Use the sun by Ludovico Allasio

Disegno Industriale del Prodotto Ecocompatibile - Facoltá di Architettura I - Politecnico di Torino Use the sun 2.indb 3

DISEGNO INDUSTRIALE

Tesi di Laurea Specialistica

USE THE SUN

Applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

Relatori:

Prof. Luigi Bistagnino. Politecnico di Torino. Prof. Adolfo Finck Pastrana. Universidad Iberoamericana Ciudad de México.

Correlatori:

Prof. Fabrizio Valpreda. Politecnico di Torino. Prof.ssa Anna Pellegrino. Politecnico di Torino. Prof. Giancarlo Chiesa. Politecnico di Milano (ASP). Candidati:

Ortzi Akizu Gardoki. Ludovico Allasio. Andrea Carraro.

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USE THE SUN APPLICAZIONI A BASSO IMPATTO AMBIENTALE PER L’ENERGIA SOLARE TERMICA

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REP ELATNEIBMA OTTAPMI IMPATTO AMBIENTALE PER ACIMRET ERALOS AIGRENE’L L’ENERGIA SOLARE TERMICA

NUS EHT ESU USE THE SUN OSSAB A INOIZACILPPA APPLICAZIONI A BASSO

LINEA DEL TEMPO

01 USE THE SUN LA TESI

02 LINEE GUIDA

03 PRESUPPOSTI PROGETTUALI

04 STORIA

05 RICERCA TEORICA

06 ANALISI INIZIALE

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RICERCA SUL CAMPO

08 VIAGGI

09 ESPERIENZA NEI LABORATORI

10 APPLICAZIONI SPERIMENTALI

11 PROGETTO

12 CONCLUSIONI

13 RIFERIMENTI

14 RINGRAZIAMENTI

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INDICE 01

013 linea del tempo

027 introduzione

033 il Messico 043 tutto ha inizio...

049 cultura alimentare messicana 060 filosofia progettuale 082 tavole allegate

097 l’uso dell’energia solare 111 storia della cucina solare 119 classificazione dei forni solari

129 137 140 148 154

183 esplosi, funzionamento e gruppi funzionali 196 funzioni essenziali 200 tavole allegate

233 244 252 260

lezioni con il Professor Finck situazione attuale dell’energia solare in Messico stato attuale della ricerca messicana tavole allegate

267 269 272 288 296 302

arrivo in Messico e incontro con Adolfo Finck viaggio a Pisaflores, Veracruz progetto di investigazione a Cardenas, Tabasco viaggio a Tehuacan, Puebla viaggio a Temixco, Morelos tavole allegate

LINEA DEL TEMPO

USE THE SUN LA TESI

LINEE GUIDA

PRESUPPOSTI PROGETTUALI

STORIA

RICERCA TEORICA

ANALISI INIZIALE

RICERCA SUL CAMPO

VIAGGI

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le origini dell’energia solare la radiazione solare in Messico effetti e principi la scelta dei materiali tavole allegate

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307 313 318 328

le curve di essiccazione fermentazione del cacao le prove di ottica tavole allegate

355 362 366 374 384 388

riparazione e costruzione di prototipi sperimentali prove di distillazione test di essiccazione prove coi forni comida solar tavole allegate

421 422 437 446 456

design per componenti il distillatore il forno lâ&#x20AC;&#x2122;essiccatore tavole allegate

481 conclusioni

489 bibliografia 492 web 493 contatti

499 ringraziamo..

ESPERIENZA NEI LABORATORI

APPLICAZIONI SPERIMENTALI

PROGETTO

CONCLUSIONI

RIFERIMENTI

RINGRAZIAMENTI

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01 Linea CAPITOLO

del tempo DISEGNO INDUSTRIALE

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LINEA DEL TEMPO

Una carrellata sui momenti e le attivitĂ che hanno segnato gli 11 mesi di sviluppo della tesi.

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Ottobre 2007 SCELTA

Presentazione con 3 proposte di tesi: Hitachi, Iberoamericana, Hidrogeno. Si prendono le decisioni, e si decide il titolo: “Applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica” Si iniza a lavorare, ricerca e lettura.

RICERCA MATERIALE

Da dove arriva l’energia solare? Analisi della radiazione solare e impieghi solari in generale.

RICERCA MATERIALE

Tavole rotazione, rivoluzione, azimut, altezza solare...

RICERCA MATERIALE Storia, Filosofia, Tecnologie solari. Herman Sheer e John Perlin.

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Novembre 2007

05 solare

06 solare

ELABORAZIONE TAVOLE Termine delle tavole impieghi indiretti diretti del

REVISIONE

Grafico di andamento di altezza solare impeghi del solare in generale.

13 15

REVISIONE

Revisione con la prof. Pellegrino. Finita la MAP-pil

REVISIONE

Revisione con Prof. Bistagnino, inizio tavole sul percorso del sole e radiazione (atmosfera).

REVISIONE

Termine percorso della radiazione: Universo e atmosfera.

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Dicembre 2007 RICERCA MATERIALE

incontro con Prof. Valpreda e prof. Fusco - chiarimenti basi di ottica e strumenti simulazione

ELABORAZIONE TAVOLE ricerche dati radiazione e modi di rappresentarla

REVISIONE

05 06

incontro con Prof. Valpreda e prof. Fusco - chiarimenti basi di ottica e strumenti simulazione

ANDATA partenza per il Messico

INCONTRO incontro Professor Finck

VIAGGIO DI LAVORO partenza per Pisaflores

PROTOTIPO forno solare 001

PROTOTIPO forno solare 002

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16 18 21 26 28

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Gennaio 2008

REVISIONE

Spiegazioni Finck degli apparecchi

TEST DISTILLATORE

prove di distillazione

SISTEMAZIONE PERSONALE

troviamo casa in calle Xola

LEZIONI FORNI SOLARI

lezioni sui forni solari con il Professor Finck

INVIO TAVOLE

SPEDIZIONE1 componenti, componenti funzionali e schema di funzionamento di distillatore, forno e concentratore

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Febbraio 2008 PROTOTIPO Costruzione essiccatore solare terminata

VIAGGIO DI LAVORO Partenza per Cardenas (Tabasco)

INVIO TAVOLE

11 14 26

SPEDIZIONE 2 - componenti, componenti funzionali e schema dellâ&#x20AC;&#x2122;essiccatore, tavola radiazione - vetro, essicazione del cacao e sue curve di essicazione, report tabasco.

RICERCA ESSICAZIONE inizio prove di fermentazione del cacao

LEZIONI FORNI SOLARI

27 29

lezione con Ruth Pedrosa sulla fermentazione dei cibi laboratorio di alimentazione per fermentare

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Marzo 2008

RICERCA ESSICAZIONE

prova di seccato di banane in laboratorio

INVIO TAVOLE

SPEDIZIONE 3 - introduzione al cacao, filiera cacao, 3 tavole fermentazione cacao

TEST ESSICCATORE

prove secado BANANA MACHO con secadora sole (fino al 31)

TEST ESSICCATORE

prova secado BANANA NORMALE con secadora sole e curva secado (fino al 7). creazione logo LETS

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Aprile 2008 INVIO TAVOLE

SPEDIZIONE 4 3 tavole test forni solari sul campo preparazione, risultatie e considerazioni

VIAGGIO DI LAVORO Partenza per Tehuacan

TEST ESSICCATORE Prove secado MELA con secadora sole (fino al 9)

TEST ESSICCATORE Prove secado BANANA con secadora sole con succo limone (fino al 14)

PROTOTIPO Riparazione del forno in Nylamid, Silicone e Sugero

PROTOTIPO Prototipazione dei forni solari

VIAGGIO DI LAVORO Partenza per CIE-UNAM (Temixco)

LEZIONI Lezioni con esperti dell ’Universitá UNAM

INVIO TAVOLE

02 07 09 14 15 21 25 28

SPEDIZIONE5: tavole secado banane, 1 tavola secado mela, tavola produzione foglie di amaranto, report Tehuacan

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Maggio

2008

05 09 09

prove dei forni

TEST FORNO

TEST ESSICCATORE

prove secado di Quelite

secco

13 14 16 20 Mejia)

21 22

ELABORAZIONE TAVOLE

INVIO TAVOLE

SPEDIZIONE 6 - schemi essenziali essicatore, distillatore e forno, tavola essicazione acelga

RICERCA OTTICA

prove di ottica con fumo ed idrogeno liquido, ghiaccio

COMIDA SOLAR!

INCONTRO

Antonio Urbano Castelán

27 09

montaggi video della comida solar

TEST FORNO

prove dei forni con coperchi in vetro

INVIO TAVOLE

SPEDIZIONE 7 - 2 tavole temperature esercizio forni nella setimana comida solar, 2 tavole secado quelite, UPLOAD YOU TUBE del video

primo esperimento di cucina con verdura e pollo

COMIDA SOLAR!

cucina con bizcocho

COMIDA SOLAR! sori e ricercatori della UIA

INCONTRO

Greenpeace, Museo del Agua, IPN (Antorio Urbano

INCONTRO

WWF con Carlos Galindo Leal

INCONTRO

Eduardo Rincon Mejía (UACM), Alvaro Lentz ( che ci invita al suo pranzo solare!!)

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Giugno 2008

RICERCA MATERIALE ricerca alla bibblioteca della UNAM

TEST FORNO prove dei forni con coperchi in vetro

MANUTENZIONE manutenzione dei t utti i prototipi prima del ritorno

INCONTRO Pranzo con Rincón, Carla e conferenza di "Saldivar" in UACM

INCONTRO festa di addio all’universitá UIA

RITORNO ritorno a Torino

INCONTRO revisione con il Prof. Bistagnino

INCONTRO revisione sulle proposte dei prgetti, scaletta della tesi

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02 04 05 10 13 18 19 26

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Luglio 2008

PROGETTAZIONE

si iniza ufficialmente a progettare, revisione negativa, sbagliata la comunicazione del progetto

09 10

REVISIONE Revisione con la prof. PellePROGETTAZIONE

grino inizio metodologia per componenti, sviluppo a partire dal gruppo funzionale principale

PROGETTAZIONE

vengono effettuate scelte progettuali, si accede ai componenti successivi

PROGETTAZIONE

approvazione scelte e comunicazione a computer

elaborazione piani in autocad

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PROGETTAZIONE

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Agosto 2008 PROGETTAZIONE elaborazione modelli virtuali 3D

PROTOTIPO elaborazione modelli reali e prototipazione

STESURA elaborazione tesi

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01 04 ...

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02 Use The CAPITOLO

Sun: la tesi

DISEGNO INDUSTRIALE

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USE THE SUN: LA TESI

Introduzione concisa della nostra tesi, i nostri pensieri e la presentazione del gruppo di lavoro.

02 27

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INTRODUZIONE

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INTRODUZIONE AVVICINAMENTO ALLA TESI

Siamo giunti al termine del nostro percorso universitario. Ci siamo immediatamente resi conto di un aspetto legato alla nostra formazione che spesso ci ha fatto dubitare e che raramente abbiamo potuto cercare di chiarire. In particolare, le direzioni intraprese nei due anni di specializzazione in Disegno Industriale del Prodotto Ecocompatibile necessitavano a maggior ragione di un chiarimento: in che misura ed in che maniera è possibile introdurre metodi e convinzioni acquisite in un percorso di formazione universitario all’interno del sistema-mondo e del sistema produttivo? Con l’intenzione di mettere alla prova noi ed il nostro bagaglio di esperienza universitaria, ci siamo messi alla ricerca di ambiti e settori che potessero essere un fertile terreno di test e confronto su cui condurre un’esperienza che avrebbe potuto costituire l’ossatura del nostro lavoro di tesi. Nei mesi dedicati alla ricerca di un’opportunità in questo senso, l’ipotesi di confrontarci con un tema come quello dell’utilizzo diretto dell’energia solare ci è subito parso un’occasione importante. I sistemi che utilizzano l’energia rinnovabile del sole in modo diretto non effettuano conversioni in energia elettrica, consentendo di mantenere alte percentuali di efficienza in termini di energia solare captata ed energia effettivamente utilizzabile. 02_USE THE SUN: LA TESI_

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Capiremo più avanti quali legami esistano tra produzione di energia elettrica e risorse rinnovabili e come la loro combinazione possa essere in alcuni casi virtuosa ed in altri assolutamente controproducente. L’obiettivo di partenza di questo lavoro è quello di applicare un metodo di progettazione per componenti su macchine create per sfruttare la risorsa solare termica. In particolare, il punto di partenza sarà costituito da tre applicazioni energetiche solari: la cottura, la distillazione dell’acqua e l’essiccazione di prodotti alimentari. A questi scopo sono già stati pensati e costruiti numerosi sistemi e avremo la possibilità di provarli, analizzarli e tentare di svilupparli usando come guida la progettazione per componenti.

IL GRUPPO DI LAVORO

Kit USE THE SUN. La nostra divisa di lavoro.

Il gruppo di lavoro costituito da Ludovico Allasio, Andrea Carraro e Ortzi Akizu, è stato guidato e seguito durante il lungo percorso progettuale da numerosi professori e specialisti. Il relatore principale è Luigi Bistagnino. La sua costante presenza ci ha aiutato a tracciare il “filo rosso” del nostro intero lavoro di tesi a volte richiamandoci al metodo di “design by components” ed altre lasciandoci seguire percorsi più personali. La sua presenza è stata fondamentale durante l’arco di tutta la tesi, compresi i sei mesi trascorsi in Messico dove ci ha seguito a distanza. Nella prima fase iniziale ci ha aiutato ad indirizzare i nostri interessi, i campi di ricerca ed a comprendere su cosa iniziare a lavorare una volta partiti. Al ritorno abbiamo compreso assieme a lui come assemblare le nostre esperienza e intrapreso la fase vera è propria di progettazione. Nel periodo trascorso in Messico il principale relatore è stato il fisico Adolfo Finck. Grazie alla sua ampia esperienza nel settore solare termico ci ha guidato nella fase sperimentale. Inizialmente abbiamo analizzato le macchine solari che lui stesso ha progettato. Assimilate la basi di queste macchine dei abbiamo

28 _USE THE SUN: LA TESI_02

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proceduto ai test di prototipi da noi costruiti. Nel ruolo di correlatori, abbiamo potuto contare sul supporto della prof.ssa Anna Pellegrino, del prof. Fabrizio Valpreda e del prof. Giancarlo Chiesa, quest’ultimo del Politecnico di Milano. I correlatori hanno dato un importante contributo nell’inquadramento di numerosi aspetti tecnici come la realizzazione dei calcoli di radiazione solare, ottica, luminosità, comunicazione grafica del progetto e supervisione generale della fattibilità degli oggetti. Per ultimo vogliamo sottolineare i contributi fornitici in Messico nelle fasi sperimentale dai vari professori ed assistenti dell’Universidad Iberoamericana, che hanno contribuito notevolmente sia allo sviluppo teorico (analisi della fermentazione del cacao, teorica della ottica…) che pratico della tesi(realizzazione delle prove di ottica, costruzione dei prototipi…). Tutte le persone che sono state coinvolte nel progetto USE THE SUN sono elencate nei ringraziamenti alla fine del volume.

Gruppo USE THE SUN. Alla scoperta di Città del Messico.

02_USE THE SUN: LA TESI_

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03 Linee CAPITOLO

guida

DISEGNO INDUSTRIALE

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LINEE GUIDA

Analisi del contesto in cui verranno calati i nostri progetti: il quadro sociale messicano. Studiamo il target su cui incentreremo il lavoro e riportiamo il documento con cui Ă¨ iniziata la nostra esperienza.

03 33 43

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IL MESSICO TUTTO HA INIZIO

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IL Messico QUADRO SOCIALE

Con 106 milioni e 700 mila abitanti, il Messico é la nazione di lingua spagnola con maggiore popolazione al mondo. Esistono però altre 62 lingue vive al suo interno, lingue che dimostrano l’esistenza di altre culture assai diverse tra loro, alcune delle quali a rischio di estinzione. Questa diversità attinge le sue radici sempre dall’arrivo degli spagnoli nel 1519. Da quel momento in poi tutte le risorse della nazione sono diventate di proprietà spagnola. Gli indigeni, non avendo come giustificare la proprietà delle terre in cui vivevano furono costretti a lasciare tutto ciò che avevano, dalle terre alla cultura: anche la religione esistente fu fagocitata dalla chiesa cattolica. Dopo la guerra dell’indipendenza finalmente i messicani divennero proprietari del loro paese, ma la domanda è :chi sono questi messicani? Anche se gli spagnoli erano ormai andati via, a controllarne l’economia rimasero le famiglie con origini spagnole, coloro che ancora possedevano tutte le terre ed avevano il controllo su di esse. Queste enormi differenze sociali hanno fatto sì che ancora nel 1895 la speranza di vita di un messicano fosse 36 anni. Oggi giorno i dati numerici sono migliorati, già nel 2000 la speranza 03_LINEE GUIDA_

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D.F. 2001 D.F. 2005

Nazionale 2001 Nazionale 2002 Nazionale 2003

(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0

I piu richi C

Richi

lase media Poveri

I piu poveri

Ricchi

Classe media Poveri

I più poveri

(%) 70 60 50 40 30 20 10

Proporzioni ricchi-poveri. Statistica “Mitofsky” (AMAI 2005)

I più ricchi

di vita era 72 anni, ma la differenza economica e sociale tra le classi rimane simile al secolo scorso. Possiamo osservare due tendenze di evoluzione sociale completamente diverse tra Città del Messico e l’intera nazione. Nell’intero territorio della nazione in genere i ricchi sono aumentati e i poveri si sono ridotti notevolmente. Questo significa che la gente della campagna è migrata in parte verso la città e la parte restante ha migliorato il proprio tenore di vita rispetto a 5 anni fa: il tasso di povertà attuale del Messico è del 61,5%, inferiore dell 80% rispetto al 2001; rimane comunque sempre alto. Invece per quanto riguarda la situazione del D.F. possiamo vedere che i poveri continuano ad aumentare fino ad arrivare a un 67% e che i ricchi si riducono ogni volta di più. Altri dati con interpretazioni ulteriori (anche se i dati sono diversi) arrivano dall UNICEF e dall’ONU. Il Messico è (secondo i dati del 2005 di UNICEF) la nazione che conta, in proporzione, più bambini poveri all’interno dell Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE). Il Messico registra un tasso di bambini che vivono nella povertà del 27.7%. Dovremmo comunque tenere in conto però che il Messico è entrato a fare parte dell OCSE soltanto nel 1994 e che i confronti vengono effettuati con i 30 paesi più ricchi del mondo. Parlando dell’interno del territorio Messicano, notiamo che la povertà si estende soprattutto nella campagna. Le grosse e medie città, completamente globalizzate e introdotte nel mercato

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Zambia

Nepal

Mexico

Malawi

India

China

Brazil

Cambodia

Dominican Republic

Persone che vivono con meno di 1$ al giorno. ONU 2004.

Zambia

Perù

Sierra Leone

Nepal

Mexico

Honduras

URBANO RURALE

Cambodia

(%) 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Dominican Republic

(%) 70 60 50 40 30 20 10 0

Argentina

mondiale (soprattutto con le importazioni cinesi), godono di una qualità di vita media. Nei grafici forniti dall ONU nel 2004, constatiamo come la nella campagna si ha una percentuale del 28% di poveri, contro l’11% della città. Per questa ragione, negli ultimi 50 anni la gente sta emigrando alla città. All’inizio del XX secolo circa il 90% della popolazione abitava nelle località rurali, invece sin dal 1960 per la prima volta i censimenti rivelarono che popolazione urbana (50,6%) aveva superato quella rurale. Nell 1895 il numero di persone che rimaneva nell’arco della propria vita nel luogo natale costituiva il 96,6% della popolazione totale della nazione; nel censimento del 1920 la cifra si ridusse fino al 90%; trent’anni dopo, nel 1950, l 80% delle persone abitava fuori dal stato in cui era nato! Questo fu il periodo della nascita di città come D.F. Negli anni successivi gradualmente questo fenomeno si è stabilizzato, fino ad arrivare al 18% di dei nostri giorni. Questa emigrazione partiva di solito dai paesi indigeni, i quali non solo hanno cambiato luogo di vita, ma nello spostamento hanno modificato anche la loro lingua e la cultura. La prima misurazione esistente delle popolazione indigene da parte della INEGI (Istituto Nazionale di Statistiche e geografia) risale al 1895 e riportava una cifra del 17% (cifra molto dubbia). Gli indigeni,

Povertà nazionale della popolazione. ONU 2004

03_LINEE GUIDA_

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Rurale Urbana

7.0

7.4 6.0

6.0

5.0

5.0 4.0

3.3

3.0

3.5 2.3

2.0

2.7

2.0

1.0 Numero medio di figli per donna. CONAPO 2004

Bisogni. AMAI 2005.

(%) 100

Total

Richi

0.0

1974

1985

1996

2004

pur avendo il tasso di natalità più alto del resto della popolazione della nazione, a causa dell emigrazione, si sono ridotti ad un 7% ( INEGI 2000) ed è attribuibile proprio ai discendenti di coloro che emigrarono nelle città, un grosso contribuito alla crescita delle città stesse. Nelle zone rurali il fenomeno di migrazione ancora è latente e molti continuano ancora oggi a spostarsi per cercare fortuna, ora soprattutto agli Stati Uniti. Rispetto al tasso di mortalità ci focalizzeremo nella zona di campagna, prendendo come esempio lo stato del Chiapas. Possiamo constatare che: nelle donne, anche se il 46.6% delle cause di morte sono sconosciute, nel 2006 il 49.2% di esse sono morte per tumori maligni, malattie del cuore, diabete, malattie del fegato e malattie cerebrali oppure cause derivanti da una cattiva alimentazione ed igiene; negli uomini il fattore degli incidenti è molto significativo arrivando ai livelli del 13%. Riassumendo: la situazione Socio-Culturale in Messico lo possiamo vedere rappresentata nella tabella dei “bisogni” dei messicani ( AMAI, Asociación Mexicana de Agencias de Investigación de Mercado y Opinión Pública) del 2005. Dati contrastanti in Messico: In questa grafica possiamo osservare gli squilibri esistenti in Messico: i poveri possono permettersi la tv, lo stereo, il lettore

Poveri

80 60 40

Lavatrice

Macchina

Docia

Rubineto

Lavandino

Internet

Celulare

Telefono

Stereo

TV a pagamento

Video + DVD

Deposito di H2O in tetto

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Totale Uomini Donne

(%) 60 50 40 30 20

Altri

Tumori maligni

Malatie del cuore

Diabete mellitus

Incidenti

Malatie di fegato

Malatie cerebrovascolari

10 Cause di morte in Chiapas. INEGI 2006.

Nazionale Chiapas Cittá di Messico Stato di Messico

(%) 40 30 20

% di case con pavimento in terra

% di case senza impianto di H2O

% di case zenza energia elettrica

% case zenza drenagio e WC

% senza primaria sopra 15 anni

% analfabeti sopra 15 anni

10 Educazione e risorse. CONAPO 2005.

DVD e il cellulare, mentre un bene di primaria necessità e prezioso come l’acqua non è facilmente raggiungibile. Per essere precisi: il 97,8% dei messicani possiede una TV, mentre soltanto il 70,8% ha in casa il rubinetto con acqua corrente. Per ultimo, i dati dell’ istruzione nella campagna. Prendiamo ancora una volta come punto di riferimento il Chiapas: la popolazione minorile che riceve un’istruzione da un 88% del 2000 è aumentata al 90% nel 2005. Questo significa che un ragazzo su 10 non sa né leggere né scrivere. Certe comunità, i cui abitanti si sono impegnati per risolvere il problema, hanno raggiunto il livello di 97,2% di lettura e 97,1% di scrittura (Sanuapa e Chapultenango), mentre in altri luoghi purtroppo (Chalchihuitán, Chenalhó e Mitontic) il tasso di analfabetismo è ancora del 34%.

I MOTIVI DELLA SCELTA

Durante la ricerca del tema di tesi abbiamo vagliato diverse possibilità legate a differenti luoghi fisici di ricerca e applicazione. Approdati al tema dello sfruttamento dell’energia solare ci siamo 03_LINEE GUIDA_

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Santa Fe. Zona commerciale nella periferia del DF

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Zona periferica con abitazioni 03_LINEE GUIDA_

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trovati a valutare due strade fortemente differenti per presupposti progettuali ed applicazione: uso diretto del sole ed energia solare come input per nuovi vettori energetici come l’idrogeno. L’uso diretto dell’energia solare è basato sulla fondamentale di ridurre i passaggi intermediari tra risorsa energetica e utente. Avvicinando l’utente alla risorsa energetica è possibile unire in un solo soggetto la figura del produttore e del consumatore energetico. Il modello dei vettori energetici (primo tra tutti l’idrogeno) è pensato per permettere all’utente di consumare le attuali alte quantità di energia, senza dover appoggiarsi ad un modello di consumo ed una rete appositamente progettati per l’energia solare, sfruttando quelli già esistenti. Per avvicinarci a ogni progetto abbiamo contattato parallelamente due professori, Il prof. Emilio Paolucci del Politecnico di Torino e il prof. Adolfo Finck dell’Universidad Iberoamericana in Città del Messico. Due differenti mete progettuali erano legate alla due strade: Messico e California. In Messico si sarebbe trattato di lavorare su progetti e macchine pensate per soddisfare il bisogno energetico della gente più povera del paese non raggiunta dalla rete elettrica che, comunque, non avrebbe il denaro per pagare. In California, invece, avremmo lavorato alla UCLA (Univesity of California Los Angeles) nel settore della ricerca per l’applicazione del vettore energetico idrogeno nel settore energetico. La scelta ha premiato la possibilità di avere degli ampi margini di applicabilità e sperimentazione presso l’Universidad Iberoamericana e la volontà di utilizzare il tempo della tesi su un tema che potesse avere potenzialmente ricadute positive in un campo sociale critico come quello delle comunità messicane. In questo modo siamo arrivati in Messico, una nazione dove abbonda l’energia fossili come petrolio e carbone, ma allo stesso tempo ha a disposizione un altissimo potenziale energetico sotto forma di radiazione solare. Il Messico è una nazione che si caratterizza più di molte altre per le sue forti politiche di centralizzazione delle risorse. Questo è riscontrabile in tutti i settori commerciali ma ancor più nel settore energetico. Per la maggioranza dei messicani, come per il resto del mondo, l’elettricità è un bisogno fondamentale insostituibile: miliardi di persone nel mondo sono legate a questa rete monopolistica di servizi energetici centralizzati. Il legno è in Messico l’unica risorsa “non centralizzata” reperibile da una famiglia media, utilizzata per cucinare, riscaldare acqua e ambienti. Lo scopo del progetto sarà quello di interessarsi al settore energetico focalizzandosi sulla risorsa del sole, creando strumenti per permettere un uso diretto della radiazione. Questi sistemi avranno lo scopo di decentralizzare la produzione energetica, e far sì che le famiglie più povere possano soddisfate bisogni i loro bisogni essenziali quali la disponibilità di acqua potabile o cuocere il cibo, senza che questo gravi sulla loro economia o sulla mole di lavoro quotidiana. Parallelamente si cercherà di introdurre nel progetto principi fisici relazionati con all’uso termico del sole per permetterci di introdurre una tecnologia semplice e fattibile per garantire de

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rendimenti d’uso della la risorsa rinnovabile. Questa strada è in forte contrasto con la via di sviluppo energetico che sta seguendo il Messico, in cui spesso i sistemi di approvvigionamento energetico importati e copiati dall’estero e considerati necessariamente di estrema complessità.

TARGET E BISOGNI

Gli utenti degli strumenti che di cui intraprenderemo la progettazione appartengono mediamente ad una classe socioeconomica medio-bassa. Ci focalizzeremo sulla particolare realtà messicana non tanto per le sue peculiarità, ma per avvicinare e adattare il nostro lavoro ad un ambiente ben definito ed analizzabile. La maggior parte delle persone che fa parte di questo target si caratterizzano per lavorare nel settore primario, svolgere attività manuali che spesso sono legate al settore agricolo. La famiglia media è composta da 6-9 persone che abitano in una casa solitamente piccola, costruita di mattoni di cemento e tetto di lamina. La fonte energetica più utilizzata è quella della combustione della legna, utilizzata per cucinare e riscaldare l’acqua, e, quando sia disponibile della corrente elettrica, usata per alimentare radio, riproduttori di musica, televisioni e lampadine. In questo ambiente abbiamo individuato alcuni problemi che colpiscono direttamente la loro qualità di vita. L’economia famigliare. Di solito l’economia famigliare e direttamente dipendente dalle vendite agricole. I prodotti sono solitamente commercializzati nelle grandi città per mezzo di numerosi intermediari che provocano l’aumento del prezzo dei prodotti e l’assottigliarsi dei margini di guadagni del produttore. Nella città vengono consumati direttamente o esportati negli Stati Uniti o Europa attraverso altri intermediari. Purtroppo, i margini di guadagno dell’agricoltore costituiscono una frazione irrisoria del prezzo del prodotto finale. L’avvicinamento di cliente e produttore potrebbe rappresentare una soluzione ai problemi di commercializzazione del contadino. Tra le possibilità esistenti per agevolare questo avvicinamento consideriamo possa avere ottime prospettive quelle legate alla conservazione dei prodotti. Se l’agricoltore potesse gestire autonomamente il processo di essiccazione dei suoi prodotti sarebbe possibile pensare alla possibilità di escludere dal processo di commercializzazione una buona parte degli intermediari. Inoltre il produttore avrebbe la possibilità di stabilire un rapporto diretto con il venditore o acquirente finale, riducendo le perdite di denaro che si perpetrano negli inutili passaggi commerciali. L’ipotesi di sviluppo di un essiccatore solare prende il via proprio da queste considerazioni. Igiene e malattie. La grande quantità di malattie a cui sono soggette le popolazione rurali messicane sono in gran parte dovute alla mancanza d’igiene, l’aspirazione dei fumi che si creano in cucina per la combustione della legna e l’ingestione dei batteri (soprattutto e-coli) presenti nell’acqua utilizzata a scopo potabile. E’ possibile agire su questi problemi intervenendo sulla 03_LINEE GUIDA_

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progettazione di forni e distillatori, macchine in grado di influire profondamente sulla qualità di vita delle persone proprio perché adibite a soddisfare i bisogni base dell’uomo (mangiare e bere). Costruzione, utenza, manutenzione. Nella riprogettazione di questi strumenti dovremo tenere in considerazione fin dal primo momento l’importanza dei materiali e processi produttivi del prodotto finale. In contrasto con le tecnologie solari fotovoltaiche, nel settore termico applicato a zone in via di sviluppo è assolutamente necessario far uso di oggetti e materiali estremamente semplici da industrializzare. Lo scopo sarà evitare l’importazione tecnologica, e considerare l’utente finale non solo come l’utilizzatore, ma anche l’eventuale manutentore e costruttore. Tabasco, la Signora Rodriguez. Cucinare nelle comunità fuori dalla città.

