. M. Krzhizhanovsky stanno conducendo esperimenti proprio sul tetto del loro edificio nella non così soleggiata Mosca. Uno specchio parabolico, concentrando i raggi solari, riscalda a 700 gradi il gas posto in un cilindro metallico. Il gas caldo non solo può trasformare l'acqua in vapore in uno scambiatore di calore, che aziona un turbogeneratore. In presenza di uno speciale catalizzatore, lungo il percorso può essere convertito in monossido di carbonio e prodotti energetici di idrogeno che sono molto più favorevoli di quelli originali. Quando si riscalda l'acqua, questi gas non scompaiono, ma semplicemente si raffreddano. Possono bruciarsi e ricevere ulteriore energia, anche quando il sole è coperto dalle nuvole o di notte. Si stanno valutando progetti per utilizzare l'energia solare per accumulare idrogeno, presumibilmente il combustibile universale del futuro. Per fare questo si può utilizzare l’energia ottenuta dagli impianti solari situati nei deserti, cioè dove è difficile utilizzare l’energia localmente.

Ci sono anche modi abbastanza insoliti. La luce solare stessa può dividere una molecola d'acqua se è presente il giusto catalizzatore. Ancora più esotici sono i progetti esistenti per la produzione di idrogeno su larga scala utilizzando batteri! Il processo segue lo schema della fotosintesi: la luce solare viene assorbita, ad esempio, dalle alghe blu-verdi, che crescono abbastanza rapidamente. Queste alghe possono servire da cibo per alcuni batteri, che durante la loro vita rilasciano idrogeno dall'acqua. Studi condotti da scienziati sovietici e giapponesi su diversi tipi di batteri hanno dimostrato che, in linea di principio, tutta l’energia di una città con un milione di abitanti può essere fornita dall’idrogeno rilasciato da batteri che si nutrono di alghe blu-verdi in una piantagione con un’area di solo 17,5 chilometri quadrati. Secondo i calcoli degli specialisti dell'Università statale di Mosca, un bacino idrico delle dimensioni del Lago d'Aral può fornire energia a quasi tutto il nostro Paese. Naturalmente tali progetti sono ancora lontani dall’essere attuati. Questa idea ingegnosa, anche nel 21° secolo, richiederà la risoluzione di molti problemi scientifici e ingegneristici per la sua attuazione. Usare esseri viventi invece di enormi macchine per generare energia è un'idea su cui vale la pena scervellarsi.

I progetti di centrali elettriche, dove una turbina farà ruotare il vapore ottenuto dall'acqua riscaldata dai raggi del sole, sono ora in fase di sviluppo in diversi paesi. Nell'URSS, una centrale solare sperimentale di questo tipo è stata costruita sulla soleggiata costa della Crimea, vicino a Kerch. La posizione della stazione non è stata scelta a caso: in questa zona il sole splende quasi duemila ore all'anno. Inoltre, è anche importante che i terreni qui siano salini, non adatti all'agricoltura, e la stazione occupa un'area abbastanza vasta.

La stazione è una struttura insolita e imponente. Una caldaia solare per il generatore di vapore è installata su un'enorme torre, alta più di ottanta metri. E intorno alla torre, su una vasta area con un raggio di oltre mezzo chilometro, si trovano eliostati in cerchi concentrici - strutture complesse, il cuore di ciascuna delle quali è un enorme specchio con una superficie di oltre 25 metri quadrati . I progettisti della stazione hanno dovuto risolvere un problema molto difficile: dopo tutto, tutti gli eliostati (e ce ne sono molti - 1600!) dovevano essere posizionati in modo tale che, indipendentemente dalla posizione del sole nel cielo, nessuno di essi essere in ombra, e il raggio di sole proiettato da ciascuno di essi cadrebbe esattamente in cima alla torre, dove si trova la caldaia a vapore (ecco perché la torre è così alta). Ogni eliostato è dotato di uno speciale dispositivo per la rotazione dello specchio. Gli specchi devono muoversi continuamente seguendo il sole - dopotutto, si muove continuamente, il che significa che il coniglio può muoversi e non colpire la parete della caldaia, e ciò influenzerà immediatamente il funzionamento della stazione. A complicare ulteriormente il lavoro della stazione è il fatto che le traiettorie degli eliostati cambiano ogni giorno: la Terra si muove in orbita e il Sole cambia leggermente il suo percorso attraverso il cielo ogni giorno. Pertanto, il controllo del movimento degli eliostati è affidato a un computer elettronico: solo la sua memoria infinita è in grado di accogliere le traiettorie di movimento precalcolate di tutti gli specchi.

Costruzione di una centrale solare

Sotto l'influenza del calore solare concentrato dagli eliostati, l'acqua nel generatore di vapore viene riscaldata ad una temperatura di 250 gradi e si trasforma in vapore ad alta pressione. Il vapore fa ruotare la turbina, che fa girare il generatore elettrico, e un nuovo flusso di energia generata dal sole fluisce nel sistema energetico della Crimea. La produzione di energia non si fermerà se il sole sarà coperto dalle nuvole, anche di notte. In soccorso verranno gli accumulatori termici installati ai piedi della torre. L'acqua calda in eccesso nelle giornate soleggiate viene inviata a speciali impianti di stoccaggio e verrà utilizzata quando non c'è il sole.

La potenza di questa centrale sperimentale è relativamente

piccolo: solo 5mila kilowatt. Ma ricordiamocelo: questa era proprio la potenza della prima centrale nucleare, l'antenata della potente industria dell'energia nucleare. E la produzione di energia non è affatto il compito più importante della prima centrale solare: si chiama sperimentale perché con il suo aiuto gli scienziati dovranno trovare soluzioni a problemi molto complessi nel funzionamento di tali centrali. E sorgono molti di questi problemi. Come si possono, ad esempio, proteggere gli specchi dalla contaminazione? Dopotutto, la polvere si deposita su di essi, rimangono strisce di pioggia e questo ridurrà immediatamente la potenza della stazione. Si è scoperto addirittura che non tutta l'acqua è adatta per lavare gli specchi. È stato necessario inventare una speciale unità di lavaggio che monitori la pulizia degli eliostati. Nella stazione sperimentale sostengono un esame sulle prestazioni del dispositivo per la concentrazione dei raggi solari, la loro attrezzatura più complessa. Ma il viaggio più lungo inizia con il primo passo. Questo passo verso la generazione di quantità significative di elettricità utilizzando il sole sarà reso possibile dalla centrale solare sperimentale della Crimea.

Gli specialisti sovietici si stanno preparando a fare il passo successivo. È stata progettata la centrale solare più grande del mondo con una capacità di 320mila kilowatt. Il luogo è stato scelto in Uzbekistan, nella steppa di Karshi, vicino alla giovane città vergine di Talimarjan. In questa regione il sole splende non meno generosamente che in Crimea. Secondo il principio di funzionamento, questa stazione non è diversa da quella della Crimea, ma tutte le sue strutture sono molto più grandi. La caldaia sarà posizionata a duecento metri di altezza e attorno alla torre si estenderà per molti ettari un campo eliostatico. Specchi lucenti (72mila!), obbedendo ai segnali del computer, concentreranno i raggi del sole sulla superficie della caldaia, il vapore surriscaldato farà girare la turbina, il generatore produrrà una corrente di 320mila kilowatt - questa è già molta potenza, e il maltempo prolungato, che impedisce la produzione di energia in una centrale solare, può avere un impatto significativo sui consumatori. Pertanto, il progetto della stazione prevede anche una caldaia a vapore convenzionale che utilizza gas naturale. Se il tempo nuvoloso dura a lungo, il vapore verrà fornito alla turbina da un'altra caldaia convenzionale.