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TUTTO HA INIZIO.. PROPOSTA PER FINCK

Con questa proposta ci mettiamo in contatto con il Professor Adolfo Finck Pastrana dell’Universitá IberoAmericana. La nostra esperienza comincia.. Proyecto Diciembre 2007- Junio 2008 Titulo: Propuesta para una tesis de diseño y aplicación de: objetos con fuente energética solar directa, para producir energía térmica en zonas de recursos reducidos. Punto de partida: Somos tres alumnos del “Politecnico di Torino”, que tras realizar el ciclo superior del título “Laurea Specialistica in Design del Prodotto Ecocompatibile”, empezaremos a desarrollar una tesis para dar fin a nuestros estudios. Nuestras referencias (ver C.V.): - Andrea Carraro (Milán, Italia; 03/01/83) - Ludovico Allasio (Turín, Italia; 02/09/82) - Ortzi Akizu Gardoki (San Sebastian, España; 19/06/83) Después de valorar diversas propuestas para posibles realizaciones de la tesis, se ha optado por la elaboración y desarrollo de productos que utilicen como única fuente energética la energìa solar y que durante su producción, puesta en marcha y fin de vida fomenten el uso de recursos locales. Desde Febrero de este mismo año, nos hemos dedicado a la búsqueda de diferentes posibles tesis. Todas ellas tienen una cosa en común: queremos ver hasta que punto son aplicables las materias y metodologías de “diseño sostenible” asimiladas durante la carrera. Queríamos por ello, crear un proyecto que esté directamente enfocado en ser aplicado. Por ello, sea nosotros que nuestros profesores, estamos muy interesados en poder iniciar el desarrollo de un proyecto en la Universidad Iberoamericana, y por lo tanto en el entorno social Mexicano, visto el gran potencial y necesidad de desarrollar nuevas tecnologías con gran capacidad de realización y aplicación. Es decir, cambiar el concepto de que las nuevas tecnologías son de elevado coste, y realizar el inicio de una gama de productos donde las nuevas tecnologías sean accesibles a la toda la sociedad. Se desearía continuar con los proyectos de hornos solares y calentadores solares realizándolos bajo la supervisión de Adolfo Fink en la Universidad Iberoamericana. Fomentar el uso de la energía solar como fuente de energía, y incrementar el uso de materiales locales. Objetivo: 1- Demostrar que las nuevas tecnologías de energías renovables pueden ser de fácil producción, instalación y uso, en contraste con la corriente actual. 2- Aplicación de los métodos de diseño: “Design by components” y 03_LINEE GUIDA_

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“Systems Design” en el campo de generadores de energía térmica. Design by components: es un proceso de diseño donde el producto nace de la función que debe desenvolver para el hombre. El objeto deja de ser un simple “interface” y nace un dialogo entre función y hombre. Systems design: análisis de las conexiones de los materiales que componen el objeto y el mundo. De esta forma, un material nunca llega a su fin de vida, sino que se convierte el input de un nuevo ciclo. Es decir, el output de un proceso se convierte en el input de otro. De la misma forma se fomenta el uso de recursos locales, como concepto importante en la reducción de impacto ambiental (véase: www.zeri.org). 3- Analizar cómo se pueden complementar las dos universidades para poder crear un campo fértil de trabajo, para realizar proyectos del mismo genere. 4- Por último, constatar y profundizar la labor social que pueden ejercer los productos. Valor del proyecto: Éste proyecto se caracterizaría por su especial carácter de bajo impacto, sea a nivel ambiental sea a nivel político-económico. Valor ambiental: la intención es recurrir a la directa utilización de energía solar, utilizando su potencial calórico en el uso de hornos solares, secadores, termos de agua... Éstos se producirían con el máximo uso de recursos locales; recursos tales como materiales, procesos de producción... Además, se intentaría integrar diferentes sistemas de producción de otros sectores, en conexión con el ciclo de vida del objeto. Con ello se lograría reducir el impacto ambiental que hoy en día conlleva la producción de energía. Valor político/social: El uso de la energía del sol, la autoproducción de energía, nos proporciona una libertad económica. De la misma forma, la política energética de las diferentes zonas (ya sean pequeñas aldeas, pueblos o incluso familias) se ve afectado positivamente, fomentando la autogestión y evitando que empresas ajenas controlen la economía local. Recursos: El posible proyecto se apoyará en los siguientes recursos, ya sean humanos o académicos, para su realización. 1- El Profesor Luigi Bistagnino: Creador “Laurea Specialistica del Design del Prodotto Ecocompatibile”. Creador de la metodología de “Design by Components”. Él, ha introducido el método de análisis y realización de proyectos de “System design” en Italia, colaborando con Gunter Pauli (creador de ZERI) y Fritjof Capra (físico y escritor, entre otros, de los siguientes ensayos: The Tao of Physics (1975), The Web of Life (1996), The Hidden Connections (2002), The Science of Leonardo(2007)) El profesor Bistagnino ha aceptado ser el principal tutor de la tesis, de parte del Politecnico di Torino. Bistagnino, está dispuesto a colaborar abiertamente con la Universidad Iberoamericana, y guiarnos durante la realización de la tesis, sobre todo en la fase de la aplicación de las dos metodologías previamente citadas y en la fase de desarrollo de nuevas ideas. 2- Adolfo Finck: con este documento se quiere hacer la propuesta

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formal a Adolfo Finck (Profesor de la UIA y secretario de organización de la “Asociación Nacional de Energía Solar Sección Mexicana de la International Solar Energy Society” ) como principal tutor de la tesis en la UIA. Antes de tomar cualquier decisión, se propone discutir los puntos y responsabilidades que deberían adoptar todos los involucrados en el proyecto. También, se quiere subrayar, que ésta es una propuesta sin ningún tipo de obligación de cara al futuro, y es de carácter constructivo. Es de tener en cuenta la posibilidad de colaborar en un futuro con la CIE (Centro de Investigación de Energía, de la Universidad Nacional Autónoma de México). 3- Politécnico di Torino: se ha conseguido una beca, con la cual nosotros, los tres estudiantes involucrados en la tesis, podríamos financiarnos los gastos de desplazamiento a México, y afrontar los gastos de la vida cotidiana en dicho período. 4- Universidad Iberoamericana: a nivel burocrático, a finales del mes de agosto del 2007 (al inicio de éste semestre), se contactó con la Secretaría de Intercambio de la UIA. La cual afirmó que se han repetido varias veces intercambios de la misma categoría, y no habría ningún problema en proporcionarnos los documentos necesarios para la realización de la tesis, dado que no debemos cursar ninguna materia teórica. Duración del proyecto: Se han valorado las tesis realizadas en años precedentes, y se estima que la tesis tendria la duración de 5 a 6 meses en el lugar, y de 2 a 3 meses en Italia. De todos modos, para la definición exacta se pide consejo al profesor Adolfo Finck, basándose en sus experiencias con alumnos de años anteriores. Propuesta final: Los estudiantes de nombre: Andrea Carraro, Ludovico Allasio y Ortzi Akizu, bajo la organización del Profesor Luigi Bistagnino, hacen la propuesta formal al Profesor Adolfo Finck para poder iniciar un intercambio de ideas, para posteriormente, hacia Noviembre de 2007 poder iniciar el proyecto previamente definido.

Universidad Ibero Americana. Foto di gruppo con il Professor Finck.

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posti proget tuali

DISEGNO INDUSTRIALE

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PRESUPPOSTI PROGETTUALI

Approfondiamo l’ambito specifico di intervento del nostro lavoro: la cultura alimentare messicana. Ricostruiamo le basi del pensiero filosofico progettuale che ci ha guidati durante i mesi del nostro percorso in una disciplina tanto vasta come quella dell’energia solare.

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CULTURA ALIMENTARE MESSICANA FILOSOFIA PROGETTUALE TAVOLE ALLEGATE

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Cultura alimentare messicana LA CUCINA CONTEMPORANEA

La cucina messicana contemporanea è il risultato dell’unione tra la gastronomia dei popoli amerindi presenti sul territorio del paese e la tradizione gastronomica spagnola. Nella cucina messicana possiamo riconoscere alcuni elementi base presenti in tutti i piatti che ne determinano il sapore, il colore e la consistenza. Gli elementi preispanici del cibo messicano sono: il mais, grandi varietà di spezie e salse piccanti come il chile (o ajì), le carni rosse, i fagioli, il pomodoro, la cipolla e altre piante o cactus come il Nopal. La gastronomia de Messico si caratterizza inoltre per una grande varietà di piatti e ricette così come per la complessità della sua elaborazione; è famosa per i suoi sapori forti e sofisticati attribuiti da un condimento abbondante. Con il passare del tempo le influenze straniere non si limitano alla Spagna ma si estendono a diversi paesi del mondo, come Francia, Italia, Stati Uniti, Giappone. Non esiste un concetto unico di cucina messicana, anche se alcuni ingredienti e alcune tendenze comuni si mantengono in tutta la repubblica, riconosciamo delle differenze molto marcate a 04_PRESUPPOSTI PROGETTUALI_

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Piatti tipici. Pozole; Cocinita; Mole.

seconda degli stati interni e delle loro regioni. Esistono quindi certe ricette locali che si sono estese gradualmente fino a coinvolgere regioni e successivamente interi stati; questo è il caso di “platillos” come la “cochinita pibil” (Yucateca), “el mole poblano” (di Puebla), “el pozole” (originario di Sinaloa, Jalisco e Guerriero), “el cabrito” (Coahuilense di origine). Questi sono i motivi per cui in Messico si preferisce non parlare di gastronomia messicana al singolare ma di “gastronomias mexicanas” al plurale.

LA CUCINA NELL’EPOCA PREISPANICA

Piatti tipici. Tamal.

Prima della dominazione spagnola i popoli indigeni che abitavano il territorio basavano principalmente la loro dieta sui vegetali. Il mais, i fagioli e il chile erano i protagonisti dell’alimentazione nella cultura mesoamericana. Come fonte di proteine e grassi venivano allevati polli, tacchini e cani; cacciavano piccola selvaggina (scoiattoli, tassi…) e rettili; anche gli insetti facevano parte della loro alimentazione. Attualmente nelle comunità rurali con bassa estrazione sociale la dieta base continua essere formata da mais, fagioli e chile. Nelle città invece mangiare fuori casa è all’ordine del giorno: troviamo le tipiche “fondas” (locali dai prezzi modici) in cui si offre la classica “comida corrida” (fast food) costituita da piatti tradizionali serviti senza posate come i “tacos”, accompagnati da “las aguas” (succo di frutta allungato con acqua) o il “tamal” nelle varie versioni. I metodi di cottura che caratterizzano la cucina preispanica sono: cottura a vapore (come per il tamal)e cotture su pietra calda o fiamma di legna. Tamal. La ricetta consiste nel preparare una pasta (masa) molto densa con farina di mais (giallo o bianco) e acqua. Si formano poi delle piccole porzioni che vengono avvolte in foglie di banano e cotte al vapore. In realtà il paragone con la polenta non regge se non per il fatto che l’ingrediente principale è la farina di mais. Nelle zone non tropicali la foglia di banano è sostituita da foglie della pianta del mais.

NEL MESSICO COLONIALE

Nel periodo della dominazione spagnola le istituzioni religiose fecero da tramite per la maggior parte delle innovazioni e delle influenze culturali. Già nel XVI secolo i frati controllavano i lavoratori indigeni

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Ceramica indigena. Contenitori e pentole tradizionali.

nella costruzione di chiese, monasteri, scuole e cucine. Questi complessi erano autosufficienti: comprendevano orti, acquedotti, cisterne di rifornimento, locali di raffreddamento per la conservazione dei cibi, forni, refettori e cucine. Assistendo alla convivenza dei monaci con la servitù indigena, la cucina messicana divenne senza dubbio il risultato dell’unione di queste due culture, così come gli utensili che venivano utilizzati . Il “metate”, (pietra messicana usata per macinare), ad esempio viene affiancata al “mortero” (mortaio) europeo; la maiolica importata dalla Spagna, una volta prodotta in Messico, subisce l’influenza locale anche nella lavorazione. Questa ceramica è stata utilizzata per contenere, conservare e servire alimenti o come piastrelle decorative per la cucina. In altri casi la preparazione di cibi si effettuava in pentole di terracotta senza smalto elaborate secondo le tradizioni della ceramica indigena.

ALIMENTI PREISPANICI CUCINATI DA COMUNITà RURALI INDIGENE ATTUALI

Balchè: bibita alcolica di origine Maja ricavata dalla fermentazione di miele in di corteccia di Balchè. Questa bibita veniva usata come offerta rituale per gli Dei . Il Dio di questa bibita era Acan. Cocol: tipo di tamal di mais e fagioli impastato con il miele che nasce come una preparazione per riti religiosi dei Mexicas. Pozol (del Nahuatl Pozolli): bibita densa a base di cacao e mais di origine mesoamericana ; continua ad essere consumata e ad essere molto popolare nel sud del Messico, in particolar modo nello stato del Chapas, in Tabasco e presso alcune comunità indigene del centro america.

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I CIBI IN UNA COMUNITÀ RURALE

Gli alimenti tipici cucinati in Messico in una comunità rurale si caratterizzano per la loro semplicità nella preparazione, la facilità di reperimento e conservazione e in oltre per il loro prezzo poco elevato. Su una tavola di questo tipo possiamo trovare: Le tortillas, ricavate dalla pasta di farina di mais e acqua, schiacciata e cotta sulla piastra chiamata comal scaldata a fiamma viva. Il mais viene coltivato direttamente da chi lo consuma e la farina prodotta nella comunità I fagioli cotti in pentola possono essere di diverse varietà a seconda del luogo in cui ci troviamo e sempre coltivati da chi li mangia Piatto tipico. Tortillas di mais.

Il riso che accompagna sempre qualsiasi tipo di piatto viene fatto una vola al giorno e poi riscaldato per i diversi pasti Verdure di stagione cotte o crude in insalata che arrivano anch’esse da coltivazzioni del luogo. L’uovo che occupa il primo posto nella scala degli alimenti ad alto valore biologico, cioè contiene tutti gli aminoacidi essenziali e tutti in forma utilizzabile, viene cucinato quando è disponibile. Fornito quindi dalle galline che vivono in modo ruspante e libero tra le abitazioni della comunità. La carne cucinata più raramente perchè più costosa solitamente è di pollo o bovina. Deriva sempre da bestiame che viene allevato nella comunità Salse di diverse varietà, ricavate da spezie, molto saporite e quasi sempre picccanti. Le bevande che sostituiscono l’acqua decisamente scarsa nei villaggi sono quasi sempre presenti sulle tavole. Reperibili anche nei posti più isolati, bevande come la Coca Cola hanno dei prezzi estremamente bassi e quindi accessibili a chiunque. Subito pronta da bere, anche fresca e dissetante, la Coca Cola viene scelta in oltre per con il suo alto contenuto calorico che con il gas da quella sensazione di sazietà a chi magari non può sempre permettersi dei pasti regolari negli orari tipici della giornata. Paradossalmente uno dei simboli del consumismo occidentale riesce ad essere molto ricercato in questi contesti e consumato in quantità sorprendenti proprio perchè purtroppo risulta conveniente e soddisfacente. Le bevande preparate in modo naturale come infusi necessitano sempre dell’ebollizione dell’acqua per eventuali contaminazioni. Il più diffuso di queste è sicuramente il caffè de olla (caffè bollito) seguito da vari infusi di erbe e té.

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GLI UTENSILI “DE COCINA”

Comal: parola utilizzata in Messico per definire un utensile della cucina tradizionale: un tipo di piastra per cottura il cui nome deriva dalla lingua Nahuatl “Comalli”. Il comal è costituito da una semplice lamiera di spessore abbastanza ridotto che gli antichi messicani realizzavano anche in terracotta. Olla de barro: pentola di terracotta di forma generalmente rotonda con ampia apertura a cratere e due manici, usata per cuocere alimenti. Molcajete: pietra tagliata in forma concava, di origine locale, utilizzata come contenitore per salse e alimenti liquidi o cremosi. In cucina il molcajete, comunemente ricavato dalla pietra vulcanica e oggi modellato anche in terracotta, viene usato anche come mortaio con l’ausilio di un tejolote o temachin anch’esso in pietra vulcanica. Questo utensile ha origine molto antiche e viene tuttora usato nel centro e nel sud della repubblica messicana. Tortilladora: la pressa manuale in alluminio con piastra a forma circolare per dare forma alle tortillas. Recipienti per infusi e cafè de olla in cui si può fare comunimente bollire l’acqua per la preparazione delle bevande calde. Molcajete. Contenitore tradizionale intagliato nella pietra.

Tortilladora. Metodo tradizionale per fare una tortilla a mano con la tortilladora.

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Metate. Macina in pietra di origini indigene.

Metate: mulino di pietra dalla forma orizzontale in cui si macina il grano di mais per poi preparare lgli alimenti che ne derivano come le tortillas.

GLI ORARI DEI PASTI E LA LORO IMPORTANZA

Nelle grandi città non troviamo dei veri e propri orari ben definiti, infatti in questo caso la gente può trovare ogni sorta di cibo per strada da: venitori ambulanti, locali di “Comida Corrida” (“fast food” ma con cibi tipici messicani come i tacos), bancarelle e naturalmente ristoranti. Questi cibi così facili da reperire sono economicamente alla portata di tutti e disponibili a qualsiasi ora della giornata per cui al primo languorino chiunque sfrutta l’occasione. Solitamente però chi mangia a casa propria affronta i tre pasti della giornata in maniera differente rispetto a quella occidentale e che omunque va sempre di pari passo rispetto alle disponibilità economiche. La colazione diventa il primo pasto forte della giornata appena lzati, lauta e ricca di energia serve per cominciare bene la giornata lavorativa e sostiene l’organismo fino al pranzo; comprende piatti tipici costituiti da tortillas, formaggi, uova, salse, affettati, verdure e frutta, carne, yogurt il tutto accompagnato da caffè e enormi frullati e spremute di frutta fresca. Il pranzo che arriva quasi a metà pomeriggio verso le 15 resta il secondo pasto forte della giornata e risulta ricco quanto la colazione; in questo caso subentrano anche stufati, minestre, insalate e grandi contorni che accompagnano primi e secondi

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Venditore ambulante. Taqueria ambulante in strada.

piatti. Per la cena bisogna aspettare fino alle 21 o anche di più, e questa non prevede molto, il messicano resta leggero per la notte.

MANGIARE PER STRADA

Las Fondas. In Messico la Fonda è un piccolo ristorante economico conosciuto anche come “cocina economica”; si differenza dagli ristoranti e caffetterie perché qui il cibo è offerto come “comida corrida” che consiste in tre portate chiamate “tiempos”, nome ispirato ai tre tempi della corrida spagnola. Il primo tempo è un’ “entrada caldosa” generalmente consommé di pollo o di carne bovina oppure zuppa di pasta. Il secondo tempo è un “plato seco” generalmente riso, pasta o insalata di verdura fresca. Il terzo tempo è il piatto forte: piatto tipico a scelta . In certe fondas c’è la possibilità del quarto tempo, corrispondente Fonda. Ristorante tipico specializzato in comida corrida.

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DETTI MessicanI SULLA GASTRONOMIA «Mujer que guisa, se casa aprisa» «A comer y a la cama, una vez se llama» «A falta de pan, tortillas» «Al mejor cocinero se le va un jitomate entero» «Las cuentas claras y el chocolate espeso» «Del plato a la boca se cae la sopa» «A comer y a misa, una vez se avisa» «Donde no hay harina, todo es muina» «Las penas con pan son menos» «Barriga llena, corazón contento» «Entre menos burros, más olotes» «Para todo mal, mezcal. Para todo bien, también» «Cuando como no conozco» «Primero mis dientes, luego mis parientes» «A los hombres por el estomago se les conquista»

al dolce e solitamente viene offerta l’alternativa di piatti singoli che non appartengono al menù del giorno ma derivano dalla tradizione regionale (antojtos). Las Taquerias. Locali specializzati nel servire “tacos” e altre varietà di cibi messicani, principalmente “antojtos”. Possono essere di diversa grandezza, dai venditori ambulanti con bancarelle per strada fino a locali di grandi dimensioni con talvolta posti a sedere per consumare il pasto. El mercado. Legumi, frutta e qualsiasi tipo di alimento si trovano nei mercati sempre presenti su tutto il territorio. Qui si possono trovare luoghi aperti in cui si può mangiare a prezzi molto contenuti. La cucina nei mercati consiste generalmente in semplici “comales” di alluminio per riscaldare il cibo preparato precedentemente dalle donne nelle proprie case. Il fast food classico di concezione americano è presente anche su territorio messicano ma a volte non ha grande successo. Qui l’usanza del pasto veloce per strada è stata da sempre ben presente e consolidata però con cibi tipicamente messicani, quindi risulta più difficile da soppiantare rispetto ad altri luoghi in cui usanze simili non erano presenti e la novità occidentale trova il campo libero per diffondersi.

IL LEGNO: LA RISORSA ENERGETICA PIÙ USATA

Per cucinare la risorsa energetica più utilizzata nelle comunità rurali è il legno. Circa il 90% delle popolazioni rurali sfrutta questa fonte di energia, secondo le fonti della Universida Nacional Autonoma de Mexico (UNAM). Viene scelto questo materiale perchè facilmente reperibile e perchè è offerto gratuitamente dalla natura, proprio come il sole, ma a differenza di quest’ultimo ha un problema, è una fonte esauribile. Quindi il Messico oggi giorno si trova di fronte ad un’allarmante problema di deforestazione causato da più di 30 millioni di persone che cucinano ardendo legna. Inoltre, 6 millioni di queste persone si trovano in condizioni così disastrate da non poter essere raggiunti dall’energia elettrica e quindi, volenti e meno, la legna risulata la loro unica fonte

Cucina. Piano cottura in una cucina rurale.

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Deforestazione. Veduta aerea del parco biologico Mariposa Monarca.

energetica. L’effetto della deforestazione lo possiamo osservare nelle immagini satellitari che ritraggono il parco biologico della Mariposa Monarca. La differenza presente è frutto di soli 3 anni. Oltre a questi problemi di tipo ambientale se ne aggiungono altri di tipo sanitario. Prima di tutto, con la combustione effettuata liberamente dentro casa, le persone respirano quotidianamente molto fumo e alcuni individui, come le donne e i bambini ancora piccoli, lo respirano quasi tutto il giorno. Secondariamente, ma non con meno importanza, a causa di cotture non appropriate che non raggiungono temperature adeguate con il cibo incontriamo mallattie come: il botulismo, l’escoricchia coli, la salmonella, lo stafilococco, le gastrointeriti e altri problemi mediamente gravi. Comunemente la cucina è la stanza più grande dell’abitazione, anche se questa molte volte si riduce ad una semplice e povera capanna. Durante le stagioni più fredde la familia si riunisci ovviamente qui perchè è presente il fuoco che riscalda anche l’ambiente.

Cucina. Piano cottura su stufa a legna.

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Quasi tutte le comunità hanno in oltre una cucina comune, usata in occasioni particolari da tutte le donne come per giorni di festa o per accogliere invitati graditi. Nelle cucine rurali la maggior parte dei cibi è cotta nei comal a contatto con la fiamma viva da combustione da legna. Il carbone non è usato e quindi i posti in cui viene fatto il fuoco hanno lo spazio adeguato per poter alimentare e mantenere la fiamma con nuovi pezzi di legna. Cucina. Spazio dedicato all’interno della capanna in una comunità rurale; Comal; anziana signora che prepara tortillas.

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Rudimentalmente molte volte ci troviamo di fronte a dei semplici mattoni refrattari che mantegono rialzato il comal dalla fiamma. A volte invece il fuoco viene accomodato in una struttura di cemento o fango come nel caso di questa donna Zapoteca. Questa struttura è giusto della misura del comal per sfruttare quasi totalmente il calore prodotto dal fuoco. In questo caso viene anche usato del carbone a volte. Se invece ciò che viene cucinato ha bisogno di bollire in acqua o scaldato con metodi simili vengono utillazzate delle pentole di metallo, semplici e rudimentali senza fondi particolari. Altri contenitori che fungono da pentole sono le “ollas de barro”, pentole in terra cotta. Qui il cibo assume sapori differenti e queste pentole vengono predilette proprio a seconda dei piatti da cucinare per questo motivo. In oltre per la loro buona capacità termica, il cibo può restare al caldo e continuare lievemente la sua cottura anche quando la pentola non è più a contatto con la fonte di calore, e deve conservarsi ad una certa temperatura più a lungo rispetto che in una pentola di lamiera.

Recipienti per cottura. Pentola in lamiera; Olla de barro.

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FILOSOFIA PROGETTUALE INTRODUZIONE Prima di iniziare a raccontare l’evolversi del nostro

percorso di tesi, vorremmo chiarire alcuni aspetti che precedono il nostro lavoro, le scelte che stanno alla base di qualunque interpretazione sul significato del nostro lavoro. Spendere un anno di vita su un settore come quello del solare non dipende da interessi professionali, o da solleticamenti di natura tecnica: è, prima di tutto, una decisione presa in quanto uomini con idee, ideali e sogni, e non tecnici-progettisti in cerca di uno sbocco professionale o margini di profitto. Per l’introduzione filosofica al nostro lavoro ed al settore delle energia rinnovabili prendiamo come base il fondamentale testo di Herman Scheer, che citeremo in numerose occasioni e sulle cui parole imbastiremo un sistema di pensiero a toccare politica, economia, società ed, infine, disegno industriale.

ENERGIA RINNOVABILE: QUALI OSTACOLI ESISTONO?

C’è un dato stupefacente sul dibattito sull’energia: la sproporzione tra l’enormità del danno ed del pericolo previsto e la pochezza delle misure assunte per evitarlo. “Quando nel 1992 i governi di tutte la nazioni (organizzazione governative e non), si sono incontrati a Rio de Janeiro per la conferenza sull’ambiente e sulla sviluppo promossa dalle Nazioni Unite, non fu presa una sola decisione sulle energie rinnovabili. Dieci anni più tardi alla Rio plus 10, la successiva edizione della conferenza tenutasi a Johannesburg, quello delle energie rinnovabili fu il tema centrale della discussione, ma il dibattito terminò con un semplice appello: “promuovere l’energia rinnovabile nei tempi più rapidi possibili””. “Parlare globalmente per rimandare localmente” afferma Scheer: in altri termini, una semplice dichiarazione a nascondere l’inadeguatezza del corpo politico nell’affrontare un tema di tale importanza: Per questo è assolutamente necessario aver chiaro che il primo problema all’introduzione delle energie rinnovabili non è di natura tecnica, ma politica e sociale. La nota “mano invisibile del mercato” lodata da Adam Smith assume aspetti sempre più inquietanti: oltre a prendere atto di come non sia in grado di garantire l’equilibrio delle economie e delle società, notiamo come, in realtà, abbia da sempre usato la sua invisibilità per agire indisturbata e al di sopra di ogni responsabilità nei confronti della società.

ASPETTI POLITICI

Ciò che fingiamo di non vedere è qualcosa di assolutamente evidente. La maggior parte delle attività economico-produttive non traggono il loro guadagno dal loro effettivo lavoro-servizio.

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14,6 9,2 rinnovabili

fusione nucleare

17,8

Sussidi OPEC. nucleare vs. rinnovabili.

9,6 4,1

rinnovabili

nucleare

combustibili fossili

Il margine di guadagno nasce dall’opportunità data dall’attuale sistema politico-economico di esternalizzare le proprie spese su società ed ambiente. In questo modo i costi esternalizzati, oltre a non essere quantificabili, sono pagati dalla società in termini di emissioni, rifiuti, sfruttamento del lavoro, infrastrutture pubbliche, ecc.. Il liberismo economico non vive, in realtà, di regole naturali, ma di leggi e strutture politico-legislative che ne permettono la sopravvivenza, esattamente come qualunque altro modello economico. “La molteplicità di sussidi statali, diretti ad indiretti, offerti alle energie tradizionali sono la prova che la pretesa competitività dell’energia nucleare e dei combustibili fossili si basa sull’inganno... Essi vanno dalle misure intese a sostenere il mercato alla sottoscrizione di investimenti per le infrastrutture, fino alla messa a disposizione gratuita dei servizi di sicurezza civile e militare. Tutto ciò senza contare i costi non contabilizzati dovuti ai danni ambientali, sanitari e climatici”. Nonostante le dichiarazioni di intenti, il sistema di sovvenzioni e aiuti alla ricerca sono in preponderanza destinati all’industria dell’energia fossile e nucleare. I piani energetici del cosiddetto “primo mondo” sono disegnati attorno agli interessi dei privati senza badare a previsioni a medio e lungo termine. Più in particolare, Scheer prende in analisi i dati sui finanziamenti in campo energetico. I sussidi dei paesi dell’OCSE, Organization for Economic Co-operation and Development, (americhe settentrionali, Europa, Australia, Giappone...) tra il 1984 ed il 1995 ammontavano a 9,27 miliardi di dollari per l’energia rinnovabile, 17,84 miliardi di dollari per la fissione nucleare, 14,64 miliardi di dollari per la fusione nucleare. Un altro studio della UE del 1997 ha calcolato i sussidi statali diretti dei paesi membri per l’anno 1995 in: 9,68 miliardi di dollari per i combustibili fossili, 4,1 miliardi di dollari per il nucleare, 1,24 per le rinnovabili. In sostanza, fa notare Scheer: “...le società produttrici di energia elettrica sono finanziate dai loro stessi consumatori, un vantaggio che esse possono usare per sbarrare la strada a eventuali nuovi concorrenti”. E’ quindi evidente che il mercato energetico è regolato da tutto tranne che dalle regole del libero mercato e della libera concorrenza. Le origini dei forti limiti dell’espansione del mercato delle energie rinnovabili sono, forse, da rintracciare al di fuori del mercato stesso?

1,2

FOSSILE O SOLARE: GLOBALIZZARE O LOCALIZZARE?

L’autore prosegue introducendo il concetto dei sistemi aperti e chiusi: “Il pianeta in cui viviamo è un “sistema aperto” e allo stesso tempo un “sistema chiuso”: aperto al continuo flusso di energia solare, chiuso per quanto riguarda le riserve di combustibili fossili e la quantità di materia, acqua e terra disponibili”. Le attuali statistiche indicano che i consumi di riserve fossili dal 1990 ed il 2020 registrerà un aumento del 50%. E aggiunge:“Le riserve energetiche mondiali sono reperibili in un numero limitato di luoghi, mentre sono consumate ovunque.

Sussidi UE. le rinnovabili sono all’ultimo posto.

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prodotto naturale prodotto intermedio

applicazione ossigeno

materiale â&#x20AC;&#x153;solareâ&#x20AC;?

microrganismi energia solare

fotosintesi

sintesi biologica

fogliame delle piante

anidride carbonica, acqua minerali piante viventi

chimica delle piante: ciclo chiuso

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residui persistenti decomposizione parziale applicazione

decomposizione dei prodotti

emissioni, inquinamento, residui

prodotto finito

prodotti intermedi

altissimo costo energetico

precursori chimici

numerosi residui chiazze di petrolio

prodotti intermedi raffineria

petrolio greggio autocisterne

petrolchimica: ciclo aperto monodirezionale

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Le fonti di energia sul nostro pianeta. Tutto è riconducibile all’energia solare.

Proprio questo dato è stato una dei primi fattori che ha spinto verso la Globalizzazione, nel tentativo di accaparrarsi le risorse. Fin dall’alba della Rivoluzione Industriale, il mondo commerciale ha sistematicamente rotto i legami con la propia base geografica, culturale e ambientale... Il mondo dell’estrazione di combustibili e di minerali è separato da quello della generazione elettrica e della produzione industriale... le istituzioni politiche democraticamente controllate vengono gradualmente tagliate fuori dalle reali sedi decisionali, dove vengono compiute scelte che tengono sempre meno in conto il futuro del mondo.” E’ necessario chiamare l’evoluzione moderna dell’economia con in nomi appropriati e rompere al più presto con l’idillio della globalizzazione che connette mercato, produttori e consumatori in un sistema di mutua collaborazione. La Globalizzazione offre ai paesi avanzati un lasciapassare, una giustificazione morale per appropriarsi delle suddette risorse attraverso accordi pacifici o violenti, non fa alcuna differenza. Chiunque non sia d’accordo è considerato un attentatore al “giusto” e “naturale” evolversi della società civile moderna. Le strutture stesse degli stati e delle loro relazione sono fortemente modellate su questo sistema globalizzato-gerarchizzato di approvvigionamento dell’energia e delle risorse: dalla sorte dei paesi ex-coloniali a quelli facenti parte dell’ex-URSS o a quelli di tutta la zona mediorientale. “Il potenziale energetico solare, invece, non solo è inesauribile, è anche geograficamente diffuso. perché ovunque c’è luce e calore solare, forza delle maree, del vento e dei corsi d’acqua, piante e altre sostanze organiche”. Scheer offre uno spunto estremamente interessante alla riflessione ad alla visione del sistema-mondo in cui viviamo. Tutto ciò che l’uomo utilizza ed ha utilizzato come fonte di energia è frutto dell’energia solare: dalla legna (fotosintesi) all’energia degli

riflessa dall’atmosfera

riflessa dalla terra evaporazione proveniente dal mare

pioggia

radiazione solare totale

evaporazione proveniente dalle piante

energia ricavata dal movimento dell’acqua

flora fauna marina

carbone

gas naturali petrolio

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Solar energy

Primary energy

Natural energy conversion

Hydro power

Evaporation, Rain, Melting

Hidropower station

Atmosphere movement

Wind generator

Wave movement

Wave power

Heating of the Eeart Surface and atmosphere

Heat pumps

Wind power

Solar radiation

Technical conversion

Human Habitation

Solar thermal collectors Solar radiation Solar cells, photovoltaies

Biomass

Biomass production

Combined heat and power station Conversion plant

animali (alimentati dai nutrienti vegetali), dal vento (differenze di calore dell’aria), allo scorrere dei fiumi (evaporazione dell’acqua) fino ad arrivare alle stesse risorse fossili che altro non sono che resti vegetali e animali fossilizzatisi dopo processi secolari.

Le fonti di energia sul nostro pianeta. Sotto che forma l’energia solare arriva e viene sfruttata sulla terra.

LA CIVILTÀ FOSSILE

Come utilizziamo la materia prima fossile per il cui approvvigionamento interi stati ed economie si scontrano? La bruciamo, semplicemente! Diamo fuoco a petrolio, gas o carbone, materie che costituiscono veri e propri documenti storici, dalle caratteristiche chimiche ed organiche uniche per usarne il solo potere calorifico.. Vaporizziamo materie prime che, almeno, potrebbero essere utilizzate per la sintesi di materiali polimerici dalle caratteristiche pressochè uniche. In pratica effettuiamo un’operazione ben più grezza e banale di quella di un qualunque cavernicolo che, per scaldarsi, da fuoco ai rami raccolti nel bosco dietro casa. La differenza è solo che a questa operazione associamo culturalmente idee ed immagini di progresso, sviluppo ed evoluzione tecnologica quando, invece, utilizziamo uno dei più unici materiali presenti sulla terra per dargli fuoco! E’ questa la “civiltà piromane” con cui Scheer spesso appella ironicamente la nostra moderna società. La struttura orma insostenibile delle città in cui vive la maggior parte della popolazione mondiale, affonda le radici della sua organizzazione proprio nell’energia fossile. Se un tempo gli agglomerati urbani nascevano laddove erano disponibili le risorse 04_PRESUPPOSTI PROGETTUALI_

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Emissioni causate dall’uso di carburante. Deformazione planisfero mondiale.

necessarie alla vita, la moderna disponibilità di grandi canali di veicolazione di merce ed energia (ferrovie, cavi elettrici) ha offerto la possibilità di concentrare grandi quantità di persone in aree assolutamente troppo ristrette per un sostentamento naturale. “In tempi pre-industriali, una città aveva bisogno di un area di campi e boschi dalle 40 alle 100 volte superiore a quella abitata. Crisi di scarsità erano improbabili fintanto che questo limite naturale veniva rispettato”. Ad inizio’800 la sola città nel mondo che superasse il milione di abitanti era Pechino, raggiunta qualche decennio dopo da Londra che stava vivendo in pieno il boom della rivoluzione industriale (fonte: Four Thousand Years of Urban Growth - Tertius Chandler – 1987). In questo modo città ed uomo hanno ancora una volta perso il contatto con il sistema naturale in cui vivno e da cui hanno ricevuto vita. Scheer afferma che: ”Le ampie risorse di energia e di materiali hanno fornito piena libertà agli architetti e ai pianificatori urbani, eliminando impedimento di tipo climatico, geografico ed ecologico. Il risultato è stato l’uniformità globale dell’architettura.” Gli edifici si sono sviluppati in altezza badando alla sola disponibilità di energia concentrata nel tessuto urbano e dimenticando ogni nozione di impronta ecologica.

L’idea del progresso. I futuristi.

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6 5 8 4 2

1 Roma Kaifeng (cina) 100

(giappone)

inizio rivoluzione industriale

Tokyo

milioni di abitanti

1000

Merv Hangzhou

(Turkmenistan)

1100

Beijing

Beijing (cina)

(cina)

1200

1300

1400

1500

1600

1700

New York (u.s.a.)

12 6

London

(u.k.)

5 8 4 2 Pechino & London 1800

1900

1 2000

Le attuali città fossili verrebbero paralizzate in un istante se Concentrazione private dell’energia che fino ad ora le ha deformate e gonfiate. La della popolazione in base energetica in cui affondano le radici è sempre più instabile. agglomerati urbani. Le Corbusier, il celebre architetto che ha anche lasciato la dall’ingresso dell’energia sua discutibile impronta nel campo del disegno industriale, è stato fossile, le città hanno iniziato uno dei teorici della cosiddetta “città fossile”. Con l’edizione della a crescere ed a concentrare della popolazione agglomerati urbani. Carta di Atene del 1941, ha definito un modelloconcentrazione di organizzazione popolazione e attività sulle resso dell’energia fossile, le città hanno iniziato a crescere ed a concentrare popolazione e attività sulle stesso ristretto territorio. urbanistica delle città industriali che è stato seguito, purtroppo, da stesso ristretto territorio. moltissime città ad alta crescita demografica in Italia e Francia. Le Corbusier introduce il concetto di “zonizzazione”: la città divisa in differenti zone funzionali (abitazionale, lavorativa, industriale, di svago). Il risultato della zonizzazione è stata la crescita disorganica del tessuto urbano, la distruzione della vita organica dei quartieri e la creazione di un’insensata necessità di mobilità all’interno della città che, oltre ad influire sulla qualità di vita degli abitanti, ha spesso ingigantito i consumi energetici degli agglomerati urbani. Le Corbusier. Modello di città secondo “zonizzazione”.

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Scheer spiega perché le odierne città industriali sono destinate a fallire. “... la diminuzione delle risorse fossili fa crescere i prezzi a livelli superiori alle possibilità della maggior parte degli abitanti della città.. Quanto il sistema energetico fossile è responsabile di questo processo? La popolazione urbana deve farsi carico dei costi diretti ed indiretti dell’energia, della distribuzione di combustibile e di elettricità..”. L’avvento dell’economia post-industriale ha fortemente messo in crisi il modello urbano-sociale fossile che sopravvive nel perpetuarsi di un circolo vizioso: continuerà ad esistere per tutto il tempo in cui le vittime del sistema sono messe nella condizione di continuare ad alimentarlo e di partecipare ai suoi costi umani ed economici. A rischiare di più non sono, però, i paesi che hanno superato la fase di industrializzazione, ma proprio quelli che, in piena crescita, non sapranno trovare un modello differente di sviluppo.

LA TRAPPOLA FOSSILE NEI PAESI IN VIA DI SVILUPPO

Importazione petrolio. Deformazione planisfero mondiale.

A rinforzare la tesi della mancanza di qualsiasi visione a medio-lungo termine da parte del nostro attuale sistema economico e politico, Scheer ricorda uno dei fondamenti del pensiero fisiocratico del 18° secolo: “L’agricoltura era considerata come la sola fonte di ricchezza, non tanto perché era proprio in questo settore che la vera produzione aveva luogo. Erano considerati vera produzione solo quei processi che portavano ad una crescita dei materiali, in contrasto con i processi di conversione che risultavano di fatto in una perdita dei materiali. Secondo questa logica se un aumento del prodotto deve essere pagato con la distruzione di risorse, la crescita economica si traduce in realtà in “crescita negativa””. Nei decenni in cui si gettavano le basi filosofiche della Rivoluzione Industriale, i modelli di pensiero che ponevano come proprie basi il rapporto uomo-ambiente non sono riuscite ad affermarsi. Nella stessa situazione si trovano ora e si troveranno

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World Bank & WTO. Working for a world free of poverty?

numerosissimi paesi che reclamano il loro diritto di esistere e di decidere del proprio futuro. I paesi post-industriali non hanno la legittimità di fare loro da guida e di spingerli su strade diverse: per secoli hanno seguito ciecamente i loro interessi, e ora non possono reclamare l’autorità di impedire di replicare ciò che loro stessi hanno fatto per secoli. In effetti non lo fanno, anzi. Sempre più numerose zone del pianeta sono segnate da continue ondate migratorie interne che svuotano le campagne e riempiono le maggiori città di proletari (nel senso originale del termine) che non trovano alcun tipo di infrastruttura pronta o pensata per accoglierli. Le città fossili attraggono risorse energetiche, materie prime ed uomini come fossero i 3 ingredienti della miscela di cui si nutre. Seppur un nuovo modello economico-sociale già percorribile non sia facile da scorgere, i cosiddetti paesi avanzati agiscono ignorando ogni regola sia in campo ambientale, etico e umano. La Banca Mondiale e la WTO (World Trade Organization), soggetti analizzati da innumerevoli autori, agiscono mediamente come organo di corruzione e ricatto politico internazionale. Promuovono gli interessi dei paesi industrializzati e delle peggiori multinazionali (prime tra tutte proprio quelle del settore energetico) attraverso immensi finanziamenti pubblici per coprire, in questo caso, le spese di nuovi oleodotti, megacentrali elettriche convenzionali, pozzi petroliferi. Ricattano, contrattano e corrompono per ottenere concessioni politiche e legislative in

Working for a world free of poverty?

Esportazione petrolio. Deformazione planisfero mondiale.

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termini di diritti dei lavoratori, obblighi delle compagnie, tassi di interesse, margini tributari. Il mondo non è in grado di supplire ai livelli di consumo né di crescita dei paesi industrializzati e post-industriali. Nonostante questa certezza, il “primo mondo” (definizione sarcastica), continua a seguire e diffondere il proprio modello utilizzando ogni mezzo a disposizione: primi tra tutti il potere bellico, economico e politico. Il fisico e attivista Vandana Shiva ricorda:“Solo le cellule tumorali non sono in grado di smettere di crescere. Noi abbiamo elevato una cellula malata a modello di un sistema economico e di vita”. La speranza è che i paesi in via di sviluppo possano dimostrare di saper fare meglio di chi ha messo a punto l’attuale sistema economico, resistere alle forti interferenze provenienti proprio da quegli stessi paesi e trovare una terza via che per alcuni aspetti possiamo solo teorizzare e che difficilmente partirà dal cosiddetto “primo mondo”.

COMPARARE DIVERSI MODELLI ENERGETICI

Le comparazione tra i sistemi di approvvigionamento energetico convenzionali e le alternative solari sono assai difficili. I due modelli hanno nature, logiche di funzionamento, pregi e difetti così differenti che fanno sì che i normali mezzi di statistica siano mezzi d’indagine assolutamente inappropriati per un corretto approccio al tema. Per calcolare, ad esempio, la competitività dell’industria del nucleare e dei combustibili fossili non vengono mai presi in considerazione “i costi collaterali così come i sussidi, presenti e passati, diretti e indiretti, i costi derivati dal guasto ambientale e dalla distruzione permanente delle risorse”. Un altro esempio caratteristico dell’impossibilità di calcolare in termini matematico-statistici due sistemi tanto differenti è quello relativo ai calcoli di efficienza energetica delle catene di approvvigionamento. Le statistiche ufficiali sulle energie convenzionali tendono ad escludere tutte le perdite degli step che vanno dall’estrazione alla centrale elettrica, calcolando, quindi, il solo tratto dalla centrale al consumatore. Statistiche simili non possono avere alcun valore reale, in quanto processi quali l’estrazione e le raffinazioni sono i più dispendiosi in termini di consumi energetici ed efficienza. La lussemburghese MDI (Motor Development International) calcola che utilizzare il petrolio per alimentare autoveicoli vuol dire arrivare ad avere perdite totali di efficienza del 90%: non solo bruciamo il greggio per utilizzarne il potere calorifico, ma ne consumiamo il 90% ancor prima di utilizzarlo! Al contrario, tutte le perdite di efficienza relativi a sistemi di approvvigionamento energetico rinnovabili non costituiscono, di fatto, né un costo ambientale né un costo economico aggiuntivo. E’ un fattore fondamentale che nelle statistiche non viene mai preso in considerazione. Per avere uno strumento oggettivo di valutazione da affiancare a quelli tradizionali Scheer propone l’analisi delle caratteristiche e lunghezze delle catene di approvvigionamento delle attuali risorse energetiche in comparazione a quella solare.

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E’ molto interessante capire cosa si celi dietro ad un cubetto di carbone o alla cosiddetta “energia nucleare pulita”. La reazione spontanea è quella di chiedersi come sia possibile che simili modelli di approvvigionamento energetico possano essere percorribili e, addirittura, concorrenziali.. vedremo presto come il modello della libera concorrenza non sia, in realtà, troppo libero, e che la mano invisibile del mercato abbia anche un braccio ed una mente che la controlli.

GG IO

estrazione esafluoruro

raffinazione

estrazione

trasporto

eliminazione rifiuti

trasporto

stoccaggio

trasporto

utilizzo in centrale

installazione

LI CO

(C E

F VO OT LT O AI CO

rete elettrica alto voltaggio

RA IC LE O EL ET TR

arricchimento

eliminazione raffinazione rifiuti

trasporto

ON E

trasporto

estrazione

+ COSTI ECONOMICI e AMBIENTALI

estrazione minerale

trasporto

+ STEP

GR E

NU CL

trasporto

estrazione uranio

Fonti di energia. Step necessari ad ogni filiera per raggiungere l’utente finale.

installazione

rete elettrica medio voltaggio

STEP DELLA CATENA DI APPROVVIGIONAMENTO NECESSARI A RAGGIUNGERE L’UTENTE FINALE 04_PRESUPPOSTI PROGETTUALI_

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Esportazione petrolio non raffinato. Deformazione planisfero mondiale.

CATENE DI APPROVVIGIONAMENTO DELLE ENERGIE CONVENZIONALI Passiamo in rassegna i principali approvvigionamento energetico ora esistenti.

sistemi

PETROLIO GREZZO (7 -> 12) Le principali riserve sono localizzate nella penisola arabica, Usa, Russia, Venezuela, Norvegia e Messico. Il primo anello è l’Estrazione, che avviene proprio in questi territori con tecniche già in partenza estremamente pericolose per l’ambiente quali l’iniezione nel sottosuolo di anidride carbonica, polimeri o soluzioni corrosive. Il petrolio estratto è poi Trasportato per migliaia di kilometri alle raffinerie dei paesi industrializzati con mezzi energivori e a pericolo di contaminazione ambientali come petroliere, treni cisterna, oleodotti. Il terzo anello è il cosiddetto Cracking, operazione estremamente contaminante che fraziona il greggio nelle sostanze base dell’industria chimica e rilascia idrocarburi, zolfo, azoto, monossido di carbonio e scarti liquidi e solidi. La conseguenza è il quarto anello, ovvero l’Eliminazione dei rifiuti. Il quinto è lo Stoccaggio dei prodotti della raffinazione ed il sesto il loro invio alle stazioni di rifornimento/uso. Il settimo anello è il loro Utilizzo finale. GAS NATURALI (5 -> 10) Le principali riserve sono localizzate in Russia, nell’area del Mar Caspio, in Iran e Algeria. Dopo l’Estrazione, il secondo anello è la Purificazione e Condensazione, processi estremamente costosi in termini energetici senza i quali è impossibile trasportare il gas. Il terzo anello è il Trasporto nei gasdotti che spesso coprono distanze di migliaia di chilometri. Lo Stoccaggio necessita di cisterne in grado di mantenere bassissime temperature con elevati consumi di energia per evitare i rischi di esplosione. Il quinto anello è rappresentato dalla Distribuzione (per mezzo di infrastrutture in grado di gestire gas esplosivo) ed il sesto dall’Utilizzo finale da parte di singoli utenti o enti di erogazione elettrica.

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CARBONE (5 -> 10) I principali esportatori di carbone sono Australia, USA, Sudafrica, Canada, Russia e Polonia, ma le riserve sono distribuite un po’ ovunque. Dopo l’Estrazione, il carbone viene Raffinato in base ai suoi utilizzi: rimozione corpi estranei, frantumazione, omogeneizzaazione, disidratatazione e trasformazione in blocchi standard per la combustione. Il terzo anello è quello dell’Eliminazione dei rifiuti: addensamento dei fanghi, arricchimento con minerali, lavaggio e filtraggio. Queste operazioni sono estremamente costose a livello energetico e gravemente contaminanti. Nel quarto anello il carbone è Distribuito al quinto anello per l’Utilizzo presso centrali elettriche e consumatori al dettaglio. NUCLEARE (9 -> 14) Nonostante stia godendo proprio in questi mesi di nuova popolarità, quello dell’industria atomica è il sistema di approvvigionamento più complesso. Il primo anello della catena, l’Estrazione, è reso particolarmente complicato dal rischio di radiazioni. Nella seconda fase il minerale di uranio viene Trasportato agli impianti di raffinazione dove viene Trasformato in ossido di uranio (yellow-cake). Nella quarta e quinta fase lo yellow-cake è Trasportato in altri impianti di raffinazione per la Produzione di esafloruro di uranio, e quest’ultimo viene Trasportato agli impianti di arricchimento dove avviene la Produzione delle barre di combustibile. Le barre di combustibile vengono quindi Trasportate alle centrali elettriche per essere utilizzate (nono anello). Ogni anello dell’approvvigionamento implica un uso intensivo di tecnologia ed un elevato consumo di energia, con considerevoli danni e rischi ambientali. Scheer sottolinea come a questi anelli di approvvigionamento sia necessario aggiungere i costi relativi all’eliminazione dei rifiuti e della distribuzione dell’energia elettrica (voce principale del consumo energetico) che consistono nella ridistribuzione dell’energia elettrica prima ad alto, poi a medio e, successivamente a basso voltaggio. Questo implica una successione di almeno 10 step per

Produzione di nucleare. Deformazione planisfero mondiale.

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le centrali elettriche a carbone e almeno14 per quelle nucleari. Senza contare la costruzione di installazione di estrazione, oleodotti, autocisterne, centrali elettriche, cablaggio e la necessità di occuparsi dell’inquinamento dei suoli, delle acque e dell’aria, dei danni al clima e alla salute di uomini, animali ed altri esseri viventi!

L’ALTERNATIVA SOLARE: CATENE CORTE

Nonostante la leggerezza con cui si sta affrontando la questione energetica, l’alternativa solare e quella rappresentata dalle altre rinnovabili deve essere seriamente presa in considerazione. Il margine potenziale è consistente, ma senza un effettivo cambio del modello economico ed infrastrutturale delle energie tutte le alternative non potranno che rimanere ad uno stadio di sottosviluppo. “Ogni anno il sole fornisce alla terra 15.000 volte più energia di quanta ne venga consumata dalla popolazione umana” ma, continua Scheer “...quando si parla di energia solare si finisce per assumere un atteggiamento prettamente pre-tecnologico.. non si manifesta alcun interesse nell’esplorare le modalità di una eventuale, completa sostituzione dell’energia fossile...” Per uscire dalla sterile discussione sull’effettiva capacità delle rinnovabili di soddisfare la richiesta energetica e sulla mancanza di tecnologie appropriate, prendiamo in considerazione le lunghezza della catena di approvvigionamento energetico delle più importanti risorse rinnovabili allo stato attuale. Per brevità considereremo solo fotovoltaico e termico, e l’eolico. Per poterle comparare con i precedenti sistemi dell’energia convenzionale le considereremo integrate nell’attuale sistema di produzione di energia elettrica (ipotesi penalizzante per le rinnovabili). Il tema proprio della tesi, energia termica diretta, conta un solo step di approvvigionamento, ponendosi su un piano di sostenibilità assolutamente irraggiungibile per le fonti di energia tradizionali! FOTOVOLTAICO (2) Il fotovoltaico conta soltanto 2 step di approvvigionamento: Installazione e Distribuzione/Utilizzo nelle rete a basso voltaggio che avvengono, quindi, nel medesimo momento. EOLICO (2) Il sistema eolico prevede l’Installazione della fattoria eolica che immetterà energia direttamente nella rete a Medio voltaggio per poi passarlo a quella di Basso voltaggio ed essere distinata all’Utilizzo. TERMICO - CENTRALI ELETTRICHE (5) Le centrali elettriche contano 5 step di approvvigionamento, 4 dei quali dovuti alla rete di distribuzione: Installazione, distribuzione nelle reti ad Alto voltaggio, Medio voltaggio, Basso voltaggio ed Utilizzo. Una comparazione con i 10 anelli del sistema del carbone o i 14 del sistema nucleare è quasi superflua: lunghissime sequenze di lavorazioni ad alto consumo energetico, alto grado

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teoricamente inesauribile?

senza rischi?

senza restrizioni geografiche?

FOTOVOLTAICO

sì

sì, rendimento variabile

SOLARE TERMICO PER ELETTRICITÀ

sì

no, dipende dall’insolazione

EOLICO

sì

no, dipende dai venti

IDROELETTRICO

sì

no, dipende da fiumi, deforestazione e cambiamento climatico

MOTO ONDOSO

sì

no, dipende dalla situazione delle coste

GEOTERMICO

sì

no, dipende da disponibilità di calore sotterraneo

CALORE SUPERFICIE OCEANO

sì

sì, risente del cambiamento climatico

no, dipende da geografia

IRRAGGIAMENTO SOLARE

sì

sì, con efficienza variabile

sì

sì, se gestita in modo sostenibile

no, dipende da disponibilità di terreno adatto

BIOMASSA PER PRODUZIONE ELETTRICA

di contaminazione, pericolosità e contenuto tecnologico contro l’agilità dei sistemi di approvvigionamento energetico (oltretutto) rinnovabili. Un aspetto in particolare acquista fondamentale importanza: nei sistemi rinnovabili la rete di distribuzione di energia costituisce praticamente tutti gli anelli della catena. Ciò rappresenta al tempo stesso un pericolo ed una grande opportunità. Finchè si cercherà di inserire i sistemi di approvvigionamento di energia rinnovabile nell’attuale rete/modello energetico creato su misura per l’energia convenzionale, non faremo altro che soffocarne il potenziale, facendo il gioco degli attuali padroni dell’energia. Tra le peculiarità dell’energia solare e di gran parte delle rinnovabili vi è la possibilità/necessità di essere create e sfruttate diffusamente su tutto il territorio. Decentralizzando la produzione, approfittando del fatto che il sole accarezza l’intera superficie terrestre, non avrebbe senso pensare di affidarsi ad una rete per la distribuzione energetica quando si dovrebbe pensare a produrre sul luogo stesso del consumo.“...più della metà dei costi dell’erogazione elettrica è rappresentata dalla costruzione e dalla messa in funzione della rete di distribuzione.. Un vantaggio decisivo delle risorse rinnovabili sarà, in futuro, nella possibilità di generare elettricità a costi tecnologici e infrastrutturali minimi.” afferma Scheer, “...è necessaria una rottura piena con l’idea che quanto funziona per i combustibili fossili, funzionerà anche per l’energia rinnovabile: le strutture richieste dall’energia da combustibili fossili non hanno

Fonti di energia rinnovabile. Pregi e limiti.

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niente a che fare con quelle per la fornitura di elettricità da solare”. E’ questo un concetto da applicare non solo al settore di distribuzione dell’energia elettrica. Per staccarci dalla dipendenza dell’energia fossile e puntare sullo sviluppo di sistemi che possano garantire all’umanità un futuro sarà necessario strutturare nuovi modelli commerciali, produttivi e, ancora più importante, culturali.

GENESI, FUTURO E OMBRE DELL’INDUSTRIA FOSSILE

Scheer descrive molto chiaramente in che modo il modello energetico attuale abbia potuto diventare quello dominante. Non è stato merito della sua competitività, dei vantaggi economici o capacità di sfruttare le regole del libero mercato: come spesso succede, la storia dell’uomo è fatta da singoli e privati che meglio sanno approfittare dell’occasione a scapito della collettività. Nonostante le misure adottate dalle economie di mercato per evitare il formarsi di cartelli e concentrazioni industriali, i giganti della produzione fossile hanno presto iniziato fondersi, acquistando la capacità di portare sotto il proprio tetto interi settori legati alla catena di approvvigionamento dell’energia. Il caso più eclatante è quello dei leader della produzione petrolifera, le cosiddette “sette sorelle”, organizzate apertamente in un unico gigantesco cartello in grado di dialogare e dettare le azioni di qualunque ente politico o privato e di eliminare il concetto di concorrenza dal mercato. E’ stata data loro la possibilità di controllare l’intero ciclo di produzione dell’energia: “Di fatto esse agiscono come nuove potenze coloniali, ma senza assumersene alcuna responsabilità politica” afferma Scheer. Le spregiudicate ondate di privatizzazione che hanno colpito gran parte degli enti storicamente statali non hanno assolutamente risparmiato le aziende di distribuzione dell’energia elettrica. In questo modo i monopoli statali sono diventate facile preda dei colossi dell’energia fossile che hanno spesso potuto assicurarsi il controllo totale dell’intero mercato energetico: dall’estrazione accentrata di combustibili fossili, alla produzione di energia elettrica nelle centrali fino alla distribuzione porta a porta. Fornitori di energia primaria, gestori delle centrali elettriche, società di gestioni delle reti di distribuzione sul palmo di una sola mano. Le spinta data dall’Unione Europea nella direzione di unificare le reti di distribuzione di gas ed elettricità di tutta la zona euroasiatica, ha dato ulteriori possibilità ai leader della produzione di energia di fondersi legittimando la creazione dei primi produttori organizzati su base internazionale. “L’industria elettrica è ora libera di fondersi con altre società transnazionali all’interno della catena di approvvigionamento delle risorse”. Inoltre, con l’inclusione dell’energia elettrica nel sistema del WTO il costo dell’energia elettrica si è abbassato in tutto il mondo. La Carta dell’Energia sottoscritta a livello Europeoha sancito ulteriori investimenti pubblici sugli impianti di estrazione

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100

prezzo petrolio

120

Il prezzo del petrolio. Andamento degli ultimi 10 anni (Fonte: Haver Analytics).

80 60 40 20

1999 anni

2000 01

Fonti: Haver Analytics; IMF Primary Commodity Prices database; e IMF dei giacimenti fossili, favorendo e legittimando esplicitamente in staff calculations. sede politica lo strapoterenei dei12colossi internazionali dell’energia Percentuale dei cambiamenti mesi dell’anno secondo l’indice CPI

che potranno continuare a produrre immense quantità di energia fossile sul mercato a prezzi impossibili per la concorrenza. “..soltanto pochi sembrano preoccuparsi del fatto che i processi prima descritti stanno accelerando l’esaurimento delle risorse disponibili.. le opportunità fornite dall’apertura dei mercati energetici sono state vanificate dalla crescita del potere dei gestori della rete elettrica”. E’ questo il frutto di una decisa volontà politica dettata dalle interferenze di questi colossi trasversali dell’energia che hanno potuto scavalcare il muro delle leggi e controllarle da dietro. Poteri economici di simile portata sono, inoltre, appoggiati da tutti i maggiori gruppi bancari, creando delle lobby di incredibile potenza. Le istituzioni politiche sono sempre più incapaci di opporre resistenza e di arginare lo strapotere di qualcosa che non hanno saputo e voluto fermare a tempo debito. Ogni interferenza al sistema, ogni proposta che possa metterlo in discussione, incontra quindi l’opposizione di questi enormi soggetti economico-politici in grado di controllare l’apparato decisionale del mondo dell’energia. I cartelli della produzione-distribuzione dell’energia hanno almeno due fondamentali punti di forza materiali: l’immensa disponibilità di denaro ed il possesso della più fitta rete capillare di distribuzione. Scheer suggerisce un quadro della situazione ancor più ampio ed allarmante: “...la potenziale polifunzionalità della rete di distribuzione elettrica presenta un singolare vantaggio: è il passaporto dell’industria elettrica per entrare nel mercato ritenuto di maggior importanza per il futuro della società industriale, quello delle telecomunicazioni” Le attuali politiche di smantellamento dei monopoli delle telecomunicazioni e della “convergenza tecnologica” dei mezzi

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di comunicazione fortemente promossi dall’Unione Europea (spostamento di servizi e mezzi di comunicazione su un unico canale come la rete telefonica o, appunto, quella elettrica - per ulteriori approfondimenti rimandiamo al testo di Peppino Ortoleva, Mediastoria - ) stanno esattamente spianando la strada alla creazione dei più grandi colossi economici che la storia abbia mai vissuto. Immensi poteri già in possesso delle infrastrutture e del denaro necessari al controllo delle reti di comunicazione a cui manca solo il benestare politico per un piano follemente pericoloso: energia e comunicazione, i pilastri della società postindustriale, nelle mani degli stessi soggetti. “Se i politici non riescono a frenare un simile sviluppo, è perfettamente chiaro cosa ci riserverà il futuro... Le società per l’erogazione elettrica si sottrarranno sempre più al controllo della politica e alla trasparenza di mercato... prenderanno il sopravvento sulle reti convergenti trovandosi quindi in una posizione dalla quale possono esercitare controllo sulle transazioni elettroniche, sui mezzi di comunicazione e sulle trasmissioni televisive... avranno il potere di controllare l’accesso alle informazioni del pubblico e perciò di orientare l’opinione pubblica... Ne risulterà un supercartello di proporzioni uniche uniche nella storia economica e politica”. L’opzione fossile, non rappresenta, quindi, solo un pericolo ambientale, ma anche una rischio di immensa portata nelle questioni politiche, sociali ed economici nel medio termine. Gli attuali padroni dell’energia lotteranno per mantenere il controllo di ciò che hanno nelle loro mani attraverso il controllo degli organi di potere, delle reti di distribuzione di energia o la produzione e i brevetti delle macchine facenti parte del sistema di approvvigionamento energetico. I maggiori ricercatori e investitori privati nel campo delle energie rinnovabili sono, ad oggi, le stesse compagnie che controllano il mercato delle energie fossili e convenzionali. Se le risorse solari/rinnovabili offrono l’opportunità di una de-monopolizzazione e ri-regionalizzazione del sistema della produzione energetica grazie alla loro presenza diffusa e “democratica” sul territorio e alla libertà di utilizzo (che speriamo non venga mai messa in discussione), investire su di esse non è sufficiente. La delocalizzazione e democratizzazione è una opportunità, non una certezza.

MA QUANTO COMBUSTIBILE E’ RIMASTO?