Centrali solari dello stesso tipo vengono sviluppate in altri paesi. Negli Stati Uniti, nella soleggiata California, è stata costruita la prima centrale elettrica a torre, Solar-1, con una capacità di 10mila kilowatt. Ai piedi dei Pirenei, specialisti francesi stanno conducendo ricerche presso la stazione Themis con una capacità di 2,5 mila kilowatt. La stazione GAST con una capacità di 20mila kilowatt è stata progettata da scienziati della Germania occidentale.

Finora l'energia elettrica generata dai raggi del sole è molto più costosa di quella ottenuta con i metodi tradizionali. Gli scienziati sperano che gli esperimenti che condurranno nelle installazioni e nelle stazioni pilota aiuteranno a risolvere non solo problemi tecnici, ma anche economici.

Secondo i calcoli, il sole dovrebbe aiutare a risolvere non solo i problemi energetici, ma anche i compiti che la nostra era atomica e spaziale ha assegnato agli specialisti. Per costruire potenti astronavi, enormi installazioni nucleari e creare macchine elettroniche che eseguono centinaia di milioni di operazioni al secondo, abbiamo bisogno di nuove tecnologie.

materiali: super refrattari, super resistenti, super puliti. È molto difficile ottenerli. I metodi metallurgici tradizionali non sono adatti a questo. Anche le tecnologie più sofisticate, come la fusione con fasci di elettroni o correnti ad altissima frequenza, non sono adatte. Ma il puro calore solare può essere un assistente affidabile in questo caso. Quando vengono testati, alcuni eliostati perforano facilmente uno spesso foglio di alluminio con i loro raggi solari. E se installassimo diverse dozzine di eliostati di questo tipo? E poi inviare i raggi da essi sullo specchio concavo del concentratore? Il raggio di sole di uno specchio del genere può fondere non solo l'alluminio, ma anche quasi tutti i materiali conosciuti. Uno speciale forno fusorio, dove il concentratore trasferirà tutta l'energia solare raccolta, brillerà più luminoso di mille soli.

La vita di una persona moderna è semplicemente impensabile senza energia. Un'interruzione di corrente sembra una catastrofe; una persona non può più immaginare la vita senza mezzi di trasporto e cucinare, ad esempio, sul fuoco invece che su un comodo fornello a gas o elettrico è già un hobby.

Utilizziamo ancora combustibili fossili (petrolio, gas, carbone) per produrre energia. Ma le loro riserve sul nostro pianeta sono limitate e non verrà il giorno, né oggi né domani, in cui finiranno. Cosa fare? La risposta esiste già: cercare altre fonti di energia, non tradizionali, alternative, la cui fornitura è semplicemente inesauribile.

Tali fonti energetiche alternative includono il sole e il vento.

Utilizzo dell'energia solare

Sole- il fornitore di energia più potente. Usiamo qualcosa a causa delle nostre caratteristiche fisiologiche. Ma milioni, miliardi di kilowatt vengono sprecati e scompaiono quando cala l’oscurità. Ogni secondo il Sole dona alla Terra 80mila miliardi di kilowatt. Si tratta di molte volte di più di quanto producono tutte le centrali elettriche del mondo.

Immagina solo quali benefici porterà l'uso dell'energia solare all'umanità:

. Infinito nel tempo. Gli scienziati prevedono che il Sole non si spegnerà per diversi miliardi di anni. E questo significa che ce ne sarà abbastanza per la nostra vita e per i nostri lontani discendenti.

. Geografia. Non ci sono posti sul nostro pianeta dove il sole non splende. Da qualche parte è più luminoso, da qualche parte è più fioco, ma il Sole è ovunque. Ciò significa che non ci sarà bisogno di avvolgere la Terra in una rete infinita di cavi, cercando di fornire elettricità agli angoli più remoti del pianeta.

. Quantità. C'è abbastanza energia solare per tutti. Anche se qualcuno iniziasse a immagazzinare tale energia in misura incommensurabile per un uso futuro, ciò non cambierebbe nulla. Abbastanza per caricare le batterie e prendere il sole in spiaggia.

. Beneficio economico. Non avrai più bisogno di spendere soldi per acquistare legna da ardere, carbone o benzina. La luce solare gratuita sarà responsabile del funzionamento dell'approvvigionamento idrico e dell'auto, dell'aria condizionata e della TV, del frigorifero e del computer.

. Benefico per l'ambiente. La deforestazione totale diventerà un ricordo del passato, non sarà più necessario riscaldare forni, costruire nuove centrali “Chernobyl” e “Fukushima”, bruciare olio combustibile e petrolio. Perché impegnarsi così tanto per distruggere la natura quando c'è una fonte di energia meravigliosa e inesauribile nel cielo: il sole.

Fortunatamente questi non sono sogni. Gli scienziati stimano che entro il 2020 il 15% dell’elettricità in Europa sarà fornita dalla luce solare. E questo è solo l'inizio.

Dove viene utilizzata l’energia solare?

. Pannelli solari. Le batterie installate sul tetto di una casa non sorprendono più nessuno. Assorbendo l'energia del sole, la convertono in elettricità. In California, ad esempio, qualsiasi progetto di nuova casa richiede l’uso di un pannello solare. E in Olanda, la città di Herhugoward è chiamata la “città del sole” perché tutte le case qui sono dotate di pannelli solari.

. Trasporto.

Già adesso, durante il volo autonomo, tutti i veicoli spaziali si riforniscono di elettricità proveniente dall'energia solare.

Auto a energia solare. Il primo modello di un'auto del genere fu presentato nel 1955. E già nel 2006, la società francese Venturi ha lanciato la produzione in serie di auto “solari”. Le sue caratteristiche sono ancora modeste: solo 110 chilometri di percorrenza autonoma e una velocità non superiore a 120 km/h. Ma quasi tutti i leader mondiali dell'industria automobilistica stanno sviluppando le proprie versioni di auto rispettose dell'ambiente.

. Centrali solari.

. Gadget. Esistono già caricabatterie per molti dispositivi che funzionano con il sole.

Tipi di energia solare (centrali solari)

Attualmente sono stati sviluppati diversi tipi di impianti di energia solare (SPP):

. Torre. Il principio di funzionamento è semplice. Un enorme specchio (eliostato) ruota dietro al sole e dirige i raggi del sole verso un dissipatore di calore pieno d'acqua. Quindi tutto avviene come in una centrale termoelettrica convenzionale: l'acqua bolle e si trasforma in vapore. Il vapore fa girare una turbina, che alimenta un generatore. Quest'ultimo genera elettricità.

. A forma di disco. Il principio di funzionamento è simile a quelli a torre. La differenza sta nel design stesso. In primo luogo, non viene utilizzato uno specchio, ma diversi rotondi che sembrano enormi piatti. Gli specchi sono installati radialmente attorno al ricevitore.

Ogni piastra SES può avere più moduli simili contemporaneamente.

. Fotovoltaico(utilizzando batterie fotografiche).

. SES con concentratore cilindrico parabolico. Un enorme specchio a forma di cilindro, dove al fuoco della parabola è installato un tubo con liquido di raffreddamento (molto spesso viene utilizzato olio). L'olio si riscalda alla temperatura desiderata e trasferisce il calore all'acqua.

. Vuoto solare. Il terreno è coperto da tettoia in vetro. L'aria e il terreno sottostante si riscaldano di più. Una speciale turbina convoglia l'aria calda verso una torre ricevente, vicino alla quale è installato un generatore elettrico. L'elettricità viene generata a causa delle differenze di temperatura.

Utilizzo dell'energia eolica

Un altro tipo di fonte di energia alternativa e rinnovabile è il vento. Più forte è il vento, maggiore è l’energia cinetica che produce. E l'energia cinetica può sempre essere convertita in energia meccanica o elettrica.