Da ben oltre un decennio, tra i paesi industrializzati vige la consapevolezza di dover limitare i propri consumi di energetici e, ancor più, quelli basati su risorse non rinnovabili. Questa consapevolezza è spesso stata tradotta in leggi e regole di condotta. Cerchiamo, quindi, di capire come sta evolvendo l’andamento dei consumi energetici nel mondo negli ultimi anni e decenni. Utilizzeremo qui l’acronimo TOE, Ton of Oil Equivalent: un TOE è l’equivalente energetico derivato dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo e vale circa 42 GJ (gigaJoule). Il TOE è utilizzato per rendere più maneggiabili e comprensibili i quantitativi di consumo energetico. Equivale a poco più di 7 barili

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di greggio. Secondo le statistiche elaborate dalla IEA (Agenzia Internazionale per l’Energia), istituita dall’OCSE (Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico) nel periodo compreso dal 1971 ed il 1990, l’erogazione di energia ad uso commerciale è passata da 4,9 miliardi di TOE annui a 7,8 miliardi di TOE, con un incremento di circa il 60 %. Le previsioni per il periodo 1990-2010 suggeriscono un aumento a 11,5 miliardi di TOE all’anno ed una crescita ulteriore del 48 %, per poi arrivare ai 13,75 miliardi di TOE annui previsti per il 2020 con un incremento del 22% rispetto ai consumi del 1990. L’obiettivo del summit di Rio 1992 era quello di portare i consumi alle quote del 1990. I paesi dell’Unione Europea non rappresentano sicuramente un modello virtuoso: nel 1971 il consumo energetico totale era di 1,15 miliardi di TOE, nel 1990 è passato a 1,43 miliardi ed è previsto che ammonterà a 1,95 miliardi nel 2010 ed a 2 miliardi di TOE nel 2020. In sostanza, nel periodo successivo al summit di Rio 1992 vi sarà un aumento dei consumi energetici pari al 36% per il 2010 e del 43% per il 2020. In compenso l’andamento delle produzione energetica da fonti rinnovabili cresce a velocità marginali. Nel 1971 le rinnovabili producevano l’equivalente di 110 milioni (non miliardi!) di TOE, nel 1990 avevano raggiunto i 218 milioni e si stima che la produzione rinnovabile raggiungerà solo i 370 TOE per l’anno 2010 ed i 465 milioni per l’anno 2020. Il gap tra richiesta e fornitura energetica da fonti rinnovabili sarà drastico. Un altro dato interessante per riflettere sullo stato dell’attuale sistema di produzione di energia è quello relativo all’efficenza aggregata: nel 1971 il consumo energetico degli utenti finali rappresentava il 74 % dell’input utilizzato sotto forma di energia primaria. Nel 1995 l’efficienza è scesa al 69,5%. Questo particolare indica come la tecnologia relativa all’energia fossile sia ormai talmente matura da non poter progredire e come l’estrazione di materia fossile sia sempre più onerosa in termini energetici man mano che si avvicina al suo esaurimento. Nonostante l’irresponsabilità della condotta mondiale in campo energetico, le stime sulle riserve fossili esistono e sono compilate sia da enti indipendenti che dalle stesse compagnie estrattrici. Le diverse stime sulle riserve di greggio vanno dai 118 miliardi di tonnellate stimati dall’United States Geological Survey ai 151 miliardi stimati dalla BGR. Accettando le stime più ottimistiche, se l’estrazione annuale rimanesse ai livelli del 1995 (3,32 miliardi di tonnellate annui) le riserve giungeranno ad esaurimento attorno al 2050. Prendendo, invece, in considerazione l’aumento dei consumi previsto dalla IEA entro il 2020 (5,26 miliardi di tonnellate annue) il greggio potrebbe terminare attorno al 2035. Anche per le riserve di gas esistono stime differenti: la United States Geological Survey calcola una riserva di 131.800 miliardi di metri cubi, mentre la BGR ne prevede 152.900 miliardi. In altri termini, se il tasso di estrazione rimarrà costante, potremo contare sul gas per un periodo variabile dai 57 ai 65 anni.

Stime delle riserve. Petrolio rimasto in tonnellate.

118 miliardi!

132 miliardi!

141 miliardi!

151 miliardi!!!

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09/09/2008 23:28:10

131.000 miliardi!

Anche le più ottimistiche statistiche compilate dagli stessi estrattori di petrolio denunciano l’esaurimento delle riserve fossili della terra (ad eccezione del carbone che sarà disponibile per ancora più di un secolo con l’attuale tasso di estrazione).

144.300 miliardi!

CAMBIAMENTI

144.700 miliardi!

152.900 miliardi!!!

Stime delle riserve. Gas attuale in metri cubi.

Consumi energetici. Ultimi 40 anni e previsioni future.

12 10

noi siamo qui

Summit di Rio de Janeiro

consumo energetico mondiale a uso commerciale

miliardi di TOE / anno

E’ chiaro che nei prossimi decenni dovrà accadere qualcosa. Il 21° secolo è iniziato con un bagaglio tale di problematiche interconnesse mai risolte che dovranno necessariamente sfociare in un cambiamento sociale, politico, economico. Il cambiamento potrà essere prevalentemente pacifico o prevalentemente violento. La prima ipotesi potrà avere qualche possibilità di aver luogo solo se le prossime due generazioni sapranno essere migliori di quelle che le hanno precedute. Lo scenario, dunque, non è dei migliori. Il disegno industriale inteso nella sua accezione più ampia e sana, quella del ponte tra saperi, tra specialismi, tra mondi solitamente non comunicanti, non potrà fare nulla da solo. Come progettisti abbiamo deciso di puntare sul locale, sulla chiusura di sistemi ben definiti geograficamente, di risolvere e contribuire alla soluzione di problematiche fortemente radicate al territorio. Sono esperienze portate avanti nella consapevolezza di non star minimamente cambiando gli equilibri e le direzioni dei temi finora trattati, ma con l’intenzione di mettere alla prova se stessi e, probabilmente ancora di più, il mondo, la problematica stessa. Come progettisti abbiamo deciso di dedicare tempo e risorse ad una causa prima che ad un progetto, ad un ideale prima che a un prodotto, e abbiamo deciso di seguire il ruolo di distruttori di certezze preconfezionate prima che di creatori di soluzioni usa e getta. Abbiamo domandato al posto di rispondere, e quando una risposta è emersa, l’abbiamo cercata di utilizzare come base per nuovi interrogativi. Al termine dell’esperienza saremmo lieti di pensare di aver contribuito alla definizione di un punto da inserire nell’arazzo che Herman Scheer disegna nella sua opera dimostrando, inoltre,

6 4

8 6 4

consumo energetico Unione Europea

2 produzione energetica mondiale da rinnovabili

1970

anno

1980

1990

2000

2010

2020

80 _PRESUPPOSTI PROGETTUALI_04

Use the sun 2.indb 80

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200

200 OTTIMISTA

limite riserve di petrolio 150

OTTIMISTA

(miliardi di tonnellate)

limite riserve di gas 150 (miliardi di m3)

PESSIMISTA

quantità consumi

100

PESSIMISTA

consumo di petrolio

100

(4,46 miliardi di ton / anno dal 2010)

anno

consumo di gas

(2,3 miliardi di m3 / anno dal 2010)

2010

2020

2030

2040

2050

di conoscere molto bene l’impianto delle filosofia dei sistemi: “Ristabilire il naturale flusso circolare delle risorse è la chiave per uno sviluppo responsabile in termini di sostenibilità nel lungo periodo.” Questa deve essere la base di una nuova economia basata sull’energia solare, che possa giustapporre economia e cicli naturali, strutture commerciali e istituzioni democratiche.

2060

2070

Quanto durerà il petrolio. Previsioni ottimistiche e pessimistiche.

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Stati Uniti, Europa e Giappone sembrano esplodere quando, alla dimensione dei loro confini, viene associato il valore del loro Prodotto Interno Lordo. Le parti si invertono quando ad essi si associa il parametro della presenza di povertà nei loro territori: il cosidetto “terzo mondo” si espande paurosamente mentre il “primo mondo” quasi scompare dalla mappa.

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POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Facoltà di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

Studenti:

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

MAPS (1/4) planisferi deformati

PLANISFERO POLITICO: deformazione zero

PIL : ingrandito in proporzione al PIL

USA EUROPE JAPAN

POVERTÁ : ingrandito in proporzione alla povertà

AFRICA INDIA CHINA SOUTH AMERICA

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Equilibri invertiti: le zone di estrazione e produzione del petrolio non sono assolutamente le più ricche del pianeta e, anzi, sono quasi invisibili nella mappa del PIL. Le risorse fossili sono “aspirate” dai paesi neocolonizzatori, che si nutrono dell’oro nero per continuare ad espandersi come un cancro ed esplodere nella mappa del PIL. Nello stesso tempo, i paesi in via di sviluppo, molti dei quali estrattori di greggio, sono tra i minori consumatori di energia.

Use the sun 2.indb 84

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Facoltà di Architettura I

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DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

MAPS (2/4) planisferi non deformati

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

RISERVE DI PETROLIO Ingrandito in proporzione delle riserve petrolifere (Colorato secondo il consumo di petrolio)

Riserve di petrolio (bilioni di barili) 264.2 137.5 115 101.5 97.8 79.7 74.4 39.6 39.1 35.9 29.3 16.5 16.0 15.2 13.7

Sauadi Arabia Iran Iraq Kuwait United Arab Emirates Venezuela Russian Federation Kazakistan Libya Nigeria USA Canada China Qatar Mexico

Consumo petrolio (barili al giorno) 20 + 10 - 19.9 5 - 9.9 2 - 4.9 1 - 1.9 0 - 0.9

PLANISFERO I movimenti mondiali del petrolio

25.1 50.1

36.4

102.0

Flussi commerciali mondiali (milioni di tonellate)

81.5

244.2 126.1

70.8

120.9

USA Canada Messico Sud e Centro America Europa ed Eurasia Oriente medio Africa Pacifico di Asia

154.3

208.4

19.7 333.7

90.6 35.3

51.8 34.0 28.8

21.4

36.0

CONSUMO ENERGETICO PRO CAPITE Chi consuma di più?

(kg equivalenti di petrolio) sopra 10000 da 5001 a 10000 da 2501 a 5000 da 1001 a 2500 da 501 a 1000 da 0 a 500

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Come per le riserve petrolifere, ciò che chiamiamo “terzo mondo” è anche il maggior “proprietario” di energia solare. E’ questo uno degli aspetti che fa più pensare all’alternativa solare come l’unica che possa avere un futuro.

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09/09/2008 23:28:18

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MAPS (3/4) planisferi non deformati

FASCE DI RADIAZIONE Disponibilitá di energia solare

1.0-1.9 2.0-2.9 3.0-3.9 4.0-4.9 5.0-5.9 6.0-6.9 (Energia Fotovoltaica disponibile kWh/m2)

FASCE DI TEMPERATURA dal gelo all’ansura

(Gradi Celsious) <-29.5 -29.5 a -25 -24.5 a -15.0 -14.5 a -10.0 -9.5 a -5.0 -4.5 a 0 0.5 a 5.0 5.5 a 10.0 10.0 a 15.0 15.5 a 20.0 20.5 a 30.0 30.5 a 35.0 35.5 a 40.0 >40.0

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La radiazione complessiva del sole, che si può misurare con un piranometro, è divisibile tre componenti: la radiazione di onde corte, di onde lunghe e la radiazione albedo. La prima è costituita dai raggi ultravioletti dello spettro e da parte dello spettro visibile. Il secondo comprende i raggi infrarossi e parte dello spettro visibile. In questa mappa rappresenta il potere calorifico del sole. Infine, la radiazione albedo è costituita dalla somma della radiazione riflessa dall’ambiente circostante. Sommando la radiazione albedo a quella diffusa si ottiene la radiazione indiretta, di cui parleremo nel capitolo di ricerca per l’esecuzione dei calcoli di efficienza delle macchine solari.

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09/09/2008 23:28:21

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MAPS (4/4) radiazione sglosata

RADIAZIONE ONDE CORTE Ultravioleta e parte visiva

no dati 0

100

150

200

250

300

350

W / m2

RADIAZIONE ONDE LUNGHE Parte visiva e infrarossi

no dati 0

150

200

250

300

350 W / m2

RADIAZIONE ALBEDO Radiazione riflessa

no dati 0

Use the sun 2.indb 89

09/09/2008 23:28:25

Quella qui illustrata Ă¨ la tipica cucina delle case rurali che si possono incontrare dalle periferie delle grandi cittĂ fino ai piccoli paesi e comunitĂ presenti in ogni lato della Repubblica. La struttura architettonica Ă¨ costituita da semplici pareti di terra oppure cementate, e chiuse da un tetto in lamiera. Donne e bambini passano gran parte della giornata in questi locali che sono spesso invasi da vapori e fumi che rappresentano un grave rischio per la loro salute.

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09/09/2008 23:28:26

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

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ALIMENTAZIONE casa & cucina

L’ABITAZIONE Pianta di un abitazione rurale tipica VISTA DALL`ALTO

VISTA DAL LATO FUMI

STANZA DA LETTO

VAPORI CUCINA

LA CUCINA Attrezzature e strumenti

T IEN L CA AS A R U AG ERDU eV : LA L O DE caffé É i F CA uso d inf

Use the sun 2.indb 91

a ess r p A: OR alla D a A ILL form rtilla T o R TO dare ella t r pe ssa d ma ve do as” a tr ll ias torti p : AL o le “ M CO ostan si t

ra iet r p i pe od lin ntale i u d E: m orizo nno T A a T a r ME ndric e il g r i l a i c cin ma is. ma

e SA LAS A M RTIL TO

09/09/2008 23:28:31

La tipica famiglia messicana Ă¨ numerosa, il nucleo famigliare si allarga a membri di diverse generazioni e i figli di minore etĂ che non hanno ancora lasciato la casa sono in media tre. Le abitudini alimentari sono il risultato di un connubio tra tradizioni culturali millenarie ed influenze socioeconomiche moderne. Le ore dei pasti sono decisamente flessibili: il pasto forte Ă¨ il pranzo (ore 15), la colazione (appena alzati) Ă¨ sostanziosa, e la cena (ore 21) quasi assente.

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09/09/2008 23:28:31

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ALIMENTAZIONE abitudini alimentari di una famiglia

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ABITUDINI ALIMENTARI DELLA FAMIGLIA

MADRE

ZIO

fagioli 30 gr

riso 30 gr

Use the sun 2.indb 93

115 gr

40 15

215 gr 40

uova 15 gr

carne 15 gr

porzione giornaliera media per persona

215 gr

verdure cotte 40 gr

caffè 60cl

FIGLIO 10

PADRE

FIGLIA 7

NONNO

tortilla 20 gr

FIGLIA 12

NONNA

Membri della famiglia: 8

305 gr 15

120 gr

30 60

40 60

240 gr 40

480cl porzione giornaliera totale per famiglia

09/09/2008 23:28:41

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05 Storia CAPITOLO

DISEGNO INDUSTRIALE

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STORIA

Riassumiamo le tappe più importanti del background storico del nostro campo di investigazione: la storia dell’utilizzo dell’energia e della cucina solare negli ultimi due secoli. Breve schematizzazione delle principali categorie di forni solari esistenti.

05 97 111 119

Use the sun 2.indb 96

L’USO DELL’ENERGIA SOLARE STORIA DELLA CUCINA SOLARE CLASSIFICAZIONE DEI FORNI SOLARI

09/09/2008 23:28:41

L’USO DELL’ENERGIA SOLARE Questo paragrafo vuole rappresentare un rapido sguardo ai due secoli in cui possiamo individuare una vera e propria storia dell’energia solare. Non abbiamo la pretesa di essere esaustivi sull’argomento (per questo esistono numerosi testi di riferimento), ma vogliamo in questo modo fissare alcuni punti di riferimento dello sviluppo della tecnologia solare per comprendere quali siano state le ragioni dei successi e fallimenti che l’hanno segnata. I riferimenti sono stati tratti dal libro “Dal Sole” di John Perlin, uno dei più importanti specialisti e divulgatori del settore delle energie solari.

CRONOLOGIA

SECOLO ‘800 Gia nella metá di questo secolo appaiono nelle memorie di numerosi autori come Augustin Mouchot ed Ericsson le prime ansie legate alla preoccupazione dell’esaurimento del carbone. Si crea una filosofia della non dipendenza del carbone come unica risorsa energetica. Si diffondono i primi concentratori solari a mano di Mouchot ed il collettore solare di Shuman chiamato “letto caldo”, un complesso di tubi neri in una superficie esposta al sole. 05_STORIA_

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Motore solare. La macchina messa a punto da Ericcson nel 1872. 1867 Willoughby Smith: si scopre il carattere semi-isolante del Selenio durante i lavori di posa sull’oceano del cavo transatlantico per le telecomunicazioni. La scoperta rileva che il selenio cambia di conduttivitá elettrica a seconda della luminositá della giornata.

Cavo transatlantico. Cartina dell’epoca.

1876 Due britannici (Grylls Adams ed il suo allievo Richard Evans Day) scoprono che il selenio converte la luce del sole direttamente in elettricità. Vengono effettuati esperimenti con il selenio sotto

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l’acqua: scoperta della fotoelettricità.

fotone

1884 Charles Fritts di N.Y. creano il primo pannello fotovoltaico. Werner Von Siemens e Maxwell, si interessano all’energia solare. 1899 L’uomo di scienza George M. Minchin, si avvicina alla descrizione di un pannello fotovoltaico: “ [la cella] agisce semplicemente da trasformatore di energia che riceve dal sole… i materiali che la compongono rimangono invariati”. 1905 Einstein scopre che i fotoni più potenti fanno staccare l’ultimo elettrone del selenio conferendogli energia. Più l’onda é corta, più potenti sono i fotoni. Più è lunga l’onda, più deboli sono i fotoni.

I fotoni. Gli studi di Einstein.

1915 Con la prima guerra mondiale la ricerca si ferma. 1931 Bruno Lange realizza un pannello solare con un rendimento dell’1%. ANNI ’40 Minchin sviluppa il concetto di “sostenibilità”: eliminazione assoluta del fumo. 1953 Gerald Pearson mette a punto una cella al silicio nei Laboratori Bell. Il New York Times afferma: “l’inizio di una nuova era”. Gli scienziati Barryl Chapin, Russel Ohl, Fuller, cercano di avvicinare la “giuntura p-n” alla superficie per aumentare il rendimento. Si ottiene così un potenziale teorico del Si (23%). Il rendimento effettivo delle celle sale dall’1% al 2.3% grazie alla anche al rivestimento antiriflesso (ideata da Chapin) che permette al 90% dei raggi di raggiungere la cella. giunzione p-n

molto vicino alla superficie

Si (+Ga)

Bagno di Litio

Silicio. Gli studi di Pearson.

rivestimento stratto di Boro

Silicio + minuscula quantitá di Arsenico questo a un eccesso di eletroni

Laboratorio Bell. Barryl Chapin, Russel Ohl e Calvin Fuller al lavoro.

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Calvin Fuller. Un immagine dal laboratorio Bell.

ANNI ’50 RCA (laboratorio concorrente di Bell) utilizza lo “stronzio90” invece del sole per emettere i fotoni. Utilizzando le scorie radioattive si produce elettricitá: è il progetto “ Atoms for PEACE” annunciato dall presidente degli U.S.A. Dwight D. Eisenhower. 1954 Fuller ottiene un rendimento del 6%. Si passa della fosforizzazione alla borizzazione. Le celle solari Bell producono 60Watt/m2 (6%), mentre la stessa cella di RCA (Radio Corporation of America) forniva un milionesimo di Watt/m2. Il New York Times del 25 Aprile 1954 afferma: “la prima cella solare utile: concepita da Chapin, Fuller e Pearson.” 1954 Paralellamente allo sviluppo dell’energia solare fotovoltaica, aumenta la coscienza dei limiti delle risorse della terra. La rivista U.S. News & World Report titola “il futuro: illimitato?”.Grazie ai crescenti lavoratori di ricerca, il rendimento dei pannelli fotovoltaici aumenta notevolmente: in 12 mesi passa dal 6 al 12%. In confronto, il costo di produzione rimane stabile e molto elevato. 1955 Costi di energia per l’utente: Comprata della rete commerciale: 1-2 $/kW

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Fornita dalle pile a secco: 23.70 $/kW Prodotta con impianto fotovoltaico: 144 $/kW 1956 Installazione di una casa isolata ed energeticamete autonoma: 1.430.000 $. Anche se il prezzo é esorbitante se ne dimostra la fattibilità per la prima volta. ANNI ’50 Nascono le e prime aziende di produzione di celle fotovoltaiche: “national fabricated products”, azienda con 80 dipendenti. Contemporaneamente si cercano applicazioni di mercato per le celle solari, e la prima possibilità è rappresentata dai satelliti: si sostituiscono le batterie chimiche di durata settimanale con pannelli solari. Hans Ziegler, militare tedesco, cerca di introdurre le celle solari nei sateliti “pompelmo”. La marina si oppone all’uso di celle fotovoltaiche, ma gli scienziati dimostrano che la vita utile del satellite aumenterebbe da 1-2 settimane a diversi mesi. Il problema rimane l’affidabilitá delle celle. 1958 17 di marzo: il primo satellite solare, un trasmettitore radio. Grazie alla sua longevità è possibile determinare con più precisione la forma della terra ed a posizionare con estrema precisione le isole del pacifico. 1960 Prime radio a energia fotovoltaico Forte Monmouth, New Jersey, che utilizzano un transistor solare. La prima unità fu acquistata dalla Navajo Communications Corporation, per collegare telefonicamente la comunitá Mexican Hat nello Utah, al resto del mondo.

Hans Ziegler. Un fervido sostenitore del potenziale dell’energia solare per scopi sbagliati.

1958-69 il governo americano investe 50 milioni di $ nella ricerca solare.

Segnale 1

Segnale 2

Segnale 3

Dispositivo OADES. Radio a fotovoltaico.

Microonde

TV, radio, telefono EMITTENTE

RICETTORE

48km

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ANNI ’70 Elliot Berman (della Exxon) costruisce un modulo solare economico, per cercare di avicinare la tecnologia all’utente. Il fotovoltaico inizia a mettere in dubbio il predominio del nucleare per l’energia del fufuro. 1971 Le celle solari costano 100 $/Watt. Avendo unicamente applicazione spaziali, il prezzo non era un requisito fondamentale.

Exxon. Il semplice passaggio da sezione quadrata a circolare.

Vanguard. Del 1973 il primo satellite lanciato in orbita dalla NASA alimentato ad energia solare.

1972 Circa 1000 mezzi sono lanciati al spazio tra U.S.A e URSS. Solo 10 di questi sono atomici. 1973 Crisi petrolifera del 1973. Con la crisi si creano le torri solari: per produrre 100MW: specchi disposti su un terreno di 160 ettari concentrano il calore in una caldaia posta in cima a una torre alta circa 225 metri. Il calore sviluppato supera i 500 C°. Parallelamete, La Solar Power Corporation (Elliot Berman) riporta l’elettricità solare sulla terra costruendo un pannello economico. Berman afferma: “il futuro è la fusione nucleare, ed anche il sole, dato che rientra dentro di essa”. 1974 La Rockefeler investe e la Exxon riprende la ricerca sul tetto

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fotovoltaico interrotta nel 1969. L’obbiettivo è abbattere il prezzo a 20 $/Watt. Nasce la domanda: quanti kWh con un $? Per abbasare il prezzo dei panelli spaziali si inizia ad utilizzare silicio non puro: semi conduttore scarto dell’industria. Si passa da sezione quadrata a sezione circolare e vengono eliminati i processi di finitura (prima si lucidava la superficie per applicarvi un trattamento antiriflettente). Berman scopre che le celle solari al silicio possono tollerare imperfezioni inaccettabili in altri dispositivi a semiconduttori senza rilevanti cambiamenti di rendimento. ANNI ’70 Il primo acquirente importante di celle solari per uso terrestre è l’industria petrolifera (nei luoghi non serviti di linee elettriche). Inizialmente il prezzo è di 40 volte quello dell’energia elettrica. La guardia costera giapponesa inizia a installare boe fotovoltaiche con punte nelle celle per evitare le visite dei gabbiani.

Crisi del 1973. Benzinaio chiuso.

Elliot Berman. Tra i padri del fotovoltaico per uso terrestre-domestico.

1975 La Hoffman Electronics non riesce ad intrdursi sul mercato con le cellule fotovoltaiche. 1976 Si perfeziona il fotovoltaico ed il suo funzionamento in rapporto allee batterie. Un regolatore evita il surriscaldamento delle batterie quando il sole è troppo forte. 1976 Telecom Australia installa, con i moduli Solar Power, dei telefoni 05_STORIA_ 103

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Solare e fossile. Paradossalmente sono state proprio le compagnie petrolifere i maggiori utilizzatori del fotovolaico terrestre.

Christopher Wronski. L’inventore delle rivoluzionarie celle a silicio amorfo.

solari. I ripetitori Australiani hanno una capacità di centinaia di miglia tra trasmettitore e ricevitore. Ma i pappagalli mangiano il silicone dei pannelli, e sole, vento e pioggia usurano i pannelli. 1976 Creazione della cella di silicio amorfo (Christopher Wronski), senza nessuna struttura cristallina (rendimento 0,2%). David Carlson ne meigliore l’efficienza al 5.5%. Carlson David afferma: “queste sono celle potenzialmente in grado di produrre elettricità a basso costo, in quanto per i substrati si possono usare materiali economici come l’acciaio e il vetro”. Per contro si scopre che il silicio amorfo ha una caratteristica autodistruttiva: le celle si deteriorano durante i primi mesi di esposizione al sole, poi si stabilizzano. Le celle a silicio amorfo sono 100 volte più sottili di quelle policristalline, permettendo di usare meno materiale. 1977 RTC della Philips Electronics produce un pannello di10 anni di durata. 1978 Si sostituiscono le batterie chimiche delle piattaforme petrolifere (230kg, con una durata di un anno) con pannelli fotovoltaici, dimostrando che il fotovoltaico può essere più economico. 1978 In Polinesia si costruiscono centrali fotovoltaiche grandi per diverse

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famiglie. Il modello energetico non funziona, a causa del fatto che ogni famiglia si sente libera di consumare il più possibile. l’utilizzo inappropiato porta a rovinare le batterie dell’installazione. Il governo francese finanzia progetti di fotovoltaico in Polinesia per contenere il malcontento dovuto aitest nucleari. ANNI ’80 Tutte le aziende petrolifere posseggono impianti solari: Amoco, ARCO, Chevron, Exxon, Texaco e Shell. Nasce così, la più grande azienda nel campo fotovoltaico: la ARCO (adesso SIEMENS SOLAR). 1980 Bill Yekers, presidente della Spectrolab, mette a punto una soluzione per impermeabilizzare il modulo. Costo: 11 $/Watt 1982 Nel giacimento di CH4 in Texas, sprovvisto di energia elettrica, viene introdotto il fotovoltaico (adesso secondo “Beil” sono attivi 4000-5000 sistemi di protezione di corrosione di giacimenti di CH4 solari in U.S.A.). Allo stesso modo l’oleodotto che collega l’Arabia Saudita al Mediterraneo è dotato di panelli F.V. 1982 Raggiunto il 10% di rendimento con l’aggiunta di carbonio e l’aumento dei gas utilizzati per realizzare la lega di silicio amorfo. ANNI ’80 Sviluppo delle celle amorfe: Subhendru Guha (della USSC) impila tre sottocelle di silicio amorfo: ogni strato reagisce a una differente regione dello spettro solare. Strato inferiore, Si+Ge: luce

ARCO

Subhendru Guha. Il creatore dei panelli di silicio amorfo a triplo strato. 05_STORIA_ 105

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Allen Barnett. Ricercatore nel dipartimento di difesa americano e specialista in sistemi fotovoltaici ad alta efficienza.

rossa; strato intermedio, con meno germanio: luce verde; Strato superiore, senza germanio: luce blu. Si raggiunge un maggior assorbimento dello spettro solar e, addiritura, le celle di silicio amorfo acquistano potenza con l’aumento di temperatura. Non solo le celle amorfe si sviluppano; Allen Barnett propone i nuovi materiali per abbassare il costo del kw finale: tellururo di cadmio e Silicio policristallino sottile. Nelle celle di silicio cristallino viene introdotto il concetto di intrappolamento della luce, costringere la luce ad effettuare cinquanta passaggi in più all’interno del materiale rispetto a quanto fosse possibile in una cella a silicio. La minore larghezza della base del silicio cristallino a pellicola sottile fa diminuire la perdite di potenza correlate all’aumento della temperatura. L’aggiunta di idrogeno e drogaggio elevato di boro migliorano il rendimento. 1983 L’industria del gas e del petrolio hanno bisogno di sensori per rilevare dati e per emettere dati. L’industria del petrolio ha investito molto denaro nelle soluzioni fotovoltaiche. Charly Gay (Ricercatore della Arco solare e presidente della azienda fotovoltaica ASE Americanas) afferma: “non si spendono centinaia di milioni di dollari in R&D, per poi distruggere una tecnologia”; secondo lui l’industria petrolifera sarebbe veramente interessata al fotovoltaico. ANNI ’80 Il governo Americano si interroga su come far diventare più economico il fotovoltaico. Viene organizzata una conferenza voluta dalla NASA. Queste le proposte proposte: Texas Instruments: “dateci 1 miliardo di $ tra 1973-2000 e lo

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faremo”. RCA: “dateci mezzo miliardo di dollari e lo faremo”. Elliot Berman: “Il fotovoltaico è gia realizzabile. L’importante è fare un PIANO POLITICO di applicazioni obbligatorie.” ’80. La prima instalazione fotovoltaica connessa alla rete elettrica in Rex, Georgia. Successivamente si tenta di collegare anche la rete elettrica. In un inverno in cui i cavi della rete elettrica si rompono l’impianto fotovoltaico sopperisce al guasto caricando la rete e producendo elettricità per il paese. 1984 Si consolida la produzione di moduli durevoli da parte di molte aziende: Philips, Solar Power Corporation, Exxon, Solarex, Tideland Signal. Bill Yerkes utilizza la tecnologia di automozione del vetro temperato, per poi incollare le celle con collante. I costi si abbattono a 7 $/Watt (10 anni di garanzia) 1984 Prima pompa fotovoltaica installata per da Padre Bernard Verspieren, in Nabasso. Dice Verspieren: “Soltanto se il villaggio vi avesse investito denaro, sudore e tempo i suoi abitanti avrebbero considerato l’impianto una cosa loro. Soltanto allora sarebbe diventato un bene prezioso da trattare con cura e attenzione.” Tutte le installazione soffrono, però, il problema della necessità di uno specialista. 1985 La prima corsa automobilistica solare del mondo, in Europa. 1986 Elettrificazione dei luoghi senza rete elettrica. Fin dall’83, metà delle famiglie delle isole della Polinesia francese usa elettricità fotovoltaica. Nello stesso periodo si realizza l’eletrificazione fotovoltaica di numerosi paesi in via di sviluppo. Grazie alla capillarità dell’energia solare (al contrario del energia nucleare), si raggiunge un buon funzionamento. I generatori diesel non riescono a fare concorrenza nei luoghi isolati: ogni litro di combustibile utilizzato ne consuma 2 o 3 di trasporto.

Padre Bernard Verspieren. Tra i primi a comprendere l’importanza delle energie rinnovabili per i paesi in via di svlipuppo.

1987 Fondazione della G.I.E. Soler in Polinesia, azienda che fornisce alimentazione fotovoltaica per le case. Contemporaneamente arriva sul mercato una offerta fissa per il fotovoltaico: 4 pannelli solari di100 watt più batterie e impianto, per 10.000 $. finiscono nelle banche e aziende francesi. Tra 1980-1990 G.I.E. Soler installa sistemi fotovoltaici in 3.300 case. Molti utenti interrompono il pagamento delle installazioni: la pioggia la manda Dio, il sole lo manda Dio, perchè dovremmo pagare il sole? Quando videro che la luce era gratuita non si preoccuparono più della cura delle batterie, guastando tutte le batterie. 05_STORIA_ 107

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1989 Neville Williams della SELCO (Solar Electric Light Company - SELF) “pensai di formare un’organizzazione che avrebbe promosso l’uso del fotovoltaico a livello mondiale”. Williams fonda un’organizzazione senza scopo di lucro, la “Solar Electric Light Fund”. L’attività inizia in Vietnam cervando di inserire il fotovoltaico nella società come saveva fatto precedentemente la rete elettrica secoli orima: l’azienda fornisce tutti i pannelli e il materiale, l’utente paga solo una rata mensile e se l’utente non è soddisfatto sospende il pagamento della rata e l’azienda toglie l’installazione. Si crea un sistema finanziario per il solare: le banche capiscono che il fotovoltaico funziona come investimento. Iniziano, però, i problemi di furto, dato che tutti conoscono la sua potenzialità e sono facili da usare. Neville Williams. Fondatore della SELF, fondazione senza scopo di lucro per la diffusione dell’energia fotovoltaica.