L'energia meccanica generata dal vento è stata utilizzata per molto tempo. Ad esempio, quando si macina il grano (famosi mulini a vento) o si pompa acqua.

Viene utilizzata anche l’energia eolica:

Nelle turbine eoliche che generano elettricità. Le lame caricano la batteria, da cui viene fornita corrente ai convertitori. Qui la corrente continua viene convertita in corrente alternata.

Trasporto. Esiste già un’auto che funziona con l’energia eolica. Una speciale installazione eolica (aquilone) consente alle navi d'acqua di muoversi.

Tipologie di energia eolica (impianti eolici)

. Terra- il tipo più comune. Tali parchi eolici sono installati su colline o colline.

. Al largo. Sono costruiti in acque poco profonde, a notevole distanza dalla costa. L'elettricità viene fornita alla terra tramite cavi sottomarini.

. Costiero- installato a una certa distanza dal mare o dall'oceano. I parchi eolici costieri sfruttano la forza delle brezze.

. Galleggiante. La prima turbina eolica galleggiante è stata installata nel 2008 al largo delle coste italiane. I generatori sono installati su piattaforme speciali.

. Parchi eolici in ascesa posti in quota su appositi cuscini realizzati con materiali non infiammabili e riempiti di elio. L'elettricità viene fornita a terra tramite corde.

Prospettive e sviluppo

I piani più seri a lungo termine per l'utilizzo dell'energia solare sono quelli stabiliti dalla Cina, che entro il 2020 prevede di diventare leader mondiale in questo campo. I paesi della CEE stanno sviluppando un concetto che consentirà di ottenere fino al 20% dell'elettricità da fonti alternative. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti fissa una cifra più bassa, fino al 14% entro il 2035. Ci sono SES anche in Russia. Uno dei più potenti è installato a Kislovodsk.

Per quanto riguarda l'utilizzo dell'energia eolica, ecco alcuni dati. La European Wind Energy Association ha pubblicato dati che mostrano che gli impianti eolici forniscono elettricità a molti paesi in tutto il mondo. Così, in Danimarca, il 20% dell'elettricità consumata viene ottenuta attraverso tali impianti, in Portogallo e Spagna - 11%, in Irlanda - 9%, in Germania - 7%.

Attualmente i parchi eolici sono installati in più di 50 paesi in tutto il mondo e la loro capacità cresce di anno in anno.

Ministero dell'Istruzione della Repubblica di Bielorussia

Istituto d'Istruzione

"Università pedagogica statale bielorussa intitolata a Maxim Tank"

Dipartimento di Fisica Generale e Teorica

Corsi di fisica generale

Energia solare e prospettive del suo utilizzo

Studenti del gruppo 321

Facoltà di Fisica

Leshkevich Svetlana Valerievna

Consulente scientifico:

Fedorkov Cheslav Mikhailovich

Minsk, 2009

introduzione

1. Informazioni generali sul sole

2. Il sole è una fonte di energia

2.1 Ricerca sull'energia solare

2.2 Potenziale dell'energia solare

3. Utilizzo dell'energia solare

3.1 Utilizzo passivo dell'energia solare

3.2 Uso attivo dell'energia solare

3.2.1 Collettori solari e loro tipologie

3.2.2 Sistemi solari

3.2.3 Centrali solari termiche

3.3 Impianti fotovoltaici

4. Architettura solare

Conclusione

Elenco delle fonti utilizzate

introduzione

Il sole gioca un ruolo eccezionale nella vita della Terra. L'intero mondo organico del nostro pianeta deve la sua esistenza al Sole. Il sole non è solo una fonte di luce e calore, ma anche la fonte originaria di molti altri tipi di energia (petrolio, carbone, acqua, vento).

Dal momento in cui l'uomo è apparso sulla terra, ha iniziato a utilizzare l'energia del sole. Secondo i dati archeologici, è noto che per l'edilizia abitativa si preferivano luoghi tranquilli, riparati dai venti freddi e aperti alla luce solare.

Forse il primo eliosistema conosciuto può essere considerato la statua di Amenhotep III, risalente al XV secolo a.C. All'interno della statua era presente un sistema di camere d'aria e d'acqua, che, sotto i raggi del sole, mettevano in movimento uno strumento musicale nascosto. Nell'antica Grecia veniva adorato Helios. Il nome di questo dio oggi costituisce la base di molti termini associati all'energia solare.

Il problema dell'approvvigionamento di energia elettrica in molti settori dell'economia mondiale e il fabbisogno in costante crescita della popolazione terrestre stanno diventando sempre più urgenti.

1. Informazioni generali sul Sole

Il Sole è il corpo centrale del Sistema Solare, una palla di plasma caldo, una tipica stella nana della classe spettrale G2.

Caratteristiche del sole

1. Massa MS ~2*1023 kg

2. RS ~629mila km

3. V= 1,41*1027 m3, ovvero quasi 1300mila volte il volume della Terra,

4. densità media 1,41*103 kg/m3,

5. luminosità LS = 3,86*1023 kW,

6. temperatura superficiale effettiva (fotosfera) 5780 K,

7. Il periodo di rotazione (sinodico) varia da 27 giorni all'equatore a 32 giorni. ai poli,

8. accelerazione di gravità 274 m/s2 (con un'accelerazione di gravità così grande, una persona di 60 kg peserebbe più di 1,5 tonnellate).

Struttura del sole

Nella parte centrale del Sole c'è una fonte della sua energia, o, in linguaggio figurato, quella “stufa” che lo riscalda e non gli permette di raffreddarsi. Quest'area è chiamata nucleo (vedi Fig. 1). Nel nucleo, dove la temperatura raggiunge i 15 MK, viene rilasciata energia. Il nucleo ha un raggio non superiore a un quarto del raggio totale del Sole. Tuttavia, metà della massa solare è concentrata nel suo volume e quasi tutta l'energia che sostiene la luminosità del Sole viene rilasciata.

Immediatamente attorno al nucleo inizia una zona di trasferimento di energia radiativa, dove questa si diffonde attraverso l'assorbimento e l'emissione di porzioni di luce - quanti - da parte della sostanza. Ci vuole molto tempo perché un quanto penetri attraverso la densa materia solare verso l'esterno. Quindi, se la “stufa” all’interno del Sole si spegnesse improvvisamente, lo sapremmo solo milioni di anni dopo.

Riso. 1 Struttura del sole

Nel suo percorso attraverso gli strati solari interni, il flusso energetico incontra una regione dove l'opacità del gas aumenta notevolmente. Questa è la zona convettiva del Sole. Qui l'energia viene trasferita non per irraggiamento, ma per convezione. La zona convettiva inizia a circa 0,7 di raggio dal centro e si estende quasi fino alla superficie più visibile del Sole (fotosfera), dove il trasferimento del flusso energetico principale diventa nuovamente radiante.

La fotosfera è la superficie radiante del Sole, che ha una struttura granulosa chiamata granulazione. Ciascuno di questi “granelli” ha quasi le dimensioni della Germania e rappresenta un flusso di sostanza calda che è salita in superficie. Nella fotosfera si possono spesso vedere aree scure relativamente piccole: le macchie solari. Sono 1500°C più freddi della fotosfera circostante, la cui temperatura raggiunge i 5800°C. A causa della differenza di temperatura con la fotosfera, queste macchie appaiono completamente nere se osservate al telescopio. Sopra la fotosfera si trova lo strato successivo, più rarefatto, chiamato cromosfera, cioè la “sfera colorata”. La cromosfera ha ricevuto questo nome per il suo colore rosso. E infine, sopra di essa c'è una parte molto calda, ma anche estremamente rarefatta dell'atmosfera solare: la corona.