Joachin Benemann. L’integrazione del fotovoltaico nei tetti e nelle facciate degli edifici è un tema di cruciale importanza.

1989 Nascono i dibattiti sul modello fotovoltaico: cenrale elettrica o installazioni private diffuse? L’ingegniere svizzero Markus Real dimostra che installare unità fotovoltaiche individuali sui tetti è più conveniente che costruire centrali fotovoltaiche. La costruzione di unità fotovoltaiche sempre più grandi non porta alcun beneficio economico al prezzo finale del kW. In paesi ad alta densità geografica, come Europa e Giappone, l’elevato costo dei terreni elimina la possibilità di utilizzare sistemi fotovoltaici a meno di installarli sugli edifici: I tetti sono terreno gratuito per installare i pannelli. Allo stesso tempo, “Diminuisce la quantità di elettricità perduta con la trasmissione su lunga distanza” che nel miglire dei casi è all’incirca del 30%. Tenendo in conto che il consumo delle piccole aziende si sta accentuando durante la giornata, ed il picco di consumo coincide con il picco di produzione di elettricità fotovoltaica, si eliminano i cali di tensione. Infine per il fotovoltaico è più facile competere con il prezzo dell’elettricità venduta agli utenti al dettaglio, e non con quella venduta all’industria. ANNI ’90 L’impatto visivo del fotovoltaico e l’integrazione delle installazione iniza a prendere importanza. Afferma Joachin Benemann: “ci si rese conto che gli impianti dovevano integrarsi meglio nella costruzione e che bisognava sviluppare dei componenti che i costruttori potessero installare negli edifici”. 1991 Le celle solari sono per lo più costituite di silicio cristallino, ma sul mercato iniziano ad apparire nuovi materiali fotovoltaici a pellicola sottile di silicio amorfo, tellurio di cadmio, diseleniuro di rame e indio, silicio cristallino sottile, silicio cristallino in fogli. Le applicazioni aumentano e si iniziano a vedere sulle strade: semafori ed indicazioni fotovoltaici senza scavi per i cavi elettrici. 1992 Nel procedimento per la realizzazione delle celle solare a silicio monocristallino, la quantità di materiale che va perso è notevole:

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Metodo “Ribbon”

Metodo “Ribbon” esagonale

Metodo Ribbon e metodo Ribbon ottagonale. Produzione di celle di silicio a sezione quadrata non realizzabile e a sezione ottagonale .

per ottenere un watt di picco sono necessari 16.4 grammi di silicio. Per ridurre il consumo di silicio Lindmayer escogita la produzione in lingotti. Si rende conto che la dimensione dei cristalli è proporzionale alla velocitá di raffredamento. Abraham Mlavsky propone un’altra soluzione per ottenere la sezione quadrata delle celle solari: una vasca fissa dove il silicio fuso risalga spontaneamente dalla matrice. Il problema è che con questo processo nella fase di tiraggio si producono impurità. Questo fenomeno si accentuava con l’aumentare della velocità di trazione per raggiungere i quantitativi di produzione. Per ottimizare il processo Mlavsky pensò di modificare la matrice, facendola prima tubolare e poi ottagonale. In questo modo si riesce a ridurre l’impatto di trazione nella superficie. Evergreen Solar, integra a questa tecnologia la produzione verticale abbassando ulteriorimente gli sprechi di materiali. Con la stessa filosofia si iniziano anche ad usare pannelli solari con lenti e concentratori solari, riducendo del 95% l’uso di silicio. 1990 Martin Green, dell’Università del Nuovo Galles del Sud a Sidney, uno dei ricercatori più stimati al mondo nel campo fotovoltaico, dice: “mi ci vorranno una quindicina d’anni per sviluppare una tecnologia a pellicola sottile altamente efficiente che incida in maniera significativa sui mercati mondiali dell’elettricità” . Un vantaggio della fabbricazione di qualsiasi prodotto solare a pellicola sottile è che, rispetto alle celle solari tradizionali, richiede molto meno energia.

Martin Green. Stimato ricercatore nel campo del fotovoltaico.

ANNI ’90 Miglioramento dei contatti delle celle a silicio cristallino. La tecnica ultizzata finora é la serigrafia. I contatti sono relativamente larghi, oscurano parte della cella: perciò si aggiunge fosforo nella superficie nella cella per intrappolare la luce e spingere gli

Tecnologia avanzata “Czochralski”

Tecnologia avanzata “Czochralski”. Produzione di celle di silicio a sezione circolare.

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elettroni liberati verso i punti di raccolta. Il fosforo crea uno strato inerte sulla superficie della cella, e la luce assorbita da questa regione inattiva viene sprecata. Al posto della serigrafia si inizia ad utilizzare il laser per incidere dei solchi sulla superficie della cella e poi riempirli di rame. Sulla cella si può trovare posto un numero maggiore di contatti, evitando la schermatura del fosforo. La British Petroleum ha aquistato i diritti di fabbricazione questi moduli. 1996 Un gruppo di influenti investitori, fra i quali Bill Gates, ha fonda la Teledisc, per portare Internet in ogni villaggio del mondo mediante satelliti a energia fotovoltaica orbitanti a bassa quota e comunicanti con antenne paraboliche terrestri, anch’esse alimentate dal fotovoltaico. 1998 Creazione in laboratorio di pannelli fotovoltaici che producono elettricitá a corrente alterna.

Nuove generazioni. L’ultimo pannello commercializzato dalla BP: Saturno serie 7.

Pannelli amorfi. Così sottili da poter essere piegati.

2006 Il pannello BP 7 Saturno, creato con la tecnologia di incisione laser, ha un rendimento del 18,3% con tolleranza garantita di 0% / +2.5% (moduli elaborati in Spagna). 2010 Secondo Campbell e Laherrére la produzione mondiale di pannelli fotovoltaici comincerá a salire, “dopodichè l’offerta di greggio convenzionale non riuscirà a tenere il passo con la domanda”. 2020 La Shell ritiene che per questi anni “le fonti di energia fossile potrebbero raggiungere il picco, mentre la domanda energetica globale potrebbe risultare triplicata”. Inoltre assicura di riuscire presto a produrre 45 megawatt di celle solari all’anno.

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STORIA DELLA CUCINA SOLARE UNA STORIA DELLA CUCINA SOLARE

La storia della cucina solare muove i suoi primi passi insieme all’uomo. Il sole ha sempre accompagnato e regolato ritmi ed abitudini degli essere viventi, uomo compreso, ed ha sempre svolto un ruolo fondamentale sulla presenza e le qualità del cibo disponibile. Una delle prime testimonianze che ci arrivano dal mito e dalla storia risale a più di 3000 anni fa, ed è relativa all’esodo degli ebrei dall’Egitto durante il regno del faraone Ramses II. La loro marcia si svolgeva a tappe talmente serrate che non disponevano del tempo materiale per fermarsi e cuocere il loro pane azimo, il Matzho. Per questo motivo dovettero trovare una soluzione al loro problema alimentare. La leggenda racconta che racchiudendo in piccoli pacchetti la farina di cereali e legumi del Matzho fu possibile sfruttare la forza del sole battente per cuocere il pane durante la camminata diurna per poter disporne alla sera. Anche i Romani i Greci ed i Cinesi studiarono le caratteristiche riflettenti delle superfici paraboliche (le stessa utilizzate nei moderni concentratori solari) ma non riuscirono mai a trovarne una applicazione pratica. Nel XVI secolo, quando il vetro iniziò ad essere disponibile sul mercato a prezzi più accessibili, in Europa settentrionale si costruirono le prime serre per la coltivazione di quelle piante che necessitavano di climi troppo miti per sopravvivere in quelle zone. Sicuramente questi non sono stati i primi episodi di cucina solare e di utilizzo studiato del sole: numerosi altri li hanno preceduti e, ancora più numerosi, li seguiranno. Tra tutte, il 1767 è un anno particolarmente importante per la storia della scienza solare. Il XVIII secolo fu un periodo segnato dall’esplosione del metodo scientifico empirico, e l’indagine iniziò a sondare campi fino ad allora ritenuti off-limit. Grande interesse fu daro ai fenomeni naturali ed alle loro potenziali ricadute sulla ricerca tecnologica e industriale. Horace de Saussurre nel 1767 realizzò un esperimento che rappresentò la fondazione non solo della cucina solare, ma anche dell’architettuta passiva e dei rami della scienza che studiano l’energia termica solare.

Pane azzimo. Il Mathzo.

Horace Bènèdit de Saussure. Il padre dei forni solari.

HORACE BÈNÈDICT DE SAUSSURE

Horace Bènèdict de Saussure è un fisico, geologo e metereologo svizzero. Nato nel 1740, nel 1759 completa il suo percorso accademico con la tesi “Dissertatio physica of igne”. Dal 1762 ottiene la cattedra di filosofia e scienze naturali presso l’Università di Ginevra. Horace de Saussure è anche uno dei più importanti esploratori della catena alpina (raccolse le sue memorie nell’opera Voyages dans les Alpes), si dedicò al calcolo delle altezze delle 05_STORIA_ 111

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Scienziato esploratore. Un immagine raffigurante una spedizione di de Saussurre sulle Alpi.

Commemorazione. Una serie di franchi svizzeri dedicata allo scienziato.

cime più alte e instituì, addiritura, un premio in denaro al primo uomo che riuscisse a scalare il Monte Bianco. De Saussure scoprì quindici tipi di minerali, fece numerose misurazioni di umidità, migliorò la costruzione del termometro e dell’anemometro e, probabilmente, costruì il primo igrometro per misurare l’umidità relativa dell’aria. Nel 1767, nel tentativo di dimostrare come il vetro fosse in grado di intrappolare il calore, costruì una sorta di serra in miniatura. Mise uno dentro all’altro cinque bicchieri di vetro rovesciati di grandezza decrescente, li posò su una superficie nera e mise in quello più piccolo un pezzo di frutta. Dopo qualche ora di attesa la misurazione della temperatura dell’aria all’interno del recipiente più interno misurava gli 87 C°. Scrive Horace de Saussure nelle sue memorie: “..il pezzo di frutto si era cotto ed era diventato succoso”. Lo scienziato riuscì a dimostrare la sua teoria, e nuovi rami della scienza videro la luce. Horace de Saussure seguì con altri esperimenti, migliorando l’isolamento termico e conferendogli già la forma di parallelepipedo degli odierni forni a scatola. Pensando che in futuro qualcuno avrebbe potuto utilizzare con profitto i risultati dei suoi esperimenti scrisse: “un giorno sarà possibile ricavare qualcosa di utile da questo sistema.. è effettivamente piccolo, economico e facile da costruire”.

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Horace Bènèdit de Saussure. Il suo forno solare.

In molti si saranno poi cimentati nel miglioramento del suo forno e all’ideazione di altri esemplari, ma, a differenza di ciò che si aspettava il padre della cucina solare, questa tecnologia non sarebbe mai riuscita a trovare applicazioni diffuse.

EVOLUZIONI SUCCESSIVE

L’intuizione del padre della cucina, avvenuta quasi 250 anni fa, è stata ripresa da numerosi scienziati. Alcuni lo fecero per puro interesse scientifico, altri per necessità. Sir John Hershel (1792 – 1871) è stato un importante matematico, astronomo chimico e tra i primi sperimentatori della tecnica fotografica. Durante un lungo viaggio in Sud Africa decise di costruire una sua versione del forno solare. Si procurò un contenitore di mogano massiccio dipinto internamente di nero e coperto da una superficie di vetro. Inserì il contenitore in un ulteriore cassa di legno isolata da una lastra di vetro e da sabbia raccolta sul luogo. Nelle sue memorie scrisse che, grazie al forte sole africano, la temperatura del contenitore interno raggiungeva spesso i 115 C°, temperatura anche eccessiva per cucinare, che utilizzò per cuocere uova e carne durante il suo viaggio. Quella di Hershel è un’esperienza particolarmente interessante proprio per l’unione dell’interesse speculativo e della soddisfazione di un desiderio alimentare. L’esperienza di Sir John Hershel affascinò a tal punto

John Hershel. Una mente eclettica che si interessò di cucina solare.

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Samuel Pierpont Langley. Uno dei primi sperimentatori dei forni solari ottocenteschi.

lâ&#x20AC;&#x2122;astrofisico americano Samuel Pierpont Langley (1834 - 1904) che nel 1881 intraprese alcuni esperimenti ad alta quota con un forno solare simile a quello usato dallo scienziato inglese in Africa. La differenza principale fu quella di costruire il recipiente interno in rame (ottimo conduttore termico). Nel report delle sue esperienze Langley afferma: â&#x20AC;&#x153;mentre salivamo di quota... e la temperatura della superficie del suolo William Adams. Il concentratore diretto.

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si abbassava fino al punto di congelamento, la temperatura del contenitore di rame su cui erano posizionati 2 lastre di vetro piano, salì fino al punto di ebollizione dell’acqua, ed è certo che in quel contenitore avremmo potuto bollire l’acqua con l’ausilio dei raggi solari tra i campi innevati”. Nello stesso periodo, la storia dell’evoluzione della tecnologia segnala l’attività a Bombay di un certo W. Adams che dal 1870 progettò diversi forni solari consistenti in una camera di cottura ottagonale, chiusa da un cristallo di vetro e circondata da 8 superfici riflettenti, di vetro anch’esse, per riflettere la radiazione solare al suo interno. L’invenzione fu adottata dalle truppe inglesi stazionate in India, ed Adams testimonia che il forno era in grado di cuocere anche in gennaio sette razioni in due ore. Lo stesso forno fu poi ripreso da numerosi studiosi a metà del’900 tra i quali Bowman e la Telkes. Il matematico francese Augustin Mouchot (1825 - 1912), che operò circa un secolo più tardi di de Saussure, si interessò molto alla messa in pratica dei principi della scienza solare passiva. Dopo essersi inutilmente cimentato nella costruzione di un motore a vapore solare, ebbe la brillante idea di combinare un forno solare a scatola (come quello di de Saussure) con un concentratore parabolico solare. La parabola fu poi sostituita da riflettori piani, ma a Mouchet l’idea del forno andava stretta. Applicò gli stessi fondamentali alla costruzione di un distillatore di acqua e ad un nuovo motore a vapore dalle dimensioni immense. L’ascesa dei combustibili fossili troncò sul nascere l’attenzione ai suoi progetti sui motori solari. I suoi studi tornarono sui forni solari, si recò in Africa con le truppe francese e mise a punto un modello del suo forno che fu utilizzato proprio dai soldati per cuocere le loro razioni di cibo durante le spedizioni militari della Legione Straniera. Ad inizio’900 molte furono intraprese numerose altre iniziative legate all’utilizzo dell’energia solare che, però, furono presto dimenticate. Solo dopo la prima guerra mondiale, a seguito delle infinite distruzioni perpetrate negli anni del conflitto si tornò a trattare con più interesse il tema solare.

Augustin Mouchot. Matematico francese estremamente attivo nel campo dell’energia solare.

Esperimenti. L’enorme motore solare a vapore ideato da Mouchot ed il suo forno militare utilizzate dalle truppe francesi.

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Charles Greely Abbot. Il creatore del primo forno solare indiretto.

Maria Telkes. La madre del primo forno solare pensato per l’utilizzo quotidiano.

Attorno al 1936 il Dr. Charles Greely Abbot, allievo e collaboratore del prima citato di Samuel Pierpont Langley, dello Smithsonian Institute mise a punto il primo sistema di cucina solare indiretto, che permette di cucinare indistintamente di notte o di giorno. Il sistema è costituito da un collettore solare che trasferisce il calore a dell’olio all’interno di un sistema termicamente isolato che fa riferimento ad un serbatoio. L’olio bollente può poi esser fatto passare dal serbatoio ad un sistema di tubi a spirale che trasferiscano il calore alla pentola all’apparato di cottura. Di notevole importanza è il contributo dato al campo della cucina solare dalla ricercatrice e inventrice Maria Telkes (1900 – 1995). La ricercatrice americana di origine ungherese era impiegata presso il MIT e fu la prima persona a creare un forno solare pensato per un serio ed effettivo utilizzo giornaliero. Il forno più importante da lei ideato è un forno a scatola con doppie pareti isolate e con doppio vetro sulla parete superiore. Sul lato superiore sono installati 4 riflettori rettangolari con angolazione di 60° dalla superficie orizzontale. Nelle 4 parti vuote agli angoli della macchina erano fissati 4 ulteriori riflettori triagolari. Il forno è orientabile, utilizzabile tramite una porta posta sul lato della zona di cottura e può raggiungere temperature ottimali di 200 C°. Il forno della Telkes ha poi dato il via alla produzioni di numerosi esemplari ispirati ad esso (tra i quali il nostro forno Cubo). Nello stesso periodo numerosi ricercatori hanno messo a punto differenti versioni di forni a concentrazione (con parabole

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CookIt. Il forno solare da 1 $.

ad esempio) ma con scarsi risultati in termini di diffusione. Questi forni erano spesso troppo costosi ed ingombranti per essere utilizzati da una singola famiglia Nel 1980 Barbara Kerr e Sherry Cole (una sua vicina di casa) costruirono con materiali di facile reperibilità un forno solare le cui prestazioni erano molto simili ai quelli commerciali. Il passo successivo fu quello di disegnare un kit base per l’assemblaggio di un forno solare. I principi alla base di questo forno, oltre a derivare dall’esperienza di de Saussure, sono gli stessi di 2 dei forni da noi

Barbare Kerr e Sherry Cole. Il primo prototipo fatto “in casa” del loro forno a scatola.

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Concentratore diretto. Operazione Wisconsin.

testati durante le prove presso l’universidad Iberoamericana. L’opera delle due donne ispirò la fondazione dell’associazione Solar Cooker International. L’associazione si sarebbe occupata della diffusioni delle tecnologie relative alla cucina solare, e curò realizzazione di un evoluzione del forno delle due donne sotto la supervisione della Kerr che diventò una dei fondatori del movimento della cucina solare. Il risultato del progetto fu il “Cookit” del 1994: un forno ibrido tra quelli a scatola e parabolici. L’estrema povertà dei materiali è stata pensata per una sua introduzioni nelle zone più disagiate del pianeta. Dagli anni’60 numerose associazioni per la diffusione della cucina solare hanno visto la luce in numerose parti del mondo. Non sono segnalabili ulteriori evoluzioni progettuali o tecnologiche all’interno del settore. Prendendo in rassegna i forni prodotti o solo ideati nell’ultimo mezzo secolo non si può che prendere atto del fatto che sono tutti variazioni e riproposizioni di 4 o 5 modelli progettati più di un secolo fa: i veri problemi sono, probabilmente altrove. Da oltre 50 anni, infatti, lo sforzo principale nel campo è quello di diffondere, e di far accettare culturalmente l’innesto dei forni solari accanto alle cucine tradizionali. Numerosi stati, primi tra tutti Cina e India, hanno varato piani di finanziamento al fine di diffondere i forni solari tra la popolazione rurale. Ma i risultati sono stati spesso poco brillanti: la situazione tipica è quella del loro abbandono dopo qualche mese di utilizzo. Nel 1957 anche in Messico fu istituito un esteso programma per la introduzione sul territorio di forni parabolici a concentrazione diretta. L’operazione fu portata avanti dalla University of Wisconsin che aveva anche progettato e portato in Messico i forni. Gli abitanti delle comunità sottoposte all’esperimento utilizzarono per qualche tempo i forni, ma poi tornarono alle vecchie forme di cottura. Le ragioni del fallimento sono molteplici: la necessità di sostituire periodicamente delle parti del riflettore, scomodità nell’utilizzo (a causa della latitudine, la parabola per guardare al sole dovrebbe stare spesso a faccia in su), disponibilità di combustibili convenzionali a basso prezzo. Allo stesso modo in India la necessità di dover cucinare all’aperto fu rifiutata per motivi di salute e religiosi. Questi aspetti radicati alle caratteristiche intrinseche del luogo di introduzione della cucina solare, dovrnno essere presi seriamente in considerazione in fase progettuale.

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CLASSIFICAZIONE DEI FORNI SOLARI I forni solari che prenderemo in considerazione in questa fase di analisi fanno parte della macro-famiglia dei forni diretti concentratori. Questa categoria rappresentache rappresentano la preponderanza dei forni che hanno trovato applicazioni reali diffuse. I forni concentratori offrono hanno numerosi aspetti a loro favore, non ultimo il fatto che le modalità d’uso assomigliano molto a quelle della cottura tradizionale. Questa categoria di forni solari è suddivisibile in due categorie differenti per la direzione di raccolta della radiazione solare: concentrazione di luce da sotto e concentramento di luce da sopra. Le differenti soluzioni si differenziano a seconda del riflettore usato e possono essere a sfera, a parabola, con lente Fresnel, forni cilindro- parabolici o a specchi piani.

CONCENTRAZIONE SUPERIORE: RIFLETTORI SFERICI

Gli specchi a sfera rappresentano il modo più semplice tra i riflettori perché sono molto semplici da costruire e da utilizzare. E’ molto facile concentrare i raggi solari anche utilizzando un recipiente mobile. Questa modalità di costruzione è stata proposta per la prima volta nel 1961 da Stam. Egli ha suggerito un riflettore con un diametro di 4 m fatto di materiale locale che potrebbe addirittura essere fango, dove la superficie riflettente di poliestere alluminizzato si adatta al fango o al cemento. Una semplice costruzione di uno specchio a sfera di diametro 2 m appoggiato a terra con un treppiede può garantire fino a 5 o 6 ore al giorno di funzionamento. Il recipiente può essere appeso al treppiede o ad un apposito dispositivo posizionato in modo da essere sottoposto ai raggi. Esiste anche la possibilità di utilizzare un semplice contenitore d’acciaio, coprirlo con un film riflettente collocarvici sopra un recipiente annerito da cucina. Tutto il sistema è coperto da una lastra sottile di vetro. Nonostante la sua semplicità però il

Forno di Stam. Un progetto pensato per l’utilizzo di risorse locali.

Essenziale. Un semplice contenitore riflettente coperto da una lastra di vetro.

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modello non ha mai riscosso molto successo. Dan Halacy propone un progetto simile nel 1974. Usa pezzi di cartone per fabbricare la base alla quale attaccare un film sottile di materiale riflettente. Bambù o altro materiale locale potrebbe essere utilizzato per formare questi contenitori. Altre applicazioni relative ai riflettori sferici possono essere il forno a cono, che si serve di un appoggio e rende estremamente versatile l’oggetto in termini di mobilità . Della stessa famiglia è la così detta Solar Ball, una palla di plastica gonfiabile progettata da Medved nel 1996 con quantità minori di materiale riflettente ed un recipiente alla base. E’ una variante sicuramente interessante che però ha dei seri problemi dovuti ai limiti di grandezza e alla gestione del contenitore.

CONCENTRAZIONE SUPERIORE: RIFLETTORI PARABOLICI Forno di Halacy. Le sagome di cartone formano il volume parabolico del riflettore.

La geometria della parabola è stata probabilmente la prima forma con cui si è cercato di realizzare forni solari. Ne esistono numerosissime varianti. La concentrazione dei raggi è in questa tipologia molto maggiore e definita rispetto ad altri riflettori, ma, allo stesso tempo, molto sensibile ai più piccoli cambiamenti di posizione del sole. L’uso di questi riflettori implica quindi un costante monitoraggio. Lo svantaggio della parabole riflettenti è che l’area in cui l’energia solare viene concentrata è molto contenuta, spesso troppo piccola per soddisfare i requisiti energetici della cottura. Questa famiglia di riflettori è principalmente composta da tre tipologie: le parabole rigide quelle pieghevoli e quelle a recipiente. La prima categoria, quella delle parabole rigide, a sua volta è distinguibile per la forma che la traiettoria assume. Esistono

Semplificazione.

La proposta di Ashok Kundapur.

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Parabole asimmetriche. L’utente è agevolata nell’accedere alla zona di cottura.

forni a parabole poco profonde, parabole profonde e parabole asimmetriche. Di parabole poco profonde troviamo principalmente due esempi. Quelle con forma a U utilizzano una struttura che sorregga la postazione di cottura che si trova necessariamente lontana dal riflettore. La costruzione non è molto stabile in condizioni di vento e ulteriori problemi come la fuoriuscita del cibo durante gli aggiustamenti del riflettore hanno spinto diversi progettisti a cercare miglioramenti. A partire dagli anni sessanta sono stati messi a punto diversi dispositivi strutturali e meccanismi di orientamento. Nonostante le modificazioni progettuali e lo sforzo di molti produttori tesi sviluppare metodi che rendessero più facile la costruzione di parabole, la difficoltà di fabbricazione è rimasto un grave ostacolo. Ashok Kundapur nel 1995 cerca di risolvere il problema suggerendo un modello ottenuto tagliando il foglio di alluminio (1 - 1,5 m di diametro) in “petali” con un taglio dritto da sovrapporre. Per quanto riguarda la tipologia delle parabole profonde, il Professor Von Oppen nel 1977 ha proposto una parabola fai-date. Si tratta di un progetto unico che fa uso di materiali disponibili a livello locale come il bambù, cartapesta, carta stagnola per il riflettore. La costruzione è relativamente semplice e prevede la costruzione di una struttura piana che formi il volume della parabola. La superficie interna viene lisciata con della cartapesta e ricoperta di carta stagnola, il guscio esterno rinforzato con bambù ed il recipiente di cottura appeso ad una corda. La macchina può essere orientata ogni 30 minuti. Le parabole asimmetriche nascono per ovviare al problema della difficoltà da parte dell’utilizzatore di stare molto vicino al forno e all’area di cottura, senza rischi di infortunio. Tabor nel 1966 utilizza alcuni specchietti a parabola collocandoli in modo asimmetrico. Il sistema ruota attorno ad un asse che è fissato ad una base stabile. Oggi esistono diverse applicazioni e rielaborazioni di questa tipologia.

Parabole poco profonde. La struttura mantiene pentola e parabola nella corretta posizione.

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Concentratore pieghevole. Il riflettore è costituito da un semplice cartone riflettente.

Sempre all’interno delle categoria delle parabole rigide sono state elaborate soluzioni compatte, ovvero concentratori pieghevoli per andare incontro alla difficoltà di trasporto. Un progetto svedese di nome Umbryoler è tra le prime sperimentazioni nel campo che si ispirano alla tecnica ombrello in risposta alle esigenze d’ingombri. Il riflettore è costituito di strisce o lastre di poliestere alluminizzato che si aprono e chiudono a paracqua. L’instabilità del riflettore rappresenta un forte limite alla sua funzionalità. L’ultima categoria delle parabole sono quelle a recipiente. Si tratta di una specie di collettore di energia termo-solare che è costruito da un lungo specchio parabolico di solito rivestito di argento o alluminio riflettente con al suo interno un tubo cilindrico. La luce del sole è riflessa dallo specchio e focalizzata sul tubo. Normalmente l’installazione si orienta all’asse nord-sud, e ruota a seconda della traiettoria del sole. Un liquido passante per il tubo può trasferire il calore generato dal sistema.

Umbroyoler. La struttura di un ombrello diventa quella del riflettore.

CONCENTRAZIONE SUPERIORE: ALTRE CATEGORIE

RIFLETTORI FRESNEL Nonostante il riflettore a parabola rappresentasse un ottimo compromesso in termini di funzionalità, la difficile costruzione ne ha rallentato il suo utilizzo e aperto la strada ad alternative come quella rappresentata dai riflettori Fresnel. I primissimi progetti d questa categoria provengono dal gruppo VITA nel 1961. Il team di ricerca ha tagliato dai tre ai quattro cerchi di masonite ricoprendola di poliestere alluminizzato e collegato le circonferenze tra di loro al fine di formare un concentratore Fresnel. La facilità

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Riflettore Fresnel. Il riflettore è costruibile a partire da superfici piani.

di costruzione e le caratteristiche di concentramento hanno reso efficace questo progetto e dato il via ad una serie di sviluppi ed applicazioni sperimentali. La stessa geometria di riflessione può essere utilizzata per creare riflettori che concentrino la radiazione indirizzandola sia dall’altto che dal basso. FORNI A SPECCHI PIANI Questa tipologia di forni che forniscono calore dal basso si basa su specchi con superficie riflettente piana. L’angolo di riflessione equivale all’angolo di incidenza e quindi la radiazione incidente non si disperde dopo la riflessione, se non per effetti di diffrazione. Gli specchi piani, soprattutto se di piccole dimensioni si prestano molto bene a comporre sagome per diversi tipi di forni, e permettono una grande flessibilità di progetto.

Specchi piani. Le piccole dimensioni degli specchi agevolano la costruzione del riflettore.

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FORNI CILINDRICO-PARABOLICI I forni cilindrico-parabolici formano una categoria di concentratori che veniva principalmente utilizzata per scaldare l’acqua. Questo concentratore focalizza i raggi solari all’interno di una scatola cilindrica isolata nella quale si possono alloggiare due o tre recipienti. Numerosi riprogetti ne hanno ampliato le modalità d’uso e ad oggi questa tecnica viene impiegata anche per cucinare, in particolare per grigliare. Forni cilindrico-parabolici. La parabola è sviluppata linearmente.

Riflettore Fresnel. In questo caso il riflettore devia soltanto la radiazione verso un unico fuoco in basso.

CONCENTRAZIONE INFERIORE

LENTI FRESNEL E PANNELLI Questa famiglia di forni solari ha la caratteristica di concentrare la luce da sopra. Nonostante non si tratti di un approccio del tutto efficiente per cucinare, ne esistono numerose applicazioni ed impieghi. Per captare ed indirizzare la luce esistono tecniche che fanno uso di lenti (spesso lenti Fresnel) o pannelli al posto dei riflettori. Quest’ultima è una soluzione interessante sia per il basso costo che per la semplicità di costruzione e l’efficacia. La maggior parte dei forni a pannelli sono costituiti da gruppi di riflettori piani interconnessi a comporre una struttura tridimensionale che convogli la radiazione in un volume contenuto. In questo volume può essere posizionato un contenitore trasparente di plastica o vetro resistente al calore al cui interno si inserisce un recipiente nero.

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Lente Fresnel. La luce è deviata in un unico fuoco per mezzo della rifrazione nel cristallo.

Box. Un forno a scatola a 4 riflettori esterni.

Questa soluzione estremamente semplice è stata sviluppata in numerose versioni ed utilizzata in tutto il mondo. BOX Passiamo infine ad un altro gruppo di forni solari: quelli a scatola. I primi esempi risalgono al ‘700 (de Saussurre, appunto) ed avevano come struttura una semplice scatola isolata ricoperta di smalto. Oggi, invece, quando si parla di forni a scatola si intende ragionare per presenza o assenza di riflettori. In genere la resa dei forni senza riflettore arriva solo a livelli soddisfacenti quando il clima è in condizioni ottimali ed il sole vicino allo zenith. Per renderne accettabile il rendimento sono stati aggiunti in quasi tutti i modelli dei riflettori esterni. Questa famiglia è classificata classifica in base al numero dei riflettori che si impiegano che possono variare da uno a quattro.

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06 Ricerca CAPITOLO

teorica

DISEGNO INDUSTRIALE

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RICERCA TEORICA

Raccogliamo qui i fondamenti degli specialismi che abbiamo voluto e dovuto affrontare per comprendere il nostro ambito disciplinare e svolgere i nostri progetto. Iniziamo con l’esame della risorsa solare per concludere con le caratteristiche dei materiali più influenti nella costruzione di macchine solari.

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LE ORIGINI DELL’ENERGIA SOLARE LA RADIAZIONE SOLARE IN MESSICO EFFETTI E PRINCIPI LA SCELTA DEI MATERIALI TAVOLE ALLEGATE

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LE ORIGINI DELL’ENERGIA SOLARE IL SOLE

Avendo intrapreso questo percorso senza alcuna base pregressa di conoscenze, abbiamo iniziato voluto iniziare dai fondamentali, definire e chiarire l’intorno della disciplina che si occupa dello studio e utilizzo dell’energia solare. Per intraprendere un processo organico di documentazione abbiamo abbiamo deciso di iniziare dal sole. Chiaramente, il livello di approfondimento nei vari campi che toccheremo sarà più o meno elevato a seconda delle ricadute effettive che che pensiamo possa avere nell’ambito del nostro percorso progettuale. Il sole è la stella madre del nostro sistema planetario. Attorno ad esso ruotano pianeti, satelliti asteroidi, comete e tutti gli altri componenti del sistema di cui il sole costituisce il 99,8 % della massa complessiva. Il suo raggio è stato stimato in 696.000 km. Il sole è classificato nella catogoria delle nane gialle, ed emette nello spazio sotto forma di onde elettromagnetiche la radiazione solare, costituita principalmente da luce ed infrarossi, consentendo la vita sulla terra. La presenza di acqua allo stato liquido, i fenomeni metereologici, i processi di fotosintesi e, quindi, la disponibilità di ossigeno sono frutto diretto dell’azione dell’energia solare sul pianeta.

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Il Sole si trova a circa metà della propria sequenza principale, ossia il periodo in cui nel suo nucleo viene fuso l’Idrogeno per formare Elio; considerando la massa della stella, la durata di questa fase si aggira sui 10 miliardi di anni. Al termine di questo lungo periodo di stabilità, ossia tra circa 5 miliardi di anni, il Sole entrerà nella fase di gigante rossa: nel momento in cui l’Idrogeno contenuto nel nucleo si esaurirà, i suoi strati più esterni si espanderanno e raffredderanno, assumendo una colorazione rossastra. In questa fase avrà inizio la fusione dell’Elio prodotto dalla fusione di Idrogeno della sequenza attuale che darà luogo alla produzione di carbonio e ossigeno. Inoltre, le sue dimensioni saranno colossali, circa 100 volte quelle attuali, tanto che la sua atmosfera esterna ingloberà quasi sicuramente i pianeti Mercurio e Venere. La Terra sarà già inabitabile: gli oceani saranno evaporate e l’atmosfera dispersa a causa del calore. Si stima che l’attuale fase del sole avrà una durerà altri 5 miliardi di anni, garantendo una stabilità dell’astro che continuerà a fondere Idrogeno ed Elio e a fornire al sistema solare energia ininterrottamente. L’uomo sarà sicuramente molto più rapido ad estinguersi. Allo stato attuale, il sole è costituito essenzialmente da Idrogeno (circa il 75 % della sua massa e il 92 % del suo volume) ed Elio (circa il 25 % della massa e 17 % del volume), cui si aggiungono altri elementi più pesanti presenti in minime quantità come ossigeno, carbonio, ferro, zolfo, neon, azoto, silicio e magnesio. L’Idrogeno è lo stesso derivato dalla genesi del sole che da 5 miliardi di anni si sta fondendo in Elio. Come per l’atmosfera terrestre, è possibile individuare strati differenti all’interno del volume del sole. In breve l’odierna classificazione si divide in: nucleo, zona radiativa, zona convettiva, fotosfera ed atmosfera che è divisa in cromosfera, zona di transizione e corona.

L’ENERGIA DAL SOLE

Ogni secondo, nel nucleo della sole 600.000.000 tonnellate di Idrogeno vengono convertite in circa 595.500.000 tonnellate di Elio. Le 4.500.000 tonnellate di Elio dove finiscono? Secondo il modello attuale, ogni secondo questa enorme massa di Idrogeno si converte direttamente in energia sotto forma di radiazione elettromagnetica secondo la nota equazione di conversione massa-energia formulata da Albert Einstein E=mc2. Questo processo di conversione avviene, naturalmente, rispettando i principi di conservazione e di massa ed energia che Einstein seppe poi incorporare nella sua nota equazione. Ogni stella a causa della gravità propria, tende a far collassare il materiale verso il suo centro, aumentando pressione e temperatura. La contrazione continua fino a vincere la repulsione tra molecole dello stesso segno ed innescare le reazioni di fusione. A questo punto l’energia prodotta sarà di tipo esplosivo – espansivo, e andrà a contrastare il collasso fino a trovare un equilibrio di temperatura, pressione e dimensione dell’astro che resterà piuttosto stabile fino ad una eventuale diminuzione del combustibile. Questo tipo di equilibrio che caratterizza le stelle come il sole è chiamato equilibrio idrostatico.

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All’interno del Sole avviene la fusione di quattro nuclei di Idrogeno (protoni) in un nucleo di Elio in tre fasi successive: nella prima reazione due protoni di Idrogeno si uniscono per creare un nucleo di deuterio, nella seconda un nucleo di deuterio ed un protone si uniscono a creare un nucleo dell’isotopo-3 dell’Elio e nella terza fase due isotopi-3 dell’Elio danno luogo ad un nucleo dell’isotopo 4 dell’elio più due protoni, che potranno tornare nel ciclo nella prima fase. Nelle tavole l’intero processo è schematizzato graficamente. L’energia così generata, ogni secondo, è pari a circa 3,83 x 1026 joule: una quantità di energia impensabile da riprodurre sulla Terra. Convertendo questo valore otteniamo che il sole produce un energia pari a 112.500.000.000 terawattora (Twh), parametro interessante da comparare con la produzione mondiale di energia degli ultimi anni (2005): di 17.907 Twh. In altri termini, per eguagliare l’energia prodotta dal Sole in un solo secondo, tutti gli impianti di produzione di energia elettrica del nostro pianeta dovrebbero funzionare a pieno regime per i prossimi 6.282.459 anni! Ogni metro quadrato della superficie solare emette in media una energia pari a 63.000.000 di w/m2 che parte dal sole e di irradia nel sistema solare. Per raggiungere la terra la radiazione solare deve percorrere una distanza variabile tra i 151.200.000 km ed i 146.400.00 km. L’intensità della radiazione perde intensità in funzione della distanza percorsa seguendo un comportamento approssimato da questa formula:

Energia solare. Energia emanata dalla nostra stella.

696.000 km

DEGRADAZIONE INTENSITÀ RADIAZIONE SOLARE 2 Rterra = r 2 Rsole

Rsole

63.000.000 W/m2

32.000 W/m2 300.000.000 km

mercurio 8.000 W/m2

Per questo motivo la quantità di energia che giunge sulla terra è notevolmente inferiore a quella di partenza: se non fosse così le forme di vita attualmente presenti sulla terra non potrebbero sussistere. La quantità di energia ricevuta in un metro quadrato dalla terra sotto forma di radiazione solare è chiamata costante solare, ed è quantificata in 1.367 w/m2. La costante è solo un valore teorico: La vera quantità di energia che investe la superficie terrestre è sempre inferiore e, come illustrato nelle tavole seguenti, è influenzata da numerose variabili ed ostacoli quali l’atmosfera terrestre, la latitudine, i fenomeni metereologici. In condizioni ti tempo sereno e di sole allo zenith (quando lo troviamo esattamente sopra alle nostre teste) la costante solare è approssimabile attorno ai 1.000 w/m2.

600.000.000 km

900.000.000 km

3.500 W/m2

venere 1.200.000.000 km

2.000 W/m2

Rterra

terra 1.367 W/m2

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10-2nm

15nm

400 nm

Spettro elettromagnetico. Divisione secondo la lunghezza d’onda.

Luce visibile

1mm

Radio

Microonde

R. Infrarossa

Raggi X

Raggi Gamma 10-6nm

30cm

100km

780 nm

LA RADIAZIONE SULLA TERRA

Tutte le radiazione elettromagnetiche sono caratterizzate da una lunghezza d’onda ed una frequenza legato tra loro da un rapporto di proporzionalità inversa: minore sarà la lunghezza d’onda, maggiore sarà la frequenza e, quindi, la sua energia. La radiazione solare non può fare eccezione a questa regola. L’insieme delle radiazioni costituisce lo spettro elettromagnetico. La luce solare che possiamo vedere è solo una parte dello spettro, quella della luce visibile compresa tra i 380 ed i 760 nanometri (nm). Lunghezze d’onda minori corrispondono ai raggi ultravioletti, i raggi X ed ai raggi gamma che hanno tutti quindi frequenza superiore alla luce visibile e, perciò, maggiore energia. La radiazione solare che arriva sulla terra arriva solo alle frequenze dei raggi gamma. Le radiazioni infrarosse, le onde radio e le microonde hanno invece lunghezze d’onda maggiori della luce e trasportano quantità di energia inferiore. La radiazione solare, in questo caso, arriva solo a toccare le frequenze degli infrarossi. Riassumendo, possiamo affermare che generalmente la radiazione solare incidente sulla terra ha un range di frequenze che va dagli infrarossi agli ultravioletti. La quantità preponderante della radiazione è, comunque, composta dalle frequenze dello spettro visibile che, quindi, costituiscono la parte maggiore dell’energia veicolata dalla radiazione. Per giungere sulla crosta terrestre, i raggi solari devono attraversarne l’atmosfera perdendo una percentuale variabile della loro energia e modificando la loro lunghezza d’onda. L’atmosfera terrestre è l’involucro di gas che riveste la Terra. Ha una struttura piuttosto complessa e divisa in più strati, che in ordine di altezza sono: troposfera, stratosfera, mesosfera, ionosfera, esosfera. L’atmosfera è per la maggior parte composta da Azoto (78%) ed Ossigeno (21%), ma ogni strato ha composizioni differenti. L’atmosfera svolge un ruolo essenziale per garantire la protezione della vita: essa costituisce infatti uno schermo estremamente efficiente per l’assorbimento delle radiazioni ultraviolette e per il flusso di particelle provenienti dal Sole, che altrimenti la

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distruggerebbero quasi immediatamente. La stratosfera è lo strato che i trova all’altezza di circa 50-60 km e, grazie all’ozono presente nella sua composizione è in grado assorbire fino al 99% della radiazione ultravioletta. E’ proprio qui che si sono verificati i casi di buco dell’ozono nella zona antartica. La radiazione luminosa oltre a oltrepassare gli strati atmosferici, è anche fortemente condizionata dai fenomeni metereologici che hanno luogo nella troposfera. Fenomeni quali la formazione di nuvole o l’umidità dell’ambiente rappresentano grandi ostacoli per la radiazione che è sottoposta a tre principali fattori di disturbo sommati tra loro: assorbimento, riflessione e dispersione. L’assorbimento si verifica quando la radiazione incontra un corpo (le nuvole e l’umidità dell’aria sono tra i più grandi ostacoli) che lo trasforma in energia termica e, quindi, radiazione infrarossa. La riflessione ha luogo quando il raggio viene deviato dalla sua traiettoria, mentre la dispersione consiste nel frazionamento del raggio in più raggi con differenti angolazioni. Giunta sulla crosta terrestre, la radiazione presenta caratteristiche differenti per quantità e qualità. La costante solare si abbassa ad un massimo di 1.000 w/m2 ed costituita da due componenti: radiazione diretta e radiazione diffusa. La radiazione diretta è la parte di radiazione proveniente direttamente dal Sole. Lo strumento per misurarla è il pireliometro e misura, appunto, la sola radiazione che arriva dal disco del Sole. La radiazione indiretta è, a sua volta la somma di due differenti tipi di radiazione: radiazione albedo e radiazione diffusa. La radiazione albedo è la parte di radiazione riflessa dalla superficie terrestre. La radiazione diffusa è la parte di radiazione misurata su un piano orizzontale che arriva a terra non direttamente dal Sole ma per effetto di riflessioni e dispersioni. Lo strumento impiegato per la sua misura è un piranometro dotato di un dispositivo simili ad un piccolo disco per mantenere in “ombra” l’elemento sensibile rispetto alla luce proveniente direttamente dal Sole. Infine chiamiamo come radiazione globale la somma di tutte le radiazioni esistenti, e viene definita come la somma della radiazione misurata a terra su un piano orizzontale proveniente direttamente dal Sole e quella diffusa dal cielo (atmosfera). I rapporti tra le componenti sono in relazione alle condizioni atmosferiche. Lo spettro della radiazione luminosa subisce anch’essa delle trasformazioni: lo spettro ultravioletto sparisce quasi del tutto, quello visibile e quello infrarosso è soggetto ad interruzioni casuali dipendenti dalle condizioni atmosferiche.

LA TERRA E I SUOI MOTI

Chiarite le basi dell’origine della radiazione solare e del suo percorso fino alla crosta terrestre, siamo passati a prendere in considerazione la seconda grande variabile della disponibilità dell’energia solare sulla Terra. Il Sole con le sue radiazioni invia 06_RICERCA TEORICA 133

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sulla Terra una quantità di energia che è globalmente costante, ma sulla Terra l’energia solare si distribuisce in modo diverso a seconda delle zone e varia nel tempo. Infatti la Terra non è statica ma compie due movimenti: il moto di rotazione ed il moto di rivoluzione. La comprensione di come questi moti (apparentemente semplici) influiscano sulla disponibilità di radiazione solare abbiamo sentito la necessità di studiarli separatamente e cercare, alla fine, di metterli insieme in un unico modello. Il moto di rotazione porta la Terra a girare su se stessa in senso antiorario (da Ovest verso Est), attorno ad un asse inclinato di 23,5° e passante per i poli Nord e Sud. Da esso derivano l’alternanza del giorno e della notte e l’apparente moto del cielo. Dura circa 24 ore (23h 56m 4,1s). I raggi del Sole arrivano sulla Terra paralleli fra loro e in ogni momento illuminano metà della superficie terrestre. La sezione che divide la parte rischiarata da quella in ombra è chiamata circolo d’illuminazione. Nei primi momenti di luce del mattino la radiazione arriva molto inclinata rispetto alla perpendicolare alla terra, dovrà quindi diffondersi su una quantità di crosta maggiore e attraversare una maggiore profondità di atmosfera e subire consistenti processi di riflessione: il risultato è una bassa quantità di energia in arrivo. Allo stesso modo, nel mezzogiorno solare la radiazione sarà maggiormente concentrata e più intensa in virtù del minor tragitto fatto nell’atmosfera. Il moto di rivoluzione è il moto orbitale che il nostro pianeta compie attorno al Sole in un arco di tempo pari a 365,25 giorni (anno), e che avviene secondo una traiettoria di forma ellittica che lo porta ad una distanza variabile da un massimo di 152 milioni di km (afelio) e ad un minimo di 147 milioni di km (perielio). Immaginando la terra percorrere la sua traiettoria attorno al sole è facile capire l’origine della variabilità stagioni: l’inclinazione dell’asse (sempre fisso) avvicina alternativamente gli equinozi al sole sottoponendoli alla radiazione perpendicolare. Nei quattro punti simmetrici dell’ellisse (equinozi e solstizi) vediamo come il ciclo annuale sia: tropico del Capricorno, equatore, tropico del Cancro, equatore. Spieghiamoci meglio. Il 22 dicembre i raggi solari cadono per perpendicolari al tropico del Capricorno; il circolo d’illuminazione è tangente ai circoli polari; il Polo Nord è completamente in ombra mentre il Polo Sud è illuminato per tutte le 24 ore. Nell’emisfero nord si ha la massima durata della notte e la più breve durata del giorno,il contrario avviene nell’emisfero sud. Nella Terra tutto ciò avviene nel giorno del solstizio d’inverno. Dal 23 dicembre al 21 marzo il circolo d’illuminazione va inclinandosi in maniera tale che aumentano le ore di luce nell’emisfero nord e diminuiscono nell’emisfero sud. Il 21 marzo i raggi solari cadono perfettamente perpendicolari sull’equatore, il circolo d’illuminazione coincide con un meridiano e passa per entrambi i poli. Le ore d’illuminazione sono pari alle ore di oscuramento sia nell’emisfero nord che nell’emisfero sud. Questo fenomeno è chiamato equinozio di primavera. Dal 21 marzo al 21 giugno continuano ad aumentare

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le ore d’illuminazione nell’emisfero nord mentre diminuiscono nell’emisfero sud. Il 21 giugno i raggi solari sono perpendicolari al parallelo chiamato Tropico del Cancro; il circolo d’illuminazione è tangente ai circoli polari; si ha la massima durata del giorno nell’emisfero nord e la minima nell’emisfero sud. Il polo sud rimane buio per 24 ore. Questo avviene nel giorno del solstizio d’estate. Dal 21 giugno al 23 settembre il circolo d’illuminazione va inclinandosi in maniera tale che aumentano le ore del giorno nell’emisfero sud e diminuiscono nell’emisfero nord. Il 23 settembre il circolo d’illuminazione coincide con un meridiano e passa per entrambi i poli. I raggi solari sono perpendicolari all’equatore. Le ore d’illuminazione sono pari alle ore d’oscuramento sia nell’emisfero nord che nell’emisfero sud. E’ l’equinozio d’autunno. Dal 24 settembre al 22 dicembre continuano ad aumentare le ore d’illuminazione nell’emisfero sud mentre diminuiscono nell’emisfero nord. L’inclinazione dell’asse di rotazione sul piano dell’orbita è molto importante; se essa fosse nulla e l’asse di rotazione perpendicolare al piano dell’orbita non vi sarebbero stagioni, e i raggi del Sole sarebbero sempre perpendicolari alla superficie terrestre nelle zone equatoriali e tangenti in quelle polari.

Moto di rivoluzione terrestre. Ciclo delle stagioni.

21 marzo

23.5°N

45° 19°

23.5°N

Torino

69° 97°

Torino

22°

Messico

45°

50°

19°

Messico

s 21 giugno

22 dicembre

23 settembre

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IL SOLE VISTO DALLA TERRA

Fino a pochi secoli fa si immaginava che il sole fosse in moto attorno alla terra statica. Come osservatori del cielo è molto più semplice immaginare un modello in cui il soggetto si sia fermo. Per questo motivo gli strumenti sviluppati per la misurazione dei cambiamenti di posizione tra terra e sole fanno questa scelta di semplicità ed immaginano il sole muoversi attorno alla terra. Per misurare la posizione del sole in un dato momento sono sufficienti due parametri: l’altezza solare e l’azimuth. L’altezza solare è l’ampiezza dell’angolo compreso tra la linea che unisce osservatore e sole ed il piano tangente alla Terra. L’azimuth è l’angolo compreso tra la linea che unisce osservatore e punto di proiezione del sole sul piano tangente alla terra e la linea che unisce l’osservatore con il Sud. Valori positivi di azimuth indicano convenzionalmente che il sole stia a Est e viceversa, mentre per valori negativi a Ovest. Mettendo l’altezza solare sulle ordinate di un piano cartesiano, l’azimuth sulle sue ascisse ed unendo i punti di una giornata di misurazione, si ricava il diagramma del percorso solare di un giorno in un determinato luogo.

Misurare la posizione del sole. Altezza solare e azimuth.

γ α

altezza:

angolo compreso tra: -la semiretta che ha origine nel centro del sole -un piano orizzontale ideale

azimuth:

angolo compreso tra: -l’asse del sud -il punto sull’orizzonte sottostante al sole

North

East

West

South 136 _RICERCA TEORICA_06

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LA RADIAZIONE SOLARE IN MESSICO I DATI SOLARI

Lo scopo principale dei database di radiazione solare è quello di poter prevedere la situazione in cui un impianto solare andrà a lavorare prima di installarlo o progettarlo. Allo stesso modo, è anche possibile poter paragonare la produttività di forni operanti in differenti località del mondo. Il primo approccio con i dati ci ha permesso di comprendere quali fossero le zone della terra più adatte allo sfruttamento dell’energia solare sia per quanto riguarda le temperature sia per quanto riguarda radiazione solare. Nelle mappe che abbiamo prodotto possiamo osservare come gran parte del Messico si trovi nelle condizioni ideali per usufruire dell’energia solare. Andando più a fondo nell’analisi, abbiamo ricavato tre nuove mappe che prendono in considerazione tre differenti componenti della radiazione solare: la radiazione di onde corte onde (come gli ultravioletti), radiazione di onde lunghe (ovvero la parte visibile) e la radiazione albedo (che indica la quantità di luce indiretta presente nel luogo). Osserviamo che il Messico è soprattutto investito da radiazione di onde lunghe quella, cioè, che rappresenta la parte preponderante dell’energia che arriva dal sole. La radiazione composta da onde corte, è quasi assente. Andando più sullo specifico, abbiamo confrontato le quantità di radiazione di Torino e del Messico. Per comparare la radiazione solare che incide durante l’anno su queste due regioni abbiamo fatto uso di due differenti metodi, uno manuale ed uno informatico. Il metodo manuale consiste nell’utilizzo di due mappe: quella del percorso solare del luogo in questione e quella della radiazione istantanea calcolata rispetto alla latitudine del luogo e all’inclinazione della superficie dell’eventuale captatore. La mappa del percorso solare è disegnata tracciando in uno schema cartesiano i punti di spostamento del sole ponendo l’altezza solare sull’asse delle ordinate e l’azimuth sull’asse delle ascisse (che avranno sia range positivo che negativo). Per semplificare la comprensione dell’operazione abbiamo composto delle tavole esplicative. Le mappe della radiazione istantanea, sono, invece diagrammi che sono solitamente reperibili su testi specializzati. Il metodo informatico è quello che si usa normalmente da quando i computer si sono largamente diffusi ed hanno potenze di calcolo sufficienti. Sul mercato sono presenti numerosi software (noi abbiamo utilizzato EcoTect) e permettono di calcolare direttamente la disponibilità di radiazione di un luogo tenendo conto del posizionamento globale, la sua altezza complessiva rispetto al mare e i fattori meteorologici della zona (moltiplicando le radiazioni ideali con un fattore riduttivo per tenere in conto della nuvolosità o delle piogge). Inoltre i calcoli possono essere eseguiti in base all’area, geometria ed orientazione di un eventuale captatore. Sarebbe possibile, una volta prototipati i forni virtualmente, 06_RICERCA TEORICA 137

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utilizzare questi software per calcolare il loro rendimento in zone differenti dal Messico. In Messico abbiamo fatto uso di un radiometro per la misurazione dei dati fotometrici relativi ai nostri test. La fase di progetto potrà tenere conto dello studio effettuato sui comportamenti dei forni in relazione alle condizioni di disponibilità della radiazione solare. Per realizzare le simulazioni della radiazione di un luogo specifico è possibile realizzare i calcoli manualmente partendo da database quali: Nasa: eosweb.larc.nasa.gov Mapserver.inegi.com.mx SODA: www.soda-is.com CERES Data Table ERBE Data Table GEWEX-RFA ISCCP Data Table MISR Data Table SSE Renewable Energy Oppure, utilizzando direttamente dei software quali: Meteonorm Version 6.0 (dal 1999 al 2003) Globalgazet Multimap Ecotect (www.squ1.ccom/products/ecotect) Helios (www.arquitectuba.com.ar/software-gratis/helios) Rad II (UNAM e Solartronic) Heliogis V2.0 (www.heliogis.com) Designbuilder

ORE SOLARI PICCO

Esistono ulteriori strumenti di stima della radiazione presente in un dato luogo. Per realizzare il calcolo dell’efficienza teorica di un’installazione in un luogo specifico, sono state messe a punto delle procedure di calcolo per a semplificare l’operazione. Normalmente un calcolo reale della quantità della radiazione è estremamente complesso, dato che ogni luogo ha caratteristiche proprie, che dipendono principalmente dalla latitudine, nuvolosità, altezza del luogo. E’ il campo fotovoltaico quello che ha sviluppato i metodi più interessanti per l’approssimazione di calcolo. Tutti questi metodi approssimano la radiazione al valore di 1000 W/ m2, valore che si considera il massimo terrestre. Tra i metodi manuali di calcolo, il più diffuso è quella delle ore solari picco. Le ore solari picco consistono nella semplificazione del grafico risultante dai valori della radiazione di una giornata. Si realizza il grafico della curva dei dati ottenuti dalla misurazione della quantità di radiazione. Poi si riporta l’intera area della zona sottesa alla curva ottenuta in una zona rettangolare di uguale area e altezza sulle ordinate di 1.000 kW/m2. Le ore solari picco sono, quindi, il numero di ore giornaliere con radiazione a 1.000 kW/m2 equivalenti ad ottenere un irraggiamento pari a

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quello dell’intera giornata presa in considerazione. Le quantità giornaliere di ore solari picco sono, poi, riportate in tabella o in grafico fino a descriverne l’andamento per l’intero anno. In questo modo è possibile calcolare in poco tempo l’efficienza approssimativa di un’installazione (specialmente fotovoltaica) in un dato luogo. Infine, si tiene anche conto del cosiddetto “fattore K”. Siccome questi modelli di calcolo presuppongono che l’orientazione del captatore (della macchina) sia orizzontale, o meglio, tangente alla superficie terrestre, è necessario applicare ai dati ottenuti un coefficiente che riporti le stime al reale angolo di inclinazione della macchina. Dato per scontato che il captatore sia orientato sull’asse nord-sud, il coefficiente varierà con l’inclinazione prevista della macchina, e sarà pari a 1 se il captatore sarà, appunto, sul piano orizzontale. Questa tecnica è utilizzata per velocizzare il dimensionamento delle installazioni solari, sia termiche che fotovoltaiche.

La superficie solare. Vista satellitare.

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EFFETTI E PRINCIPI L’EFFETTO SERRA

L’effetto serra è un fenomeno estremamente diffuso in natura, conosciuto ed utilizzato dall’uomo da alcuni secoli. A livello planetario l’effetto serra permette alla terra di avere una temperatura media superiore al punto di congelamento dell’acqua e, dunque, consente la vita come noi la conosciamo. L’atmosfera seleziona la radiazione solare e ne modifica la lunghezza d’onda. Inoltre, cosa ancor più importante, la radiazione elettromagnetica emessa dal Sole viene “imprigionata” sotto forma di calore sulla superficie del pianeta e nella sua atmosfera e ciò comporta laterra si equilibri ad una temperatura maggiore di quella che si stabilirebbe in assenza dell’atmosfera. Per spiegare l’effetto serra in apparecchi come il forno solare o il distillatore solare prendiamo, invece, in considerazione un modello teorico semplificato che descriva le nostre condizioni di lavoro usuali. Immaginiamo di avere a disposizione un volume isolato in una camera a tenuta stagna, al cui interno si trovi un corpo nero in grado di assorbire radiazione luminosa; la parete superiore di questa camera è trasparente e quindi, se su di essa incidono dei raggi solari, questi potranno entrare e passare all’interno. L’effetto serra può essere pensato come suddiviso in tre fasi: 1 La radiazione solare incide sul cristallo superiore della camera. Di tutto lo spettro che costituisce la radiazione, la porzione ultravioletta e quella visibile oltrepassano il cristallo entrando nella camera, mentre la parte infrarossa viene riflessa dal cristallo e quindi respinta nell’ambiente esterno. Questo avviene perché alcune molecole all’interno della lastra di vetro riflettono proprio come uno specchio la parte infrarossa della radiazione. 2 La parte di radiazione solare costituita da ultravioletto e luce visibile viene trasmessa all’interno dell’ambiente isolato fino a colpire il corpo nero al suo interno. Il corpo nero la assorbe la radiazione e si riscalda; in seguito, inizierà a restituire la radiazione infrarossa nell’ambiente solare che noi potremo percepire sotto forma di calore. 3 A questo punto la radiazione infrarossa nell’ambiente isolato resterà intrappolata al suo interno dato che neanche in questo caso potrà oltrepassare il cristallo che la riflette indietro. Non potendo uscire, la radiazione infrarossa contribuirà al generale riscaldamento dell’ambiente isolato dando luogo a ciò che si chiama effetto serra. Nelle nostre macchine l’effetto serra contribuisce a generare calore, che poi verrà sfruttato in modi diversi a seconda degli scopi che prevede la macchina. Generalmente l’effetto serra dovrebbe essere accompagnato da un buon isolamento incrementare in modo significativo l’efficienza dell’apparecchio.

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In assenza di perdite di calore come quelle causate dal passaggio di vento sulle parti più conduttive della macchina, l’effetto serra aumenta costantemente la temperatura dell’ambiente di lavoro e può contribuire a minimizzare i problemi di rendimento dovuti alla mancanza momentanea di radiazione, dovuta, per esempio, al passaggio di nuvole o ad una orientazione sbagliata della macchina. Effetto serra. Le sue dinamiche.

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Effetto serra. Dove l’effetto è presente nelle nostre macchine. Forno Nylamid; Forno Pisaflores; Forno Cubo; Essiccatore; Distillatore.

EFFETTO CAMINO

Per affrontare al meglio il progetto dell’essiccatore, sarà di fondamentale importanza chiarire le dinamiche e le influenze dell’effetto camino al interno della macchina. Lo sfruttamento dell’effetto camino risale a dieci mila anni fa, con le prime conversioni di gruppi dei gruppi nomadi all’agricoltura, con la costruzione delle prime dimore fisse e dei primi villaggi, che segnano l’inizio della civilizzazione. Dovendo risolvere i problemi legati all’introduzione del fuoco all’interno delle aree abitative per la cottura del cibo, il riscaldamento e la difesa dagli animali, e conoscendo il potere asfissiante dei fumi di combustione sfruttarono una caratteristica visibile dei fumi: la loro tendenza a salire verso l’alto. Costruendo dei condotti verticali poterono alimentare il fuoco evitando che questo si autoestinguesse. L’effetto camino prende origine dal fenomeno fisico della dilatazione dei gas con il riscaldamento. Un qualsiasi gas, se viene riscaldato, si dilata in proporzione all’aumento della sua temperatura assoluta. Partendo dalla temperatura ambiente, il gas riscaldato si espande di un volume pari a quello iniziale per ogni aumento di circa 300 C°. L’espansione produce una diminuzione del peso specifico, per cui il gas caldo diventa più leggero e tende a salire rispetto a quello rimasto freddo. Chiaramente, nel caso di un essiccatore, non si potrà contare sulla quantità di calore di una combustione, ma allo stesso tempo non sarà necessario produrre le stesse potenze nel tiraggio. Per realizzare i calcoli di tiraggio che può produrre la pressione indotta dall’effetto camino, dovremo prima definire le condizioni di lavoro del posto. Il luogo da noi scelto è Tehuacan, dove i contadini della zona hanno la necessità di essiccare le foglie di amaranto per conservarle e renderle adatte ad una introduzione sul mercato. Essendo l’amaranto una pianta che

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Effetto camino. Risultati diurni e notturni.

GIORNO Densitá a 28°C δ=0.9157kg/m2

NOTTE Altezza 4 m

Densitá a 19°C δ=0.9482kg/m2

Altezza 2 m

Densitá a 50°C δ=0.8324kg/m2

Densitá a 30°C δ=0.9084kg/m2

Altezza 1 m

Densitá a 26°C δ=0.9229kg/m2

Densitá a 23°C δ=0.9338kg/m2 06_RICERCA TEORICA 143

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cresce in zone di elevata altitudine, dobbiamo considerare che le zone dove andremmo ad operare sono caratterizzate da bassa pressione (come tutto l’altipiano messicano, inclusa la Città di Messico), e alto grado di umidità.