2. Il sole è una fonte di energia

Il nostro Sole è un'enorme sfera luminosa di gas, all'interno della quale avvengono processi complessi e, di conseguenza, l'energia viene continuamente rilasciata. L’energia del Sole è la fonte della vita sul nostro pianeta. Il sole riscalda l'atmosfera e la superficie della Terra. Grazie all'energia solare, soffiano i venti, in natura avviene il ciclo dell'acqua, i mari e gli oceani si riscaldano, le piante si sviluppano e gli animali si nutrono. È grazie alla radiazione solare che i combustibili fossili esistono sulla Terra. L'energia solare può essere convertita in calore o freddo, forza motrice ed elettricità.

Il sole fa evaporare l'acqua dagli oceani, dai mari e dalla superficie terrestre. Trasforma questa umidità in goccioline d'acqua, formando nuvole e nebbie, e poi la fa ricadere sulla Terra sotto forma di pioggia, neve, rugiada o gelo, creando così un gigantesco ciclo di umidità nell'atmosfera.

L'energia solare è la fonte della circolazione generale dell'atmosfera e della circolazione dell'acqua negli oceani. Sembra creare un gigantesco sistema di riscaldamento dell’acqua e dell’aria del nostro pianeta, ridistribuendo il calore sulla superficie terrestre.

La luce solare, cadendo sulle piante, provoca il processo di fotosintesi, determina la crescita e lo sviluppo delle piante; scendendo sul suolo, si trasforma in calore, lo riscalda, forma il clima del suolo, donando così vitalità ai semi delle piante, ai microrganismi e agli esseri viventi che lo abitano, che senza questo calore si troverebbero in uno stato di anabiosi (letargo).

Il sole emette un'enorme quantità di energia: circa 1,1x1020 kWh al secondo. Un kilowattora è la quantità di energia necessaria per far funzionare una lampadina a incandescenza da 100 watt per 10 ore. L'atmosfera esterna della Terra intercetta circa un milionesimo dell'energia emessa dal Sole, ovvero circa 1.500 quadrilioni (1,5 x 1018) kWh all'anno. Tuttavia, solo il 47% di tutta l’energia, ovvero circa 700 quadrilioni (7 x 1017) kWh, raggiunge la superficie terrestre. Il restante 30% dell'energia solare viene riflessa nello spazio, circa il 23% fa evaporare l'acqua, l'1% dell'energia proviene dalle onde e dalle correnti e lo 0,01% dal processo di fotosintesi in natura.

2.1 Ricerca sull'energia solare

Perché il Sole splende e non si raffredda per miliardi di anni? Quale “carburante” gli dà energia? Gli scienziati hanno cercato risposte a questa domanda per secoli e solo all'inizio del XX secolo è stata trovata la soluzione corretta. È ormai noto che, come altre stelle, brilla a causa delle reazioni termonucleari che avvengono nelle sue profondità.

Se i nuclei degli atomi di elementi leggeri si fondono nel nucleo di un atomo di un elemento più pesante, la massa del nuovo sarà inferiore alla massa totale di quelli da cui si è formato. Il resto della massa viene convertito in energia, che viene portata via dalle particelle rilasciate durante la reazione. Questa energia viene quasi completamente convertita in calore. Questa reazione di fusione dei nuclei atomici può avvenire solo a pressioni molto elevate e temperature superiori a 10 milioni di gradi. Ecco perché si chiama termonucleare.

La sostanza principale che costituisce il Sole è l'idrogeno, che rappresenta circa il 71% della massa totale della stella. Quasi il 27% appartiene all'elio e il restante 2% proviene da elementi più pesanti come carbonio, azoto, ossigeno e metalli. Il principale “carburante” del Sole è l’idrogeno. Da quattro atomi di idrogeno, come risultato di una catena di trasformazioni, si forma un atomo di elio. E da ogni grammo di idrogeno che partecipa alla reazione si liberano 6x1011 J di energia! Sulla Terra, questa quantità di energia sarebbe sufficiente a riscaldare 1000 m3 di acqua da una temperatura di 0º C al punto di ebollizione.

2.2 Potenziale dell'energia solare

Il sole ci fornisce 10.000 volte più energia gratuita di quella effettivamente utilizzata in tutto il mondo. Poco meno di 85 trilioni (8,5 x 1013) kWh di energia all’anno vengono acquistati e venduti solo nel mercato commerciale globale. Poiché è impossibile monitorare l’intero processo, è impossibile dire con certezza quanta energia non commerciale consumiamo (ad esempio, quanta legna e fertilizzanti vengono raccolti e bruciati, quanta acqua viene utilizzata per produrre energia meccanica o elettrica) ). Alcuni esperti stimano che tale energia non commerciale rappresenti un quinto di tutta l’energia utilizzata. Ma anche se così fosse, l'energia totale consumata dall'umanità durante l'anno sarebbe solo circa un settemillesimo dell'energia solare che colpisce la superficie terrestre nello stesso periodo.

Nei paesi sviluppati, come gli Stati Uniti, il consumo energetico è di circa 25 trilioni (2,5 x 1013) kWh all’anno, che corrispondono a più di 260 kWh pro capite al giorno. Questa cifra equivale a far funzionare più di cento lampadine a incandescenza da 100 W per un'intera giornata ogni giorno. Il cittadino americano medio consuma 33 volte più energia di un indiano, 13 volte più di un cinese, due volte e mezzo più di un giapponese e il doppio di uno svedese.

3. Utilizzo dell'energia solare

La radiazione solare può essere convertita in energia utile utilizzando i cosiddetti sistemi solari attivi e passivi. I sistemi passivi si ottengono progettando edifici e selezionando materiali da costruzione per sfruttare al massimo l'energia solare. I sistemi solari attivi includono collettori solari. Attualmente sono in fase di sviluppo anche impianti fotovoltaici: si tratta di sistemi che convertono la radiazione solare direttamente in elettricità.

L'energia solare viene anche convertita indirettamente in energia utile attraverso la trasformazione in altre forme di energia, come la biomassa, l'energia eolica o l'energia idrica. L’energia del Sole “controlla” il tempo sulla Terra. Gran parte della radiazione solare viene assorbita dagli oceani e dai mari, l’acqua in cui si riscalda, evapora e cade al suolo sotto forma di pioggia, “alimentando” le centrali idroelettriche. Il vento richiesto dalle turbine eoliche viene generato a causa del riscaldamento non uniforme dell'aria. Un'altra categoria di fonti energetiche rinnovabili derivanti dall'energia solare è la biomassa. Le piante verdi assorbono la luce solare e, come risultato della fotosintesi, in esse si formano sostanze organiche, dalle quali è possibile successivamente ottenere energia termica ed elettrica. Pertanto, l’energia eolica, idrica e da biomassa sono derivati ​​dell’energia solare.

L’energia è il motore trainante di qualsiasi produzione. Il fatto che le persone abbiano a disposizione una grande quantità di energia relativamente a buon mercato ha contribuito notevolmente all’industrializzazione e allo sviluppo della società.

3.1 Utilizzo passivo dell'energia solare

centrale termoelettrica ad energia solare

Gli edifici solari passivi sono quelli progettati per tenere nella massima considerazione le condizioni climatiche locali e dove vengono utilizzati tecnologie e materiali adeguati per riscaldare, raffreddare e illuminare l'edificio utilizzando l'energia solare. Questi includono tecniche e materiali di costruzione tradizionali come isolamento, pavimenti solidi e finestre esposte a sud. In alcuni casi tali alloggi possono essere costruiti senza costi aggiuntivi. In altri casi, i costi aggiuntivi sostenuti durante la costruzione possono essere compensati da una riduzione dei costi energetici. Gli edifici solari passivi sono rispettosi dell’ambiente e contribuiscono all’indipendenza energetica e ad un futuro energeticamente sostenibile.

In un sistema solare passivo, la struttura stessa dell’edificio funge da collettore della radiazione solare. Questa definizione corrisponde alla maggior parte dei sistemi più semplici in cui il calore viene immagazzinato in un edificio grazie alle sue pareti, soffitti o pavimenti. Esistono anche sistemi che prevedono particolari elementi per l'immagazzinamento del calore, integrati nella struttura dell'edificio (ad esempio scatole con pietre o vasche o bottiglie riempite d'acqua). Tali sistemi sono anche classificati come solari passivi.

3.2 Uso attivo dell'energia solare

L'uso attivo dell'energia solare viene effettuato utilizzando collettori solari e sistemi solari.

3.2.1 Collettori solari e loro tipologie

Molti sistemi di energia solare si basano sull’utilizzo di collettori solari. Il collettore assorbe l'energia luminosa del sole e la converte in calore, che viene trasferito a un liquido di raffreddamento (liquido o aria) e quindi utilizzato per riscaldare edifici, riscaldare l'acqua, generare elettricità, essiccare prodotti agricoli o cuocere alimenti. I collettori solari possono essere utilizzati in quasi tutti i processi che utilizzano il calore.

La tecnologia per la produzione di collettori solari raggiunse livelli quasi moderni nel 1908, quando William Bailey dell'americana Carnegie Steel Company inventò un collettore con corpo termicamente isolato e tubi di rame. Questo collettore era molto simile ad un moderno sistema a termosifone. Alla fine della prima guerra mondiale, Bailey aveva venduto 4.000 di questi collettori e l'uomo d'affari della Florida che acquistò da lui il brevetto ne aveva venduti quasi 60.000 nel 1941.

Un tipico collettore solare immagazzina l’energia solare in moduli montati sul tetto di tubi e piastre metalliche, verniciati di nero per massimizzare l’assorbimento della radiazione. Sono racchiusi in un involucro di vetro o plastica e inclinati verso sud per catturare la massima luce solare. Pertanto, il collettore è una serra in miniatura che accumula calore sotto un pannello di vetro. Poiché la radiazione solare è distribuita su tutta la superficie, il collettore deve avere una superficie ampia.

Esistono collettori solari di varie dimensioni e design a seconda della loro applicazione. Possono fornire alle famiglie acqua calda per il bucato, il bagno e la cucina, oppure essere utilizzati per preriscaldare l’acqua per gli scaldacqua esistenti. Attualmente il mercato offre molti modelli diversi di collezionisti.

Collettore integrato

Il tipo più semplice di collettore solare è il “collettore capacitivo” o “a termosifone”, che ha ricevuto questo nome perché il collettore è anche un serbatoio di accumulo del calore in cui viene riscaldata e immagazzinata una parte “usa e getta” dell'acqua. Tali collettori vengono utilizzati per preriscaldare l'acqua, che viene poi riscaldata alla temperatura desiderata negli impianti tradizionali, ad esempio nei geyser. In condizioni domestiche, l'acqua preriscaldata scorre in un serbatoio di stoccaggio. Ciò riduce il consumo energetico per il successivo riscaldamento. Questo collettore è un'alternativa a basso costo a un sistema attivo di riscaldamento solare dell'acqua che non utilizza parti mobili (pompe), richiede una manutenzione minima e ha costi operativi pari a zero.

Collettori piani

I collettori piani sono il tipo più comune di collettori solari utilizzati nei sistemi di riscaldamento e riscaldamento dell'acqua domestica. Tipicamente, questo collettore è una scatola metallica isolata termicamente con un coperchio in vetro o plastica, in cui è posizionata una piastra assorbente verniciata di nero. La verniciatura può essere trasparente o opaca. I collettori piani utilizzano tipicamente vetro smerigliato, solo luce con un basso contenuto di ferro (permette il passaggio di una parte significativa della luce solare che entra nel collettore). La luce solare colpisce la piastra che riceve il calore e, grazie alla verniciatura, la perdita di calore è ridotta. Il fondo e le pareti laterali del collettore sono rivestite con materiale termoisolante, che riduce ulteriormente le perdite di calore.

I collettori piani si dividono in liquidi ed aria. Entrambi i tipi di collettori sono smaltati o non smaltati.

Collettori solari tubolari evacuati

I tradizionali e semplici collettori solari a piastre piane sono stati progettati per l’uso in regioni con climi caldi e soleggiati. Perdono bruscamente la loro efficienza nelle giornate sfavorevoli, con tempo freddo, nuvoloso e ventoso. Inoltre, la condensa e l'umidità causate dalle condizioni meteorologiche portano all'usura prematura dei materiali interni e questo, a sua volta, porta al deterioramento delle prestazioni del sistema e al suo guasto. Questi inconvenienti vengono eliminati utilizzando collettori sottovuoto.

I collettori sottovuoto riscaldano l'acqua per uso domestico dove è necessaria acqua a temperatura più elevata. La radiazione solare attraversa il tubo di vetro esterno, colpisce il tubo assorbitore e si trasforma in calore. Viene trasmesso al fluido che scorre attraverso il tubo. Il collettore è costituito da diverse file di tubi di vetro paralleli, ciascuno dei quali è fissato ad un assorbitore tubolare (invece di una piastra assorbente nei collettori piani) con un rivestimento selettivo. Il liquido riscaldato circola attraverso lo scambiatore di calore e cede calore all'acqua contenuta nel serbatoio di accumulo.

Il vuoto nel tubo di vetro, il miglior isolamento termico possibile per il collettore, riduce la perdita di calore e protegge l'assorbitore e il tubo termico da influssi esterni avversi. Il risultato sono prestazioni eccellenti, superiori a qualsiasi altro tipo di collettore solare.

Concentrarsi sui collezionisti

I collettori focalizzanti (concentratori) utilizzano superfici a specchio per concentrare l'energia solare su un assorbitore, chiamato anche dissipatore di calore. La temperatura che raggiungono è notevolmente più elevata rispetto ai collettori piani, ma possono concentrare solo la radiazione solare diretta, il che porta a scarse prestazioni in caso di tempo nebbioso o nuvoloso. La superficie dello specchio concentra la luce solare riflessa da un'ampia superficie su una superficie assorbente più piccola, raggiungendo così una temperatura elevata. Alcuni modelli concentrano la radiazione solare in un punto focale, mentre altri concentrano i raggi solari lungo una sottile linea focale. Il ricevitore si trova nel punto focale o lungo la linea focale. Il fluido refrigerante passa attraverso il ricevitore e assorbe calore. Tali collettori concentratori sono più adatti per le regioni con elevata insolazione, vicino all'equatore e nelle aree desertiche.

Esistono altri collettori solari economici e tecnologicamente semplici per scopi ristretti: forni solari (per cucinare) e distillatori solari, che consentono di ottenere acqua distillata a buon mercato da quasi tutte le fonti.

Forni solari

Sono economici e facili da realizzare. Sono costituiti da una scatola spaziosa, ben isolata, rivestita con materiale che riflette la luce (come una pellicola), ricoperta di vetro e dotata di un riflettore esterno. La padella nera funge da assorbitore, riscaldandosi più velocemente delle normali pentole in alluminio o acciaio inossidabile. I forni solari possono essere utilizzati per disinfettare l'acqua portandola a ebollizione.

Esistono forni solari a scatola e a specchio (con riflettore).

Alambicchi solari

I distillatori solari forniscono acqua distillata a basso costo, anche da acqua salata o altamente inquinata. Si basano sul principio dell'evaporazione dell'acqua da un contenitore aperto. Un distillatore solare utilizza l'energia del sole per accelerare questo processo. È costituito da un contenitore coibentato di colore scuro con vetri, inclinato in modo che l'acqua dolce condensata scorra in un contenitore speciale. Un piccolo distillatore solare, grande all’incirca quanto un fornello da cucina, può produrre fino a dieci litri di acqua distillata in una giornata soleggiata.