EFFETTO CAMINO ED ESSICATORE

Effetto camino P = H · g (d1-d2) P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3] H: altezza relativa

Legge di fluido dinamica

2·P

P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3] v : velocitá del fluido [m/s]

Legge di Bernoulli 2

v2 = v1·

A1 A2

v : velocitá del fluido [m/s] P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3]

Conservazione di flusso

v2 = A1· v1 A2 Q : portata (costante) [m3/s] A : area [m2] v : velocitá del fluido [m/s]

L’effetto camino è, quindi, regolato da due fattori principali: l’altezza del cammino, e la differenza di temperatura tra i suoi due estremi (che si traduce in differenza di densità, dato che l’aria riduce la sua densità proporzionalmente alla sua temperatura). E’ possibile basare il sistema-camino su una delle due variabili e ricavare l’altra di conseguenza. Cerchiamo di applicare questo fenomeno alle caratteristiche dell’essiccatore che abbiamo progettato. Nel nostro caso, prima di fare i calcoli, abbiamo due parametri da analizzare, per sapere quale dei due influirà maggiormente sulla differenza di pressione: -Punto alto: è il rapporto tra il punto di entrata d’aria all’essiccatore e la sua uscita. La differenza di temperature è solo due gradi, ma la differenza di altezza è di 4 metri. -Punto caldo: è il rapporto tra il punto d’uscita della camera di riscaldamento (dove l’aria raggiunge la sua massima temperatura, il punto più caldo, appunto) e l’uscita del camino. La differenza di altezza è di 3 metri mentre la differenza di temperatura arriva a 22 C°. Applicando la formula dell’effetto cammino arriviamo a calcolare le pressioni indotte dalle due situazioni, sia di giorno che di notte. Possiamo osservare che le caratteristiche del punto caldo influiscono molto di più sulla capacità di creare pressione, soprattutto di giorno. Questo vuol dire che è molto più efficace riuscire ad influire, anche di poco, sull’aumento di temperatura all’interno della macchina che sull’altezza del camino. Il seguente passaggio consiste nel comprendere quali siano le velocità provocate dalle pressioni in gioco. Per fare la conversione di grandezze si fa uso della legge di fluidodinamica, che ci da il valore della velocità nel punto più stretto della macchina, ovvero il punto di entrata. Ma la velocità dell’aria in entrata, a causa della differenza delle sezioni, non sarà la stessa nella camera di essiccazione, ed è proprio questa la velocità che a noi interessa. Ci sono due fattori che variano il valore della velocità di entrata: -la differenza della temperatura tra temperatura dell’aria all’ingresso e nella camera di essiccazione -il rapporto tra l’area di ingresso dell’aria e la sezione della camera di essiccazione Per quanto riguarda il primo, consideriamo che nella camera di essiccazione la temperatura sarà sempre maggiore alla temperatura esterna. Questo produrrà un cambio di densità ed allo stesso modo, un cambio di velocità. Con la Legge di Bernoulli (i calcoli sono presenti sulla tavola relativa all’effetto camino) si può calcolare che l’aumento prodotto è di circa il 5%, un apporto trascurabile all’interno delle dinamiche presenti nella macchina. Tra i due, la più importante influenza sul cambio di velocità

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aria calda estratta BREZZA esterna

aria calda estratta

Estrattore eolico. Funzionamento. la esercita il rapporto tra le due aree di ingresso. Questo rapporto avrà influenza soltanto di giorno, dato che di notte tutti i condotti staranno producendo allo stesso modo e, quindi, formeranno un’area di ingresso simile a quella della camera di essiccazione. Noi prenderemo il caso più critico di tutti, in cui supponiamo che l’aria calda arrivi soltanto attraverso tre condotti. Questa diminuzione della sezione d’ingresso dell’aria potrà far abbassare la velocità del flusso fino ad un valore di 0.21m/s. Consideriamo, comunque, che questo è il peggiore dei casi che non dura che per qualche decina di minuti. Durante il funzionamento a piena efficienza del sistema la sezione non si riduce, e la velocità si attesta sui 2.54m/s. Per coadiuvare l’effetto camino è anche possibile aggiungere un semplice estrattore eolico. L’estrattore eolico è un piccolo oggetto che utilizza il vento mediante delle pale che sfruttano il loro movimento rotazionale per aspirare l’aria e aumentarne la velocità all’interno dell’essiccatore.

OTTICA

Il flusso luminoso che incide su una superficie qualsiasi, da luogo a tre differenti comportamenti in percentuali variabili: assorbimento, riflessione e trasmissione. La somma del fattore di assorbimento, il fattore di riflessione e il fattore di trasmissione ci da come risultato la radiazione luminosa

Ottica. Assorbimento; riflessione; trasmissione.

Φi coeficienti adimensionali

fattore di assorbimento fattore di riflessione

Φr Φt

fattore di trasmissione

α= ρ= τ=

Φa % Φi Φr % Φi Φt % Φi

100%

Φa 06_RICERCA TEORICA 145

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incidente iniziale. Il comportamento angolare di un flusso luminoso che incide su una superficie può dare come risultato una riflessione diversa a seconda del materiale su cui incide. - Riflessione speculare: si verifica su un materiale dalla superficie liscia e completamente riflettente - Riflessione semidiffusa a fascio largo o a fascio stretto: avviene a seconda che la superficie del materiale sia rispettivamente più rugosa o meno rugosa. - Riflessione diffusa: avviene se la superficie del materiale è molto rugosa. - Riflessione diffusa più riflessione speculare: si verifica se la superficie è rugosa ma non ha un alto coefficiente di riflessione. - Riflessione prismatica complessa: avviene se la superficie del materiale non è liscia ma invece di presentare una rugosità casuale ha delle facce prismatiche regolari e geometriche.

Ottica. Tipi di riflessione.

speculare θ θ’

diffusa

semidiffusa a fascio largo

diffusa + speculare

semidiffusa a fascio stretto

prismatica complessa

Macroscopicamente parlando, una riflessione diffusa è il risultato di tante piccole riflessioni speculari diverse e disordinate osull’irregolarità del suo profilo superficiale. Il comportamento angolare delle riflessioni speculari su una superficie viene descritto dalla legge della riflessione di SnelliusCartesio: il raggio incidente, la normale alla superficie riflettente nel punto di incidenza e il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano. L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione. La quantità di radiazione riflessa viene espressa dal fattore di riflessione angolare. La quantità di riflessione trasmessa viene espressa dal fattore di riflessione angolare. Entrambi questi fattori sono una percentuale ottenuta dalla divisione della risultante della radiazione riflessa per il raggio incidente. Nel caso di raggi solari che incidono in fasci paralleli fra loro su uno specchio, la loro riflessione è descritta semplicemente dalla legge di riflessione. Ottica. Riflessione diffusa vista macroscopicamente.

θ θ’ riflessione speculare

riflessione diffusa

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Il comportamento angolare di una riflessione data da uno specchio sferico è influenzata, oltre che dalla legge di riflessione, anche dall’ampiezza del raggio di curvatura dello specchio. A seconda dell’ampiezza del raggio di curvatura dello specchio il fuoco si sposta in posizioni diverse fino a raggiungere l’infinito nel caso di uno specchio che diventa piano. Questo è utile per capire dove sia più conveniente convogliare i raggi rilessi dai riflettori dei nostri apparecchi.

Φi,β

Φr,β,θ Φt,β,θ

fattore di riflessione angolare

fattore di trasmissione angolare

β,θ,I

Φr,β,θ % Φi,β

β,θ,I

Φt,β,θ % Φi,β

Ottica. Fattore di riflessione angolare; fattore di trasmissione angolare.

Un raggio luminoso che oltrepassa una superficie si dice che avrà una rifrazione. Nel passaggio da questa superficie ad un’altra, la sua variazione di traiettoria di propagazione sarà influenzata diversamente a seconda del materiale che incontrerà. Questo cambiamento di traiettoria si verifica più specificatamente in corrispondenza della zona di separazione dei due mezzi in cui si trasmette il flusso luminoso.

o e ttic zionhio o e e s c ass inter/spec o ttic o e ass

θ1 sen θ 2 sen

costante

io gg

Ottica. Riflessione specchio sferico.

=r VCtura va cur γ

lo gohio ra n a cc atu pe urv s a r ic rtu tro d e ap cen

θ2 θ2

sorgente a distanza finita

S>F

S’>F

S=F

S’=∞

S<F

S’=virtuale

Ottica. Rifrazione.

θ1 06_RICERCA TEORICA 147

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LA SCELTA DEI MATERIALI DISPONIBILITÁ E CONTESTO

Le risorse utilizzate dai nostri apparecchi sono state considerate un criterio fondamentale durante la progettazione. Riteniamo che per la produzione di un apparato che funziona con l’energia solare sia a maggior ragione più controproducente usare materiali scarsamente sostenibili. Questo discorso vale sia per l’elevato impatto ambientale sia per l’eventuale impatto economico che una macchina di questo tipo può avere se contestualizzata in una zona povera del terzo mondo, come una comunità rurale in Messico. Nel caso dei nostri tre progetti ci troviamo ad affrontare dinamiche di utilizzo e contesti differenti tra loro che influenzano le nostre scelte progettuali nell’ultima fase del progetto, quando ci troviamo a concretizzare le decisioni prese in precedenza durante il percorso. L’ambiente ci offre molte risorse e molte soluzioni che possiamo sfruttare liberamente perché rinnovabili e non a pagamento. In generale possiamo individuare quattro caratteristiche che accomunano la scelta dei materiali dei nostri progetti:

CONDUZIONE DEL CALORE -TRASMISSIONE DI ENERGIA-

Mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo freddo, dopo un po’ di tempo essi raggiungono una temperatura comune, intermedia tra le loro temperature iniziali. Durante questo processo c’è un passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo. Sappiamo che la temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle molecole. Quando i due corpi sono a contatto, sulla superficie che li separa si scontrano le molecole veloci del corpo caldo con quello lente del corpo freddo. Alla fine le molecole del corpo freddo hanno più energia cinetica di quanto ne avevano all’inizio, mentre quelle del corpo caldo ne hanno meno. Il calore è quindi un trasferimento in altri termini, il calore è energia in transito.

Schema della conduttivitá termica

= k·A·

k: conduttivitá termica

l L’energia che forniamo ad un corpo nei nostri casi è quella trasportata dalla radiazione solare. L’energia che un corpo assorbe sotto forma di calore rimane dentro il corpo e va ad aumentare la sua energia interna.

148 _RICERCA TEORICA_06

Use the sun 2.indb 148

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Questa grandezza è uguale alla somma delle energie di tutte le molecole che costituiscono il corpo. La conduzione del calore é il risultato delle collisioni delle molecole. In questo modo, man mano che si riscalda l’estremo di un oggetto, le molecole si muovono più velocemente e trasmettono questo movimento alle molecole vicine permmettendo al calore di espandersi nel corpo. Questa caratteristica va tenuta in conto nel nostro caso quando ci troviamo di fronte alla scelta di un materiale che deve funzionare come isolante e ancora una volta come conduttore. Uno dei migliori isolanti che possiamo sfruttare gratuitamente in natura è sicuramente l’aria, se mantenuta ferma, magari all’interno di un’intercapedine. Mentre il migliore conduttore in assoluto risulta sempre il rame secondo il paragone costi/efficienza, anche se in molti casi il costo resta sempre poco accessibile. Ag (argento) 100cal/s·m·˚C

Cu (ram e) 92cal/s·m·˚C

Al (allu mini o) 50cal/s·m·˚C

Fe (fer ro e acciai o) 11cal/s·m·˚C

Vetro 0.2cal/s·m·˚C

Materiali a confronto. isolanti e conduttori.

Cemento e Mattoni 0.2cal/s·m·˚C

H 0.14cal/s·m·˚C

Legno 0.03cal/s·m·˚C

Sughe ro 0.01cal/s·m·˚C

Aria ferma 0.0055cal/s·m·˚C

CAPACITÀ TERMICA

La capacità termica di un corpo è la grandezza che misura quanta energia è necessaria per aumentare di 1° C la temperatura del corpo. Essa è definita come il rapporto tra la quantità di energia E che il corpo assorbe e il corrispondente aumento di temperatura T. La capacità termica si misura in joule. Questa grandezza dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo e anche dalla sua massa è evidente, per esempio, che la capacità termica di 10 kg di acqua è maggiore di quella di 1 kg di acqua. Per ottenere lo stesso aumento di temperatura occorre fornire molta più energia nel primo caso che nel secondo. L’inerzia termica è il contrario di questa proprietà e rappresenta la resistenza che un materiale oppone ai cambi di temperatura della sua massa. La massa di 10 kg ha più inerzia termica di quella di 1 kg, nel senso che offre una resistenza maggiore ai cambiamenti di temperatura. Questa relazione tra massa ed energia è descritta anche con i valori di calore specifico di un materiale: ovvero quante calorie sono necessarie per aumentare di 1°C la temperatura del suo corpo che pesa 1kg.

∆E ∆T

06_RICERCA TEORICA 149

Use the sun 2.indb 149

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H2O 1kg

1ºC 1000cal

Q = mc ∆t c: calore specifico [kcal/kg·˚C]

CH2O = 1.00kcal/kg·°C

Materiali a confronto. Materiali utili per le loro caratteristiche di calore specifico. Al (a llum inio) 220cal/kg·˚C

Cu (rame ) 93cal/kg·˚C

Vetro 200cal/kg·˚C

Ghiacc io (-5ºC ) 500cal/kg·˚C

Fe (fer ro e ac c iai ) 110cal/kg·˚C

Pb (piom bo) 31cal/kg·˚C

Ag (argento) 56cal/kg·˚C

Legno 400cal/kg·˚C

Prendiamo come esempio ancora l’acqua quando le sue condizioni ambientali hanno questi valori: 1 atm di pressione e 15 gradi di temperatura. Il calore specifico del acqua è pari a 1: per riscaldare 1 kg di acqua alla temperatura di 1°C c’é bisogno di 1 kcal. Per innalzare di 1° C la temperatura di 1 Kg di acqua occorrono 4186 joule. L’innalzamento di 1°C di temperatura indica che questo afflusso di energia è servito per aumentare l’energia cinetica con cui si spostano le molecole di acqua. Anche il lavoro, così come il calore, è un modo di trasferire dell’energia o, in altri termini, è energia in transito. Interessante ci appare anche la definizione che deriva dal XVIII secolo: la quantità di calore “Q” che si richiede per cambiare la temperatura di un sistema é proporzionale alla massa dello stesso “m”, e al cambio di temperatura “∆t”. Tenere conto del calore specifico ci serve per scegliere i materiali che definiamo conduttori, che, avendo un basso valore, lasciano che il calore possa atraversarli agevolmante, provocando una rapida uniformazione del calore del corpo. In questo caso si prospetta anche un problema che molte volte ci mette di fronte a scelte e comparazioni che come risultato hanno dei compromessi obbligatori: oltre ad un basso calore specifico, molti componenti richiedono una buona inerzia termica. L’inerzia termica è la capacità di un corpo di mantenere la sua temperatura, esattamente l’opposto rispetto a ciò che abbiamo appena considerato. Un materiale con calore specifico basso che possiamo recuperare facilmente anche in una comunità può essere il ferro o altri acciai. A volte già presente sottoforma di scarti, come lamiere non più utilizzate, vecchi rivestimenti e coperture dismesse. Etanol o 580cal/kg·˚C

Hg (Mercurio) 33cal/kg·˚C

(15º C)

1000cal/kg·˚C

(110ºC )

480cal/kg·˚C

Cor po uman o 830cal/kg·˚C

Protein e 400cal/kg·˚C

Marm o 210cal/kg·˚C

Nylon e PC 340cal/kg·˚C

150 _RICERCA TEORICA_06

Use the sun 2.indb 150

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In ogni caso il suo costo, rispetto alle prestazioni che ci interessano, è buono, comprato magari con altri materiali assolutamente irraggiungibili per varie ragioni come rame o mercurio.

COEFFICIENTE DI DILATAZIONE

Il coefficiente “alfa” rappresenta la variazione lineare delle dimensioni di un corpo (sottoposto a pressione costante nulla) in relazione alle sue dimensioni iniziali quando la temperatura aumenta di una unità. La sua unità di misura é 1 diviso gradi Kelvin. Tener conto della dilatazione è molto importante in macchine come queste in cui si ha a che fare con consistenti cambi di temperatura. I materiali dei diversi componenti connessi tra loro possono andare incontro a dilatazioni differenti se non scelti con cautela, e questo potrebbe provocare dei problemi nelle connessioni, originare delle cricche indesiderate fino a causare vere e proprie rotture. In particolare, lavorando con macchine che posseggono componenti pensati per accumulare le più alte temperature possibili e, allo stesso tempo, abbiamo parti isolanti, dobbiamo tener in grande considerazione i comportamenti derivanti dalla loro compresenza in un unico sistema.

∆l α= 1 l0 ∆T α: coefiente di dilatazione [1/K]

QUALITÀ DELLA SUPERFICIE

La superficie dei materiali su cui scorre l’acqua o su cui avvengono azioni anche più delicate non può essere scelta senza criterio. Essa deve consentire e a volte agevolare il conseguimento del risultato positivo dei nostri obiettivi. In casi come il raccoglimento della condensa ottenuta dal Fe (acciai o)

Ghiaccio

Al (allu mini o)

Ottone

C (diama nte)

C (graf fite)

Materiali a confronto. Coefficienti di dilatazione nei materiali più usati nelle macchine solari.

PVC

Sili cone

Vetro (Ordina rio)

Cemento

Vetro (pyrex)

Inox

06_RICERCA TEORICA 151

Use the sun 2.indb 151

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sem

i-ru

Rugosità. Le superfisci liscie agevolano lo scorrimento dell’acqua

Formula di Strickler

C= K

R(h)

Formula di Chézy

V(h)= C

R(h) · J

V(h): velocit R(h): raggio idraulico C: coef. di Manning K: parametro di rugositá J: pendenza della linea di energia

Materiali a confronto. Comparazione secondo la a rugositá. Bronzo liscio

Acciaio Sald ato

Acciaio Rivettato

n-r ug

oso

vapore, nel caso del distillatore, una superficie troppo rugosa ostacolerebbe lo scivolamento natura per effetto della gravità, quindi abbiamo bisogno di una superficie che non presenti ostacoli superficiali nella direzione in cui deve scendere l’acqua. Anche nella copertura trasparente di un collettore o su uno specchio riflettente, per le leggi di ottica, sappiamo che una superficie rugosa infrangerebbe la riflessione dei raggi luminosi causando comportamenti sfavorevoli per il rendimento dell’impianto in questione. Abbiamo avuto esperienza diretta di questo fenomeno durante le prime prove con il distillatore che aveva il cristallo superiore con superficie rugosa: la rugosità rivolta al lato d’ingresso della radiazione ostacolava il suo ingresso nella macchina, ma, se rivolta all’interno, impedivo addirittura all’acqua di scorrere sulla sua superficie e di fuoriuscire dal distillatore. Tramite la formula di Strickler possiamo calcolare la velocità di caduta di un fluido sulla superficie di diversi materiali. Partendo da “K” che ci indica il parametro di rugosità, dovremo realizzare due conversioni dove terremo conto delle caratteristiche geometriche del canale di scorrimento del fluido (raggio idraulico). La tabella ci indica i diversi parametri di rugosità dei diversi materiali o processi di fabbricazione degli stessi.

Ferro gal vanizz ato

Vetro

Cemento liscio

Ferro fuso non rivesti to

Cemento non liscio

Ferro fuso rivesti to

Gres

152 _RICERCA TEORICA_06

Use the sun 2.indb 152

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Allungamento PE

ABS

PVC

4 3 2 1 0

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

ABS

PVC

Contenuto energetico ( MJ/kg)

Prezzo ($/kg)

Modulo elastico (GPa)

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

ABS

PVC

TRASPARENZA E RESISTENZA MECCANICA

Altre caratteristiche, anche più intrinseche dei materiali stessi, come la trasparenza sono determinanti per le nostre macchine e ci pongono di fronte a scelte ancor più difficili durante la progettazione. Una copertura che deve permettere il passaggio della radiazione luminosa deve ovviamente essere trasparente, ma allo stesso tempo sarà anche a contatto con l’ambiente esterno, quindi con gli agenti atmosferici, colpi accidentali e altri motivi che la metterebbero a rischio se troppo fragile. Ecco perché a volte non possiamo permetterci di usare il vetro, ma dobbiamo ricorrere al Polipropilene, che come materiale polimerico, presenta delle caratteristiche adeguate alle nostre funzioni e ha dei prezzi contenuti.

Polipropilene. Caratteristiche e proprietà.

06_RICERCA TEORICA 153

Use the sun 2.indb 153

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Avendo intrapreso questo lungo percorso progettuale da zero, senza conoscenze ne’ esperienze pregresse, abbiamo iniziato a documentarci a partire dalle basi: da dove arriva l’energia solare? e come ci arriva? La prima tavola è, quindi, dedicata al sole. Dalla fusione dell’idrogeno si libera calore ed energia che, sotto forma di radiazione luminosa, si irradia in tutte le direzioni nel vuoto spaziale. Un infinitesima parte di questa energia arriva a colpire proprio la terra; la sua quantità è definita dalla costante solare: 1.367 W/m2.

Use the sun 2.indb 154

09/09/2008 23:33:21

Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

ENERGIA SOLARE fonte e percorso spaziale

COMPOSIZIONE 2 gas prevalenti: H e He

Idrogeno 73 % Elio 25 %

FUSIONE NUCLEARE

Neon 0.12 % Azoto 0.09 % Silicio 0.07 % Magnesio 0.05%

idrogeno si trasforma in elio-4

idrogeno

1SECONDO:

idrogeno deuterio

elio - 4 (stabile)

elio - 3

idrogeno

il sole non si espande ne’ contrae

superficie: 5.700 K

600.000.000 t idrogeno

radiazione gamma (ENERGIA)

EQUILIBRIO IDROSTATICO

nucleo: 10 - 40 milioni K

TEMPERATURA

ALTRI GAS: Ossigeno 0.77 % Carbonio 0.29 % Ferro 0.16 % Zolfo 0.12 %

4.500.000 t

E = mc2+

energia

-TOTALE ENERGIA PRODOTTA-

112 500 000 000 TWh

ENERGIA FUSIONE: forza espansiva

595.500.000 t elio - 4

696.000 km

-ENERGIA PER M2 EMESSA-

Rsole

63.000.000 W/m 2

distanza MAX: 151.200.000 km distanza MIN: 146.400.000 km

FORZA DI GRAVITA’: forza espansiva

SPETTRO DELLA LUCE Flusso incidente kw/m2 µm

prima dell’ingresso in atmosfera 2.5 2.0

radiazione corpo nero a 5800K

1.5 1.0 0.5 0.0

63.000.000 W/m2

DEGRADAZIONE INTENSITÀ RADIAZIONE SOLARE 2 Rterra = r 2 Rsole

mercurio 8.000 W/m2 600.000.000 km

900.000.000 km

0.6

1.200.000.000 km

1.5

2.5

2.000 W/m2

TA (costante so A RICE VU I l a re ) G R E AT ATMOSFER ERRESTRE

Rterra

: 1.3

terra 1.367 W/m2

/m 2

Use the sun 2.indb 155

N UA

TIT

Lungheza di onda µm

IE ÀD

3.500 W/m2

venere

radiazione prima dell’atmosfera 0.3

32.000 W/m2

300.000.000 km

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La costante è, però, un valore teorico. Di fatto, l’energia che arriva sulla terra è solo quella che riesce ad attraversare l’intera atmosfera fino a giungere sulla crosta terrestre. Fenomeni di assorbimento, riflessione e rifrazione della radiazione solare influiscono fortemente sulla quantità di energia solare di cui possiamo disporre.

Use the sun 2.indb 156

09/09/2008 23:33:24

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

ENERGIA SOLARE percorso nell’atmosfera

QUANTITÁ: potenza (kW)

QUANTITA’ e QUALITA’

costante solare

1367W/m²

potenza e lunghezza d’onda

10-6nm 10-2nm 15nm

1mm 30cm

1367 W 1m

A km 500 OSFER M TER

...... .INP UT

lo spettro a livello dell’atmosfera Radiazione kW/m² µm

costante solare

........

SPETTRO IN INPUT

100km

Luce 400 nm visibile 780 nm

0km 100 SFERA ESO

...........

Radio

Microonde

Raggi X

Raggi Gamma

STRE TERRE ..... A R E .. OSF .............. M T . . A .... ..... . . . . ..

R. Infrarossa

QUALITÁ: lunghezza d’onda (nm) UV

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2.5 2.0

R. senza atmosfera

1.5 2.0 0.5 0

0.3

0.6

1.5

Lungheza di onda µm

LE VARIABILI

2.5

Azoto 78.08%

le perdite di energia

ss orbimenot

rifle

dis persione

s si o n e

m 80k SFERA SO ME

Argon CO2 Neon Elio

Riflesso nuvole 20%

Assorbimento atmosfera 16%

Cripton Idrogeno

Assorbimento nuvole 3%

Riflesso terra 4%

Ozono Xeon

O ON OZ L‘ARRIVO SULLA TERRA

SPETTRO IN OUTPUT lo spettro a livello del mare

RADIAZIONE DIRETTA 51%

RADIAZIONE INDIRETTA 23%

1000W

massima radiazione su superficie terrestre

Use the sun 2.indb 157

Radiazione kW/m² µm

radiazione diretta e indiretta

P TRO

Altri 0.97%

somma

Riflesso atmosfera 6%

m A 50k OSFER AT STR

m A 12k OSFER

COMPOSIZIONE DELL’ ATMOSFERA

Ossigeno 20.95 %

0/40 RA 2 E F S

2.5 2.0

R. senza atmosfera

1.5

R. Solare a livello di mare

2.0 0.5 0

0.3

0.6

....1..

.......di onda µm Lunghezza .. 1.5

2.5

...... ..O U

TPU T

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Una volta chiariteci le basi dellâ&#x20AC;&#x2122;origine della radiazione solare, siamo passati ad analizzare il bersaglio che essa colpisce: la terra. Non riuscendo ad afferrare i movimenti terrestri nella loro interezza, abbiamo studiato singolarmente le sue componenti (asse, rotazione, rivoluzione) e le loro ricadute sulla ricezione della radiazione solare.

Use the sun 2.indb 158

09/09/2008 23:33:27

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ASTRONOMIA Posizione, Rotazione, Rivoluzione

POSIZIONE

66.5° N Circulo Artico

Dove siamo

23.5° N Tropico del Cancro 0° N Equatore 23.27° S Tropico del Capricorno

Italia

35 - 47° N

Messico

66.5° S Circolo Antartico

14 - 32° N

ROTAZIONE

Riferimenti giornalieri 23.5°N

Limiti geografici

altezza solare

66.5

°N

23.5

°N

latitudine MESSICO latitudine ITALIA

23.2

0°

45°

66.5

°S

0°

Influenza dell’ora del giorno 6.00

latitudine MESSICO

altezza solare

45° 90°

7° S

ora punta della giornata

0°

latitudine ITALIA

45° 90° 45°

19.0

0 .0 10 12.00 14 .0 0

ora della giornata

0°

RIVOLUZIONE Riferimenti annuali Massimo e minimo annuale

altezza massima

latitudine MESSICO latitudine ITALIA Giorno durante l’anno

23.5°N

45° 19°

Torino

69° 97°

Use the sun 2.indb 159

Torino

Messico

23.5°N 22° 50°

Messico

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Chiarita la natura delle singoli componenti del movimento solare, le abbiamo riunite in un unico modello e abbiamo iniziato a comprendere da cosa derivino quelli che noi percepiamo come movimenti del sole. Questo modello è semplificato dal fatto che possiamo pensare di prendere come punto fermo di riferimento un punto sulla superficie terrestre. In questo modo è possibile descrivere la posizione del sole con 2 soli valori: altezza solare e azimuth. Tracciando l’andamento dell’altezza solare e dell’azimuth durante il giorno e durante l’anno, si disegna una mappa del percorso solare, che sarà differente a seconda della latitudine del luogo di riferimento.

Use the sun 2.indb 160

09/09/2008 23:33:31

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ASTRONOMIA Rotazione e Rivoluzione

ROTAZIONE + RIVOLUZIONE

INFLUENZA DELL’ ORA DEL GIORNO

MASSIMO MINIMO ANNUALE

ESISTONO LIMITI GEOGRAFICI

Radiazione complessiva

Somma complessiva

AZIMUT E ALTEZZA SOLARE

Rappresentazione del percorso solare azimuth EST -135 -120 -105

-90°

SUD -75

-60

-45

-30

-15

OVEST 15

90° 105

120 135

80 ore 11

ore 10

AR - 23 SET 21 M

ore 8

20 APR - 23 AGO

ore 14

ore 15

ore 16

19 FEB - 23 OTT

ore 7 ore 6

ore 17

- 2 20 GEN 2 NOV 22 DIC

68°

ore 18 ore 19

ore 5

E IOR AGG ax. M

ore 13

za m

ore 9

21 GIU

21 MAG - 23 LUG

z alte

altezza solare

ore 12

alte zza 22°

max

. MI

EFFETTO DEL ATMOSFERA

effetti aggiunti al calcolo della radiazione

É influenzato dall´angolo d’incidenza con cui attraversa l´atmosfera d0 ≠ d1 ≠ d2

terra

Use the sun 2.indb 161

09/09/2008 23:33:35

Per prevedere una potenza tanto complessa come la radiazione solare sono stati messi a punto dei modelli matematici di approssimazione. Questi modelli semplificativi ci permettono di calcolare la potenza teorica di diverse macchine solari in diverse posizioni geografiche. Uno dei modelli piĂš utilizzati (soprattutto in campo fotovoltaico) e quello delle â&#x20AC;&#x153;ore solari piccoâ&#x20AC;?. Questo modello ha lo scopo di stimare lâ&#x20AC;&#x2122;energia utile che investe una superficie inclinata durante una giornata.

Use the sun 2.indb 162

09/09/2008 23:33:35

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ACCUMULARE RADIAZIONE il nostro input

la radiazione per m2

1m² Tangente alla terra

Misure a livello di mare

L’ENERGIA ACCUMULATA IN UN GIORNO

RADIAZIONE TANGENTE POTENZA MAX 1000 W/m²

ORE SOLARI DI PICCO (HSP)

1.25

1.0

radiazione orientabile

0.75

HSP orientabile

0.75

0.5

radiazione fisso

0.2 0

10 12 14 Ore del giorno

HSP fisso 16

22 24 0

10 12 14 Ore del giorno

22 24

Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre

24h

DATTI ANUALI

Notte

22h 20h 18h 16h 14h

Radiazione max.

12h

10h 8h 6h 4h

DATA BASE CON I ORE SOLARI DI TUTTO L’ANO

11 21 31 10 20 1 11 21 31 10 20 30 10 20 30 9 19 29 9 19 19 8 18 28 7 17 27 7 17 27 6 16 26 6 16 26

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

0.2

UN UNICO DATO

Radiazione solare (kW/m²)

HSP diverse se il ricettore è FISSO o MOVILE (segue il sole nella giornata). 1.25

GIORNO SINGOLO

un modello per valutare la potenza

ALTEZZA SOLARE Fattore K

latitud. -23.45

Radiazione solare

NORD α max.

Use the sun 2.indb 163

GEOMETRIA

Fattore K dipendente da angolo alfa e latidudine del luogo latitud. +23.45 0.5 gradi al giorno

Radiazione solare

SUD α min.

INCLINAZIONE DELL’INSTALLAZIONE fattore k (da un determinato angolo)

Notte

2h 0h

09/09/2008 23:33:38

Prima che la tecnologia informatica mettesse a disposizione macchine con potenze di calcolo adeguate, la radiazione solare era calcolata manualmente mediante tabelle e diagrammi compilabili a mano. Si disegna un diagramma del percorso solare (altezza e azimuth) relativo al luogo di cui si vuole conoscere la disponibilità di radiazione. I manuali mettono a disposizione apposite mappe calcolate in base alla quantità di radiazione solare che investe una superficie in relazione alla sua inclinazione rispetto al Sud. Sovrapponendo i 2 grafici è possibile dedurre la quantità di energia solare che investe una superficie avente una data inclinazione e collocata nel luogo di cui si è disegnato il percorso solare.