3.2.2 Sistemi solari

Sistemi solari per l'acqua calda

L’acqua calda è l’applicazione diretta più comune dell’energia solare. Un'installazione tipica è costituita da uno o più collettori nei quali il liquido viene riscaldato dal sole, nonché da un serbatoio per l'accumulo dell'acqua calda riscaldata dal fluido riscaldante. Anche nelle regioni con relativamente poca radiazione solare, come il Nord Europa, un sistema solare può fornire il 50-70% del fabbisogno di acqua calda. È impossibile ottenere di più, se non attraverso la regolamentazione stagionale. Nell’Europa meridionale, l’energia solare può fornire il 70-90% del consumo di acqua calda. Riscaldare l'acqua utilizzando l'energia solare è un modo molto pratico ed economico. Mentre i sistemi fotovoltaici raggiungono efficienze del 10-15%, i sistemi solari termici raggiungono efficienze del 50-90%. In combinazione con le stufe a legna, il fabbisogno di acqua calda domestica può essere soddisfatto praticamente tutto l’anno senza l’uso di combustibili fossili.

Sistemi solari a termosifone

I termosifoni sono sistemi solari di riscaldamento dell'acqua con circolazione naturale (convezione) del liquido di raffreddamento, che vengono utilizzati in condizioni invernali calde (in assenza di gelo). Nel complesso questi non sono i sistemi di energia solare più efficienti, ma presentano molti vantaggi dal punto di vista dell’edilizia abitativa. La circolazione del termosifone del liquido di raffreddamento avviene a causa di una variazione della densità dell'acqua con una variazione della sua temperatura. Il sistema a termosifone è diviso in tre parti principali:

· collettore piano (assorbitore);

· condutture;

· Serbatoio di accumulo dell'acqua calda (caldaia).

Quando l'acqua nel collettore (solitamente piatto) si riscalda, sale attraverso il montante ed entra nel serbatoio di accumulo; Al suo posto, l'acqua fredda entra nel collettore dal fondo del serbatoio di stoccaggio. Pertanto è necessario posizionare il collettore sotto il serbatoio di accumulo e coibentare le tubazioni di collegamento.

Tali installazioni sono popolari nelle aree subtropicali e tropicali.

Sistemi solari di riscaldamento dell'acqua

Molto spesso utilizzato per riscaldare le piscine. Sebbene il costo di tale installazione vari a seconda delle dimensioni della piscina e di altre condizioni specifiche, quando vengono installati sistemi solari per ridurre o eliminare il consumo di carburante o elettricità, si ammortizzano in due o quattro anni grazie al risparmio energetico. Inoltre, il riscaldamento della piscina permette di prolungare la stagione balneare di diverse settimane senza costi aggiuntivi.

Non è difficile installare un riscaldatore solare per piscine nella maggior parte degli edifici. Può ridursi a un semplice tubo nero che fornisce acqua alla piscina. Per le piscine all'aperto è sufficiente installare un assorbitore. Le piscine coperte richiedono l'installazione di collettori standard per fornire acqua calda anche in inverno.

Accumulo di calore stagionale

Esistono inoltre impianti che permettono di utilizzare nel periodo invernale il calore accumulato in estate dai collettori solari e immagazzinato mediante grandi serbatoi di accumulo (accumulo stagionale). Il problema qui è che la quantità di liquido necessaria per riscaldare la casa è paragonabile al volume della casa stessa. Inoltre, l'accumulo di calore deve essere molto ben isolato. Affinché un tipico serbatoio di accumulo domestico possa trattenere la maggior parte del suo calore per sei mesi, dovrebbe essere avvolto in uno strato isolante spesso 4 metri. Pertanto è vantaggioso rendere il volume del serbatoio di stoccaggio molto grande. Per questo motivo, il rapporto tra superficie e volume diminuisce.

Grandi impianti di teleriscaldamento solare vengono utilizzati in Danimarca, Svezia, Svizzera, Francia e Stati Uniti. I moduli solari sono installati direttamente a terra. Senza accumulo, un impianto di riscaldamento solare di questo tipo può coprire circa il 5% della domanda annua di calore, poiché l’impianto non deve produrre più della quantità minima di calore consumato, comprese le perdite nel sistema di teleriscaldamento (fino al 20% durante la trasmissione). Se di notte viene immagazzinato il calore diurno, un sistema di riscaldamento solare può coprire il 10-12% della domanda di calore, comprese le perdite di trasmissione, e con l'accumulo di calore stagionale - fino al 100%. Esiste anche la possibilità di combinare il teleriscaldamento con collettori solari individuali. Il sistema di teleriscaldamento può essere spento in estate, quando l'acqua calda è fornita dal sole e non c'è bisogno di riscaldamento.

Energia solare combinata con altre fonti rinnovabili.

Un buon risultato si ottiene combinando diverse fonti di energia rinnovabile, ad esempio il calore solare combinato con l’accumulo di calore stagionale sotto forma di biomassa. Oppure, se il fabbisogno energetico residuo è molto basso, è possibile utilizzare biocarburanti liquidi o gassosi in combinazione con caldaie efficienti per integrare il riscaldamento solare.

Una combinazione interessante è il riscaldamento solare e le caldaie a biomassa solida. Ciò risolve anche il problema dello stoccaggio stagionale dell’energia solare. L'utilizzo della biomassa in estate non è una soluzione ottimale, poiché il rendimento delle caldaie a carico parziale è basso e le perdite nelle tubazioni sono relativamente elevate e negli impianti di piccole dimensioni la combustione della legna in estate può causare disagi. In questi casi, il 100% del carico termico estivo può essere fornito dal riscaldamento solare. In inverno, quando la quantità di energia solare è trascurabile, quasi tutto il calore viene generato bruciando biomassa.

L’Europa centrale ha una vasta esperienza nella combinazione del riscaldamento solare e della combustione di biomassa per la produzione di calore. Tipicamente, circa il 20-30% del carico termico totale è coperto dal sistema solare, e il carico principale (70-80%) è fornito dalla biomassa. Questa combinazione può essere utilizzata sia nei singoli edifici residenziali che nei sistemi di riscaldamento centralizzato (teleriscaldamento). Nell’Europa centrale, circa 10 m3 di biomassa (ad esempio legna da ardere) sono sufficienti per riscaldare una casa privata e un impianto solare aiuta a risparmiare fino a 3 m3 di legna da ardere all’anno.

3.2.3 Centrali solari termiche

Oltre a utilizzare direttamente il calore solare, nelle regioni con elevata radiazione solare può essere utilizzato per generare vapore, che fa girare una turbina e genera elettricità. La produzione di energia solare termica su larga scala è piuttosto competitiva. Le applicazioni industriali di questa tecnologia risalgono agli anni '80; Da allora, il settore è cresciuto rapidamente. Attualmente, i servizi pubblici statunitensi hanno già installato più di 400 megawatt di centrali solari termiche, che forniscono elettricità a 350.000 persone e sostituiscono l’equivalente di 2,3 milioni di barili di petrolio all’anno. Nove centrali elettriche situate nel deserto del Mojave (nello stato americano della California) hanno una capacità installata di 354 MW e hanno accumulato 100 anni di esperienza nella gestione industriale. Questa tecnologia è così avanzata che, secondo i funzionari, può competere con le tradizionali tecnologie di generazione di energia in molte aree degli Stati Uniti. Progetti per l’utilizzo del calore solare per generare elettricità inizieranno presto anche in altre regioni del mondo. India, Egitto, Marocco e Messico stanno sviluppando programmi corrispondenti e le sovvenzioni per il loro finanziamento sono fornite dal Global Environment Facility (GEF). In Grecia, Spagna e negli Stati Uniti vengono sviluppati nuovi progetti da parte di produttori di energia indipendenti.

In base al metodo di produzione del calore, gli impianti solari termici si dividono in concentratori solari (specchi) e stagni solari.

Concentratori solari

Tali centrali elettriche concentrano l'energia solare utilizzando lenti e riflettori. Poiché questo calore può essere immagazzinato, tali impianti possono generare elettricità secondo necessità, di giorno o di notte, con qualsiasi condizione atmosferica.

Grandi specchi, sia puntiformi che lineari, concentrano i raggi del sole a tal punto che l'acqua si trasforma in vapore, rilasciando energia sufficiente per far girare una turbina. Azienda "Luz Corp." installato enormi campi di tali specchi nel deserto californiano. Producono 354 MW di elettricità. Questi sistemi possono convertire l'energia solare in energia elettrica con un'efficienza di circa il 15%.

Esistono le seguenti tipologie di concentratori solari:

1. Concentratori parabolici solari

2. Installazione solare a piatto

3. Centrali solari del tipo a torre con ricevitore centrale.

Stagni soleggiati

Né gli specchi focalizzatori né le celle solari fotovoltaiche possono generare energia di notte. A questo scopo l’energia solare accumulata durante il giorno deve essere immagazzinata in accumulatori di calore. Questo processo avviene naturalmente nei cosiddetti stagni solari.

Gli stagni solari hanno un'alta concentrazione di sale negli strati inferiori dell'acqua, uno strato intermedio d'acqua non convettivo in cui la concentrazione di sale aumenta con la profondità e uno strato convettivo con una bassa concentrazione di sale in superficie. La luce solare cade sulla superficie dello stagno e il calore viene trattenuto negli strati inferiori dell'acqua a causa dell'elevata concentrazione di sale. L'acqua ad alta salinità, riscaldata dall'energia solare assorbita dal fondo dello stagno, non può salire a causa della sua elevata densità. Rimane sul fondo dello stagno, riscaldandosi gradualmente fino quasi a bollire (mentre gli strati superiori dell'acqua rimangono relativamente freddi). La "salamoia" del fondo caldo viene utilizzata giorno e notte come fonte di calore, grazie alla quale una speciale turbina a refrigerante organico può generare elettricità. Lo strato intermedio di un laghetto solare funge da isolante termico, impedendo la convezione e la perdita di calore dal fondo alla superficie. La differenza di temperatura tra il fondo e la superficie dell'acqua del laghetto è sufficiente per alimentare il generatore. Il liquido refrigerante, fatto passare attraverso tubi che attraversano lo strato inferiore d'acqua, viene quindi immesso in un sistema Rankine chiuso, in cui una turbina ruota per produrre elettricità.

3.3 Sistemi fotovoltaici

I dispositivi per convertire direttamente la luce o l'energia solare in elettricità sono chiamati fotovoltaici (in inglese Fotovoltaico, dal greco foto - luce e il nome dell'unità di forza elettromotrice - volt). La conversione della luce solare in elettricità avviene nelle celle solari costituite da materiale semiconduttore come il silicio, che producono una corrente elettrica quando esposte alla luce solare. Collegando le celle fotovoltaiche in moduli e questi, a loro volta, tra loro, è possibile costruire grandi stazioni fotovoltaiche. La più grande stazione di questo tipo fino ad oggi è l'installazione da 5 megawatt di Carrisa Plain nello stato americano della California. L'efficienza degli impianti fotovoltaici è attualmente pari a circa il 10%, ma le singole celle fotovoltaiche possono raggiungere efficienze del 20% o più.

I sistemi solari fotovoltaici sono semplici da utilizzare e non hanno meccanismi di movimento, ma le celle fotovoltaiche stesse contengono complessi dispositivi semiconduttori simili a quelli utilizzati per produrre circuiti integrati. Il funzionamento delle fotocellule si basa sul principio fisico secondo cui sotto l'influenza della luce si forma una corrente elettrica tra due semiconduttori in contatto tra loro con proprietà elettriche diverse. L'insieme di tali elementi forma un pannello o modulo fotovoltaico. I moduli fotovoltaici, a causa delle loro proprietà elettriche, producono corrente continua anziché corrente alternata. Viene utilizzato in molti semplici dispositivi alimentati a batteria. La corrente alternata, invece, cambia direzione a intervalli regolari. Questo tipo di elettricità viene fornita dai produttori di energia e viene utilizzata per alimentare la maggior parte degli elettrodomestici e dei dispositivi elettronici moderni. Negli impianti più semplici viene utilizzata direttamente la corrente continua dei moduli fotovoltaici. Dove è necessaria la corrente alternata è necessario aggiungere al sistema un inverter che converte la corrente continua in corrente alternata.

Nei prossimi decenni una parte significativa della popolazione mondiale acquisirà familiarità con gli impianti fotovoltaici. Grazie ad essi scomparirà la tradizionale necessità di costruire centrali elettriche e sistemi di distribuzione grandi e costosi. Con la diminuzione del costo delle celle fotovoltaiche e il miglioramento della tecnologia, si apriranno diversi mercati potenzialmente enormi per le celle fotovoltaiche. Ad esempio, le fotocellule integrate nei materiali da costruzione forniranno ventilazione e illuminazione alle case. I prodotti di consumo, dagli utensili manuali alle automobili, trarranno vantaggio dall'uso di componenti contenenti componenti fotovoltaici. Le utility saranno anche in grado di trovare nuovi modi per utilizzare le celle solari per soddisfare le esigenze pubbliche.

Gli impianti fotovoltaici più semplici comprendono:

· Pompe solari - Le unità di pompaggio fotovoltaiche sono una gradita alternativa ai generatori diesel e alle pompe a mano. Pompano l'acqua esattamente quando è più necessaria, in una giornata limpida e soleggiata. Le pompe solari sono facili da installare e utilizzare. Una piccola pompa può essere installata da una persona in un paio d'ore e non sono necessarie né esperienza né attrezzature speciali.

· Impianti fotovoltaici con batteria - la batteria viene caricata da un generatore solare, immagazzina energia e la rende disponibile in qualsiasi momento. Anche nelle condizioni più sfavorevoli e in luoghi remoti, l’energia fotovoltaica immagazzinata nelle batterie può alimentare apparecchiature essenziali. Grazie allo stoccaggio dell'energia, gli impianti fotovoltaici forniscono una fonte di energia affidabile, giorno e notte, con qualsiasi condizione atmosferica. I sistemi fotovoltaici dotati di batteria alimentano illuminazione, sensori, apparecchiature di registrazione audio, elettrodomestici, telefoni, televisori e utensili elettrici in tutto il mondo.

· impianti fotovoltaici con generatori - quando l'elettricità è necessaria in modo continuativo o ci sono periodi in cui è necessaria più di quella che la sola fotobatteria può produrre, un generatore può efficacemente integrarla. Durante le ore diurne i moduli fotovoltaici soddisfano il fabbisogno energetico giornaliero e caricano la batteria. Quando la batteria è scarica il motogeneratore si accende e funziona finché le batterie non vengono ricaricate. In alcuni sistemi, un generatore fornisce energia quando il consumo di elettricità supera la capacità totale delle batterie. Il motore-generatore produce energia elettrica a qualsiasi ora del giorno. Pertanto, fornisce un'eccellente fonte di alimentazione di riserva per il backup dei moduli fotovoltaici di notte o in caso di condizioni meteorologiche avverse, a seconda dei capricci del tempo. D'altro canto il modulo fotovoltaico funziona silenziosamente, non richiede manutenzione e non emette sostanze inquinanti nell'atmosfera. L'uso combinato di celle fotovoltaiche e generatori può ridurre il costo iniziale del sistema. Se non è presente un'installazione di backup, i moduli fotovoltaici e le batterie devono essere sufficientemente grandi da fornire energia durante la notte.

· impianti fotovoltaici connessi alla rete - in condizioni di alimentazione centralizzata, un impianto fotovoltaico connesso alla rete può fornire parte del carico richiesto, mentre l'altra parte proviene dalla rete. In questo caso la batteria non viene utilizzata. Migliaia di proprietari di case in tutto il mondo utilizzano tali sistemi. L'energia prodotta dalle celle fotovoltaiche viene utilizzata in loco oppure immessa in rete. Quando il proprietario dell'impianto necessita di più elettricità di quanta ne produce, ad esempio la sera, l'aumento della domanda viene automaticamente soddisfatto dalla rete. Quando il sistema genera più elettricità di quella che la famiglia può consumare, l’eccesso viene immesso (venduto) nella rete. La rete pubblica funge quindi da riserva per l'impianto fotovoltaico, così come fa una batteria per un impianto ad isola.

· impianti fotovoltaici industriali – gli impianti fotovoltaici funzionano silenziosamente, non consumano combustibili fossili e non inquinano l'aria e l'acqua. Sfortunatamente, le stazioni fotovoltaiche non rappresentano ancora una parte molto dinamica dell'arsenale delle reti di servizi pubblici, il che può essere spiegato dalle loro caratteristiche. Con l’attuale metodo di calcolo del costo dell’energia, l’elettricità solare è ancora molto più costosa rispetto alla produzione delle centrali elettriche tradizionali. Inoltre, gli impianti fotovoltaici producono energia solo durante le ore diurne e il loro rendimento dipende dalle condizioni meteorologiche.

4. Architettura solare

Esistono diversi modi principali per utilizzare passivamente l’energia solare in architettura. Usandoli, puoi creare molti schemi diversi, ottenendo così una varietà di progetti di edifici. Le priorità quando si costruisce un edificio con energia solare passiva sono: buona posizione della casa; un gran numero di finestre rivolte a sud (nell'emisfero settentrionale) per far entrare più luce solare in inverno (e al contrario, un piccolo numero di finestre rivolte a est o ovest per limitare l'ingresso di luce solare indesiderata in estate); calcolo corretto del carico termico all'interno per evitare sbalzi di temperatura indesiderati e trattenere il calore durante la notte, struttura dell'edificio ben isolata.

L'ubicazione, l'isolamento, l'orientamento delle finestre e il carico termico dei locali devono formare un unico sistema. Per ridurre le fluttuazioni della temperatura interna, l'isolamento dovrebbe essere posizionato all'esterno dell'edificio. Tuttavia, nelle aree in cui il riscaldamento interno è rapido, dove è richiesto poco isolamento o dove la capacità termica è bassa, l’isolamento dovrebbe essere all’interno. Quindi la progettazione dell'edificio sarà ottimale per qualsiasi microclima. Vale anche la pena notare che il corretto equilibrio tra il carico termico dei locali e l'isolamento porta non solo al risparmio energetico, ma anche al risparmio dei materiali da costruzione. Gli edifici solari passivi sono il luogo ideale in cui vivere. Qui il legame con la natura è più sentito, c'è molta luce naturale in una casa del genere e si risparmia energia.

L’uso passivo della luce solare fornisce circa il 15% del fabbisogno di riscaldamento degli ambienti di un edificio standard e rappresenta un’importante fonte di risparmio energetico. Quando si progetta un edificio, è necessario tenere conto dei principi dell’edilizia solare passiva per massimizzare l’uso dell’energia solare. Questi principi possono essere applicati ovunque e praticamente senza costi aggiuntivi.

Durante la progettazione dell'edificio dovrebbe essere considerato anche l'uso di sistemi solari attivi come collettori solari e pannelli fotovoltaici. Questa apparecchiatura è installata sul lato sud dell'edificio. Per massimizzare la produzione di calore in inverno, i collettori solari in Europa e Nord America devono essere installati con un angolo maggiore di 50° rispetto al piano orizzontale. I pannelli fotovoltaici fissi ricevono la maggior quantità di radiazione solare durante l'anno quando l'angolo di inclinazione rispetto all'orizzonte è pari alla latitudine alla quale è situato l'edificio. L'inclinazione del tetto di un edificio e il suo orientamento a sud sono considerazioni importanti quando si progetta un edificio. I collettori solari per la fornitura di acqua calda e i pannelli fotovoltaici dovrebbero essere posizionati nelle immediate vicinanze del luogo di consumo energetico. È importante ricordare che la posizione ravvicinata del bagno e della cucina consente di risparmiare sull'installazione di sistemi solari attivi (in questo caso è possibile utilizzare un collettore solare per due stanze) e di ridurre al minimo le perdite di energia per il trasporto. Il criterio principale nella scelta dell'attrezzatura è la sua efficienza.

Conclusione

Attualmente viene utilizzata solo una piccola parte dell’energia solare perché le celle solari esistenti hanno un’efficienza relativamente bassa e sono molto costose da produrre. Tuttavia, non bisogna abbandonare subito la fonte praticamente inesauribile di energia pulita: secondo gli esperti, l’energia solare da sola potrebbe coprire tutto il fabbisogno energetico immaginabile dell’umanità per migliaia di anni a venire. È anche possibile aumentare più volte l'efficienza degli impianti solari e, posizionandoli sui tetti delle case e accanto ad esse, garantiremo il riscaldamento delle abitazioni, il riscaldamento dell'acqua e il funzionamento degli elettrodomestici anche a latitudini temperate, non per citare i tropici. Per le esigenze industriali che richiedono grandi quantità di energia si possono utilizzare terre desolate e deserti lunghi chilometri, completamente ricoperti da potenti centrali solari. Ma l'industria dell'energia solare deve affrontare molte difficoltà con la costruzione, il posizionamento e il funzionamento di centrali solari su migliaia di chilometri quadrati di superficie terrestre. Pertanto, la quota complessiva di energia solare è stata e rimarrà piuttosto modesta, almeno nel prossimo futuro.

Attualmente si stanno sviluppando nuovi progetti spaziali per studiare il Sole, si stanno effettuando osservazioni a cui prendono parte decine di paesi. I dati sui processi che si verificano sul Sole vengono ottenuti utilizzando apparecchiature installate su satelliti terrestri artificiali e razzi spaziali, sulle cime delle montagne e nelle profondità degli oceani.

Molta attenzione dovrebbe essere prestata anche al fatto che la produzione di energia, che è un mezzo necessario per l'esistenza e lo sviluppo dell'umanità, ha un impatto sulla natura e sull'ambiente umano. Da un lato, il calore e l’elettricità sono diventati così saldamente radicati nella vita umana e nelle attività produttive che le persone non possono nemmeno immaginare la propria esistenza senza di essi e consumano naturalmente risorse inesauribili. D'altro canto, l'attenzione si concentra sempre più sull'aspetto economico dell'energia e si chiede una produzione energetica rispettosa dell'ambiente. Ciò indica la necessità di risolvere una serie di problemi, tra cui la ridistribuzione dei fondi per coprire i bisogni dell’umanità, l’uso pratico dei risultati ottenuti nell’economia nazionale, la ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie alternative per la generazione di calore ed elettricità, ecc.

Ora gli scienziati stanno studiando la natura del Sole, scoprendo la sua influenza sulla Terra e lavorando sul problema dell'utilizzo dell'energia solare praticamente inesauribile.

Elenco delle fonti utilizzate

Letteratura

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