Use the sun 2.indb 164

09/09/2008 23:33:38

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RADIAZIONE calcolo manuale

PERCORSO DEL SOLE NELLA SFERA CELESTE paragone Italia/Messico

Misurazioni di RADIAZIONE DIRETTA (con inclinazione di 0˚) e visualizazione nelle grafiche ALTEZZA / AZIMUT TORINO (Italia): Posizionamento: 45,2°, 7,7.0°

h. 12

h. 16 h. 17

h. 8

h. 7

h. 14

h. 6

h. 10

h. 15

h. 9

h. 16

h. 8

h. 17

h. 7

h. 18

h. 19

h. 5

h. 18

h. 20

ALT North 150 120 90 60 30 South 30 60 90 120 150 North Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

ALT North 150 120 90 60 30 South 30 60 90 120 150 North Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre

h. 13

h. 11

h. 15

h. 9

h. 14

h. 10

h. 12

h. 13

h. 11

ACAPULCO (Messico): Posizionamento: 16.8°, -99.0°

VALORI DELLA RADIAZIONE RISPETTO ALL’INCLINAZIONE

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

paragone 30 gradi / 60 gradi / 90 gradi

30 gradi

Unitá: kw/m² 1.10

60 gradi

Unitá: kw/m²

90 gradi

Unitá: kw/m²

0.9

0.7

3 0.6 7 0.4

0.16

0.7

0.6

.47

0.3

6 0.1

0.6

CALCOLO COMPLESSIVO MANUALE

0.3

LETTURA

analisi teorica di una instalazione a 90 gradi a Acapulco

bianco e nero / radiazione colorata

h. 13

h. 11

h. 14

h. 10

h. 15

h. 9

h. 16

h. 8

0.7

h. 17

0.6

h. 7

7 0.4

0.3

DIA Z 90 ION gra E di

h. 12

So semvrap pli posi zio ce n

0.1

AZ AC IMUT AP UL /ALTE CO Z (M ZA ES SIC O)

0.4

0.1

0.9

.32

h. 18

h. 12

h. 13

h. 11

Use the sun 2.indb 165

h. 10

h. 15

h. 9

h. 16

h. 8

h. 7

0.7

h. 17

0.6

7 0.4

0.3

0.1 6

Ra a m diazi la ano one let c tur per f olor aci ata a lita re

h. 14

h. 18

09/09/2008 23:33:41

A sinistra il risultato dell’accoppiamento dei 2 grafici di percorso solare (in azzurro) e potenza della radiazione su una superficie inclinata (in rosso). Ad ogni punto della mappa blu (che indica le posizioni del sole durante il giorno nei 12 mesi) corrisponde una quantità di energia solare. I software tolgono molto fascino a questa operazione: dispongono di database contenenti percorso solare e potenza della radiazione di ogni punto del mondo. Scelta una località è possibile elaborare una mappa contenente posizione solare e quantità ideale di radiazione emessa per ogni giorno dell’anno.

Use the sun 2.indb 166

09/09/2008 23:33:41

Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

RADIAZIONE calcolo manuale / computerizzato

RADIAZIONE DIRETTA con captatore a 30° CALCOLO COMPLESSIVO MANUALE

SOFT WARE: EcoTect (Helios)

con sovrapposizioni

automatico

ACAPULCO (Messico) 90 80 h. 12

h. 13

5 0.9

.10

1 h. 11

h. 14

60 9

h. 10

h. 15

h. 9

h. 16

0.7

0.6

.47

30 h. 8

h. 17

40 30 20

30 South 30

120

150 North

120

30 South 30

Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre

10 ALT North 150

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

120

Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre

ALT North 150

2 0.3

.1 h. 18 0

h. 7

Unitá: kw/m²

TORINO (Italia) 90

120

150 North

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

h. 12

h. 13

5 0.9

.10

h. 14

h. 11

40 30

h. 7

2 0.3

h. 18

h. 6

.47

h. 17

h. 8

60 50

3 0.6

h. 16

h. 9

0.7

h. 15

h. 10

h. 19

40 30 20

0.16

10 60

120

150 North

ALT North 150

120

30 South 30

120

150 North

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

30 South 30

Ottobre Novembre Dicembre

Gennaio Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno

Ottobre Novembre Dicembre

120

Luglio Agosto Settembre

h. 20

h. 5

Luglio Agosto Settembre

ALT North 150

Use the sun 2.indb 167

09/09/2008 23:33:45

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DISEGNO INDUSTRIALE

Un flusso luminoso

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

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Studenti:

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

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PRINCIPI DI OTTICA la riflessione (1/2)

incidente su una superficie viene: in parte ASSORBITO, in parte RIFLESSO e in parteTRASMESSO

i coeficienti adimensionali

fattore di riflessione

fattore di trasmissione

fattore di assorbimento

100%

FLUSSO RAGGIO SOLARE Comportamento angolare

riflessione di tipo:

speculare ’

diffusa

semidiffusa a fascio largo

diffusa + speculare

semidiffusa a fascio stretto

prismatica complessa

’ riflessione speculare

riflessione diffusa

L’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione ’

Use the sun 2.indb 168

fattore di riflessione angolare

, ,I

fattore di trasmissione angolare

, ,I

09/09/2008 23:33:48

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DISEGNO INDUSTRIALE

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Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

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PRINCIPI DI OTTICA la riflessione (2/2)

COMPORTAMENTO ANGOLARE RIFLESSIONE specchio piano

Minor sfruttamento del raggio riflesso

COMPORTAMENTO ANGOLARE RIFLESSIONE specchio sferico

gio

rag l

ico ott

e on o e ezeicchi s ass r e into/sp ttic o e ass

=r VCtura a v r cu

tro cen

lo go o an cchi pe as tur

sorgente a distanza finita

ra atu urv

S>F

S’>F

S=F

S’=∞

S<F

S’=virtuale

Maggior sfruttamento del raggio riflesso

COMPORTAMENTO ANGOLARE RIFRAZIONE

Variazione di traettoria di propagazione della radiazione luminosa che si verifica in corrispondenza dell’interfaccia di separazione di due mezzi in cui si trasmette il flusso luminoso

θ2 θ2

legge della riflessione (Snellius-Cartesio): Il raggio incidente, la normale alla superficie di separazione nel punto di incidenza e il raggio rifratto giacciono sullo stesso piano

θ1 sen θ 2 sen

costante

θ1

Use the sun 2.indb 169

09/09/2008 23:33:51

In questa fase abbiamo affrontato le basi dei principi di ottica, e realizzato una carrellata sulle proprietà ottiche di alcune superfici riflettenti. Ci accorgeremo più avanti di come sia estremamente difficile riflettere la radiazione solare con forme paraboliche che concentrino la radiazione in una zona ristretta. Il continuo movimento relativo del sole complica molto le cose: è necessario ri-orientare l’apparato ricevente con estrema frequenza o calcolare le superfici riflettenti in base all’angolo d’incidenza della luce.

Use the sun 2.indb 170

09/09/2008 23:33:51

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DISEGNO INDUSTRIALE

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DINAMICHE DI RIFLESSIONE luce e superfici

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

PRINCIPI DI OTTICA dinamiche di riflessione

FUOCO

Concentrarefuori della paravola

Raggio diretto

QUANTITÁ DI RIFLESSIONI

Non essieste un unico fuoco

Use the sun 2.indb 171

CURVE NON UNIFORMI

09/09/2008 23:33:54

Intuendo l’importanza delle caratteristiche fisicoottiche del vetro, ci siamo documentati sulle sue dinamiche di comportamento fondamentali. Fattore di estrema importanza è l’angolo di incidenza della luce sul vetro: più si allontana dalla perpendicolarità alla superficie del vetro, più tenderà ad essere riflessa senza oltrepassarlo per trasmissione. La presenza di doppi o tripli vetri influisce a sua volta sulla percentuale di radiazione trasmettibile.

Use the sun 2.indb 172

09/09/2008 23:33:54

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

LUCE E VETRO il loro comportamento

INTENSITA’ RADIAZIONE SU UNA SUPERFICIE: maggiore inclinazione, minore intensitá vetro comune

Si O OFe2O3

Si Si Si O O-Na+ Si + Si Na O OO Si O O O Si O Fe2O3 O Si Si O O O OO

Si = silicio

ossidi di metalli variabili Fe2O3 = ossido di ferro (< 0,1%)

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

energia ASSORBITA

90% 80%

1 vetro

70%

2 vetri

60%

3 vetri 4 vetri

energia RIFLESSA

50% 40% 30% 20% 10%

energia TRASMESSA

caratteristiche superficiali (es. anti-riflettente)

0°

RIFLESSIONE

100%

una combinazione di 3 fattori

PERCENTUALE RADIAZIONE TRASMESSA

RADIAZIONE E VETRO:

ANGOLO TRA PERPENDICOLARE SUPERFICIE E INCLINAZIONE RADIAZIONE (i)

Na = sodio

inizio angolo critico

O = ossigeno

INTENSITA´ = Radiazione * cos i

i = 45°

i = 0°

IS SI

ON E

inclinazione dell superficie rispetto alla radiazione

er gi a

ció che non viene riflesso o assorbito

ASSORBIMENTO

TRASMISSIONE

ASSORBIMENTO

ON SI

ES FL RI

ossido di ferro (struttura molecolare)

E ON

IS SI

I SS

E FL

ON E

ASSORBIMENTO

Use the sun 2.indb 173

aria ferma

VETRO

interno

VETRO

DISPERSIONE TERMICA

esterno

09/09/2008 23:33:57

L’effetto serra è uno dei principi che governa permette l’accumulazione del calore nei nostri forni solari. In un sistema formato da un cristallo di vetro, un ambiente isolato termicamente ed un corpo nero, avvengono le seguenti fasi: Il vetro permette l’entrata dei raggi solari ad esclusione della parte infrarossa, che viene riflessa. La radiazione è assorbita del corpo nero e trasformata in infrarossi (che si manifesta sotto forma di calore). Questi infrarossi vengono bloccati dal vetro all’interno dell’ambiente isolato, aumentandone la temperatura.

Use the sun 2.indb 174

09/09/2008 23:33:57

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Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

LUCE VISIBILE

Infrarosso

NE IO RE Z DIA LA E RA SO ENT ID INC SO

IRRADIANZA SPETTRALE (Wm2nm)

OS AR O R INF LESS RIF

2,5

NE IO RE Z DIA LA RA SO ESSA M AS TR

IRRADIANZA SPETTRALE (Wm2nm)

500

visibile

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

LUNGHEZZA D’ONDA (nm)

L’INFRAROSSO NON VIENE TRASMESSO DAL CRISTALLO ALL’INTERNO

infrarosso

1,5

Riflessione del infrarosso

0,5

1,5

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

LUNGHEZZA D’ONDA (nm)

LA PARTE DI SPETTRO ULTRAVIOLETTA E VISIBILE CHE PASSA IL CRISTALLO VA A COLPIRE IL CORPO NERO CHE visibile infrarosso PRODUCE ALTRO INFRAROSSO. QUESTO INFRAROSSO RESTA INTRAPPOLATO ALL’INTERNO CAUSANDO L’EFFETTO SERRA. IL CORPO NERO, A SECONDA DELLA TEMPERATURA A CUI SI TROVA, PRODUCE QUANTITÁ DIFFERENTI DI INFRAROSSO trasforma COME MOSTRA IL GRAFICO z infrarosso ion e

Use the sun 2.indb 175

LA TOTALITÁ DELLA RADIAZIONE RAGGIUNGE LA SUPERFICIE ESTERNA DEL CRISTALLO

1,5

250

SO OS LATO R RA PO INF RAP INT

infrarosso

0,5

IRRADIANZA SPETTRALE(Wm2nm)

LO AL IST

visibile

250

O RP CO RO NE

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EFFETTO SERRA

400 nm

DISEGNO INDUSTRIALE

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Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

780 nm

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0,5

T°=120°C 250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

LUNGHEZZA D’ONDA (nm)

09/09/2008 23:34:00

Nel nostro caso, l’effetto camino permette di aumentare la velocità del flusso d’aria che attraversa l’essiccatore ed investe i prodotti da seccare. Grazie alla differenza di altezza tra il punto più caldo ed il punto più freddo del sistema, si crea una differenza di pressione che provoca un aumento della velocità del flusso nel punto più stretto del sistema. Per calcolare la velocità del flusso all’interno della camera di essiccazione, dovremo tenere in conto il cambio di densità dell’aria ed il cambio della sezione del flusso.

Use the sun 2.indb 176

09/09/2008 23:34:00

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EFFETTO CAMINO (1/3)

temperatura VS. altezza

latitudine: 18º 28' N N

longitudine: 97º 24' O O

VELOCITÁ ATTRAVERSO LA PRESSIONE

Pressione : 800 hPa Umidità: 60%

Tehuacan

GIORNO Densitá a 28°C δ=0.9157kg/m2

Altitudine: 1640 m

NOTTE Altezza 4 m

Densitá a 19°C δ=0.9482kg/m2

Altezza 2 m

Densitá a 50°C δ=0.8324kg/m2

Densitá a 30°C δ=0.9084kg/m2

Use the sun 2.indb 177

Altezza 1 m

Densitá a 26°C δ=0.9229kg/m2

Densitá a 23°C δ=0.9338kg/m2

09/09/2008 23:34:03

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EFFETTO CAMINO (2/3)

Calcolo della DIFFERENZA DELLA PRESSIONE creata dall’ effetto camino

Effetto camino P = H · g (d1-d2) P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3] H: altezza relativa

Pressione [Pa] PUNTO CALDO

2.45 [Pa]

0.74 [Pa]

Pressione [Pa] PUNTO ALTO

0.28 [Pa]

0.56 [Pa]

É piu importante il cambio di temperatura che l’ altezza, soprattutto di giorno.

VELOCITÁ indotta nella zona dell’ entrata dell’aria nell’essicatore

Legge di fluido dinamica

2·P

P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3] v : velocitá del fluido [m/s]

Velocitá [m/s] PUNTO CALDO

2.32 [m/s]

1.53 [m/s]

Le velocitá ottenute all’entrata sono adeguate sia per il giorno sia per la notte

Cambio di velocitá derivata dal cambio di densitá. Dall’entrata all’uscita della camera di riscaldamento

Legge di Bernoulli 2

v2 = v1·

A1 A2

v : velocitá del fluido [m/s] P : pressione dinamica [Pa] : densitá del fluido [kg/m3]

Use the sun 2.indb 178

Velocitá [m/s] PUNTO CALDO

2.42[m/s]

1.54 [m/s]

Grazie al fenomeno spiegato da Bernoulli, l’aumento della densitá dell’aria fa aumentare la velocitá fino a un 5%.

09/09/2008 23:34:07

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EFFETTO CAMINO (3/3)

VELOCITÁ NELLA CAMERA DI SECCATO, aggiunta la differenza della sezione d’area.( influisce solamente di giorno, dato che di notte tutti i passaggi producono flusso uguale) USCITA MINIMA DEL RISCALDATORE A1 = 118 cm2

10cm

ENTRATA DELLA CAMERA DI SECCATO A2 = 1400 cm2

70cm

Conservazione di flusso

v2 = A1· v1 A2

Velocitá [m/s] PUNTO CALDO

Q : portata (costante) [m3/s] A : area [m2] v : velocitá del fluido [m/s]

0.21[m/s]

L’aumento dell’area della zona di flusso fa crollare la velocitá

Per aumentare l’efficenza dell’effetto camino introduciamo un estrattore eolico. Questo componente aiuta l’efficienza del tiraggio. aria calda estratta BREZZA esterna

aria calda estratta

Z RE

Use the sun 2.indb 179

09/09/2008 23:34:10

Use the sun 2.indb 180

09/09/2008 23:34:10

07 Analisi CAPITOLO

iniziale

DISEGNO INDUSTRIALE

Use the sun 2.indb 181

09/09/2008 23:34:10

ANALISI INIZIALE

Effettuiamo qui il resoconto della prima fase della progettazione per componenti: un approfondito lavoro di analisi di componenti e funzioni su forno, concentratore, distillatore ed essiccatore solare per definire e riconoscere gli ostacoli che incontreremo nel percorso.

07 183 196 200

Use the sun 2.indb 182

ESPLOSI, FUNZIONAMENTO E GRUPPI FUNZIONALI FUNZIONI ESSENZIALI TAVOLE ALLEGATE

09/09/2008 23:34:11

ESPLOSI, FUNZIONAMENTO E GRUPPI FUNZIONALI CONCENTRATORE, INTRODUZIONE E FUNZIONAMENTO

Il concentratore è la prima macchina solare su cui abbiamo applicato il metodo analitico per componenti. Molto interessati dalla sua capacità di concentrare (il concentratore è in grado di bruciare la carta in qualche secondo), abbiamo subito pensato potesse essere un interessante soggetto dagli interessanti sviluppi progettuali. In seguito ci accorgeremo come la necessità di costante riorientrazione dei concenratori parabolici con fuoco distante dal riflettore costituisca un problema troppo limitante. Col tempo conosceremo ad altri forni ed altre geometrie. Il concentratore solare è una macchina pensata per scaldare per mezzo della radiazione solare diretta. Non sono presenti dei vetri proprio perché il riscaldamento non avviene sfruttando l’effetto serra, utilizzato spesso in questo campo, ma usando la radiazione solare concentrata per mezzo di riflettori. Il punto di partenza progettuale è stato una parabola SKY rivestita appositamente con un foglio adesivo riflettente. La stessa struttura orientabile è quella utilizzata per le parabole per trasmissioni televisive. 07_ANALISI INIZIALE_ 183

Use the sun 2.indb 183

09/09/2008 23:34:11

Concentratore. Macchina in funzione con condotto vapore.

La parabola concentra la radiazione incidente di tutta la sua superficie esposta al sole, in un zona di circa 10 x 5 cm posta nel suo fuoco geometrico. E’ proprio sul suo fuoco che è collocata una piccola caldaia di acciaio inox isolata dall’ambiente esterno da un cilindro cavo di Nylon laminato di circa 14mm di spessore. La caldaia, anch’essa di forma cilindrica con sezione a “U”, è dotata di 2 valvole che servono rispettivamente all’ingresso dell’acqua e all’eventuale fuoriuscita di vapore. Prima dell’utilizzo, si riempie la caldaia con circa mezzo litro di acqua e si chiude la valvola di ingresso del liquido. La radiazione è quindi indirizzata sulla superficie concava della caldaia che, essendo verniciata di nero, assorbe gran parte dello spettro solare riflesso dalla parabola, e lo cede all’acqua al suo interno sotto forma di energia termica. Dopo circa 20-25 minuti di esposizione alla radiazione, l’acqua nella caldaia si scalda fino a raggiungere lo stato gassoso; l’aumento del volume spinge, così il gas a cercare una via di fuga che può trovare solo nella valvola di uscita della caldaia. Da qui è poi possibile convogliare il vapore e utilizzarlo in altri dispositivi. Avendo una sezione a “U”, è possibile utilizzare l’elevato calore della caldaia, per cucinare direttamente tra le sue pareti concave.

184 _ANALISI INIZIALE_07

Use the sun 2.indb 184

09/09/2008 23:34:12

Durante l’utilizzo, è stato necessario ri-orientare la parabola ogni 6-7 minuti a causa dello spostamento del sole. Per ben 2 volte abbiamo fatto fondere il cilindro polimerico isolante con il solo calore della radiazione riflessa! Per avendo prodotto abbondantemente vapore, l’impianto non è, però, mai stato in grado di riscaldare sufficientemente una pentola d’acqua per mezzo del vapore veicolato dal tubo.

Concentratore. I primi approcci con la macchina.

CONCENTRATORE, GRUPPI DEI COMPONENTI

Individuati i componenti che costituiscono il concentratore, il passo successivo è stato quello di raggrupparli in gruppi funzionali. E’ un operazione estremamente delicata e, in parte, dipendente dall’architettura mentale di chi affronta il progetto. L’individuazione dei gruppi funzionali del concentratore ci darà le basi per riconoscere nelle altre macchine somiglianza e differenze. Individuiamo 4 gruppi di componenti: riflettore della radiazione, struttura/dispositivo di orientamento, un accumulatore e conduttore di energia termica, isolante termico. Questi gruppi sono interconnessi da relazioni funzionali. La struttura è in grado di orientare l’intera macchina (e tutti i grupppi) rispetto alla posizione del sole, il gruppo del riflettore della radazione dialoga direttamente con l’accumulatore termico, in grado di trasformare la radiazione solare riflessa dalla parabola in energia termica. Allo stesso modo c’è uno stretto rapporto tra l’accumulatore termico ed il gruppo dell’isolante. 07_ANALISI INIZIALE_ 185

Use the sun 2.indb 185

09/09/2008 23:34:13

Concentratore. Il Professor Finck osserva il funzionamento della macchina.

Vedremo nelle prossime pagine come, anche per le altre macchine analizzate, sia possibile applicare una simile suddivisione in gruppi funzionali. I sistemi descritti mostreranno, soprattutto, variazioni e somiglianze nelle interrelazioni tra i vari gruppi.

DISTILLATORE, INTRODUZIONE E FUNZIONAMENTO

Il distillatore è una macchina progettata con lo scopo di rendere potabile acqua in zone dove questa non sia reperibile, tutto ciò con la sola energia della radiazione solare. La principale applicazione è quella della dissalazione dell’acqua marina in comunità non raggiunte da rete idrica o sprovviste di fonti d’acqua potabile. L’acqua viene inserita nella machina con l’ausilio di un tubo che entra nella parte superiore del distillatore. Questa, per forza di gravità, riempie, uno dopo l’altro le canaline di raccolta del liquido; l’acqua in eccesso scola attraverso un tubo posto nella parte inferiore della macchina. La radiazione solare penetra attraverso il cristallo e colpisce i piani le canaline che, essendo rivestite di materiale nero, assorbono la radiazione, si riscaldano

186 _ANALISI INIZIALE_07

Use the sun 2.indb 186

09/09/2008 23:34:15

Distillatore. Apparecchio in funzione.

e passano il calore per conduzione/convezione all’acqua che contengono. Inoltre, il cristallo intrappola la radiazione infrarossa all’interno del distillatore, innalzando ulteriormente la temperatura interna. Con l’aumento della temperatura, l’acqua passa allo stato gassoso e impatta sul cristallo; qui avviene la cessione di calore dal vapore acqueo al cristallo (540 calorie per grammo) e conseguentemente la condensazione di questo sulla superficie interna del vetro. Grazie alla viscosità e tensione superficiale dell’acqua, questa può scorrere sul cristallo spinta dalla stessa forza di gravità fino a raggiungere il canaletto di scolo. 07_ANALISI INIZIALE_ 187

Use the sun 2.indb 187

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Distillatore. Smontaggio del collettore.

Infine, la leggera inclinazione laterale del distillatore permette allâ&#x20AC;&#x2122;acqua distillata di fuoriuscire tramite un secondo tubo posto nella parte inferiore. In una giornata media abbiamo rilevato una produzione di circa 7 litri di acqua che equivale a 6 litri di acqua per metro quadro.

DISTILLATORE, GRUPPI DEI COMPONENTI

I gruppi funzionali individuati nel distillatore sono i seguenti: dispositivi di orientamento/sostegno, una struttura, isolante termico, un accumulatore e conduttore di energia termica

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un filtro di riflessione della radiazione infrarossa, un sigillante ermetico e le uscite/entrate dell’acqua. E’ di grande importanza sottolineare come tra i gruppi incontrati per la prima volta compaia il filtro di riflessione della radiazione infrarossa (in azzurro nel diagramma). Solitamente questa funzione è svolta da superfici di vetro, un materiale fondamentale per il settore dell’energia solare e che ha permesso la nascita di questo filone della scienza nel 1767 (vedi la sezione di storia). La ragione della presenza di questo filtro è spesso dovuta alla necessità di aumentare l’efficienza della macchina per mezzo dell’effetto serra. In questo caso, il filtro di riflessione della radiazione infrarossa ha anche lo scopo di provocare la condensazione dell’acqua evaporata nella macchina: due macro funzioni accorpate in un unico gruppo che capiremo rappresentare un forte limite all’efficienza globale del sistema. Notiamo come la maggior parte dei gruppi siano anche presenti in una macchina tanto diversa come il concentratore precedentemente analizzato. Allo stesso modo vediamo che qui come nel concentratore, l’accumulatore e conduttore di energia termica e l’ isolante termico dialogano direttamente per funzione e forme. In definitiva, capiamo come il distillatore mostri caratteri di estrema somiglianza con il concentratore. Le due macchine svolgono lo stesso lavoro per quanto riguarda la trasformazione della radiazione, ma utilizzano l’energia ricavata in maniere differenti.

ESSICCATORE, INTRODUZIONE E FUNZIONAMENTO

L’essiccatore che abbiamo deciso di testare è pensato per assolvere all’essiccazione di frutta e verdura in piccola e media scala. I costi e le difficoltà di costruzione sono piuttosto bassi e decisamente affrontabili. Una soluzione perseguibile ad esempio da un coltivatore che decidesse di aumentare in campo la qualità dei suoi prodotti con un processo di essiccazione più rapido di quello tradizionale all’aria aperta. Essiccatori simili sono già utilizzati nello stesso ambito con buoni risultati, ed è per questo che abbiamo pensato di costruirne uno nell’università per comprenderne più a fondo le dinamiche di funzionamento Di seguito una breve descrizione del funzionamento del forno. L’aria presente nella cassa di riscaldamento aumenta la sua temperatura e quindi si dilata: questo avviene a causa dell’incidenza diretta della radiazione solare e dell’effetto serra creato dal cristallo. La densità dell’aria diminuisce e la costringe a salire cercando una via di uscita verso l’alto. Questa, costretta in un percorso forzato, continua a riscaldarsi. La depressione che si crea all’ingresso della cassa spinge l’aria esterna ad entrare al suo interno e a perpetuare così il ciclo dell’aria. L’aria così riscaldata viene immessa nella camera di essiccazione, dove il prodotto da seccare giace distribuito su piani impilati. 07_ANALISI INIZIALE_ 189

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L’aria calda scorre attraverso i piani, secca il prodotto e, grazie all’effetto ottenuto tramite il comignolo dipinto di nero, fuoriesce con maggiore facilità dalla camera di essiccazione concludendo il ciclo. L’essiccazione dei prodotti effettuata dipende dunque da due fattori facilmente misurabili e regolabili: la temperatura dell’aria e la velocità del flusso.

ESSICCATORE, GRUPPI DEI COMPONENTI

I gruppi funzionali che abbiamo individuato nel distillatore sono i seguenti: dispositivi di orientamento/sostegno, una struttura, sostegno del prodotto, sportello, un filtro di riflessione della radiazione infrarossa, 2 accumulatori e conduttori di energia termica e un isolante termico. Notiamo come la maggior parte dei gruppi siano anche presenti in una macchina tanto diversa come il concentratore precedentemente analizzato: Anche in questo caso, la funzione della struttura e quella di orientamento sono svolte da gruppi funzionali differenti. L’essiccatore possiede un gruppo sportello, dato che si prevede che l’utente possa accedere all’interno della macchina per controllare il processo, introdurre o estrarre il prodotto. Un altro aspetto interessante e caratteristico di quasi tutte le macchine solari è la solita relazione diretta tra il gruppo di accumulo e conduzione dell’energia termica e quello dell’isolamento termico: dove c’è calore è necessario isolarlo per aumentare l’efficienza ed evitare inutili dispersioni. Iniziamo ad avere chiaro come le macchine che funzionano ad input solare per trasformare la radiazione in calore siano costrette a restare all’interno di alcuni binari progettuali ben definiti. Nonostante le architetture notevolmente diverse e gli scopi differenti per cui sono state costruite, la fonte solare che le accomuna le porta a dover compiere la prima fase del processo di funzionamento in maniera simile. La radiazione solare dovrà sempre essere catturata per la conversione in energia termica utilizzabile e, essendo una risorsa con un potenziale energetico definito e dilatato nel tempo, tutte le macchine dovranno essere in grado di evitare dispersioni e di accumulare l’energia necessaria. Sarà interessante ritrovare i medesimi gruppi funzionali con le più diverse forme e nelle più diverse macchine, soprattutto quelle non costruite da noi. Possedere un codice, uno strumento di lettura delle macchina solari permette di riconoscere immediatamente le scelte progettuali prese nei più differenti progetti e le loro motivazioni.

FORNO, INTRODUZIONE E FUNZIONAMENTO

Il forno solare è una macchina progettata con lo scopo di scaldare e cucinare. La sua applicazione è utile in zone non raggiungibili da corrente elettrica e per diminuire l’utilizzo di combustibili. Una direzione specifica è quella orientata alla soluzione di due problematiche presenti in molte popolazioni

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rurali messicane che cucinano bruciando legna in ambienti chiusi: il forte diboscamento in atto in tali zone e le gravi malattie respratorie provocate dall’inspirazione dei fumi di combustione. Il funzionamento sfrutta la radiazione solare coinvogliata all’interno del forno tramite una superficie specchiante orientabile. La piastra di rame posta sul fondo del forno assorbe la radiazione solare, ne rilascia l’infrarosso, e cede alla pentola il suo calore per conduzione. La piastra funge dunque contemporaneamente da conduttore, accumulatore di energia termica e produttore di infrarosso. L’ambiente interno è mantenuto caldo sfruttando l’effetto serra: la radiazione infrarossa riflessa dal cristallo, resta intrappolata all’interno del forno mantenendone alta la temperatura. Il doppio vetro impedisce anche la dispersione termica: il cristallo superiore, a contatto con l’ambiente, viene raffreddato dall’aria circostante, quello inferiore mantiene la temperatura perché protetto dall’intercapedine di aria tra i due vetri. La temperatura massima raggiunta dall’acqua è stata la massima raggiungibile in Messico: 92 C°, che equivale a quella di ebollizione. L’utilizzo risulta facile e poco impegnativo perché non richiede un orientamento costante verso il sole. E’ sufficiente ruotare la struttura su cui è montato il forno e ri-orientare la superficie specchiante ogni ora cira. L’operazione richiede soltanto pochi secondi. Le pareti del forno che abbiamo utilizzato sono di Nylon laminato per unire la funzione isolante e strutturale in un solo componente. Per questa ragione, dopo un utilizzo continuativo, le 2 pareti più lunghe si sono dilatate con un coefficiente maggiore di quello del vetro, provocando una grave distorsione dimensionale delle pareti ed il loro distaccamento dal cristallo che ha compromesso la tenuto stagna dell’aria all’inetrno del forno. Ci sarà del lavoro da compiere nel laboratorio di modelli.

Laboratorio LETS. Collettore solare del futuro essiccatore; forno solare Nylamid; distillatore;

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FORNO, GRUPPI DEI COMPONENTI

Come per le altre macchina individuiamo i gruppi funzionale in cui sono riuniti i componenti del forno: dispositivi di orientamento, struttura, riflettori radiazione, accumulatore e conduttore di energia termica, isolante termico, sportello e filtro di riflessione degli infrarossi. Anche in quest’ultima analisi è confermata l’applicabilità del nostro modello di suddivisione dei componenti in gruppi funzionali: notiamo fortissime somiglianze con il distillatore. La differenza sta nel fatto cheil forno, dovendo raggiungere temperature maggiori, concentra la radiazione in un area più Forno solare Nylamid. Funzionamento.

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ristretta attraverso l’uso dei riflettori. Come l’essiccatore, il forno è dotato di un gruppo sportello dettato della necessità di interagire con la zona di cottura e con il prodotto coinvolto nel processo. Ogni apertura provoca, chiaramente, un forte abbassamento della temperatura del forno. Il più importante tratto comune di tutte e 4 le macchine analizzate è proprio la presenza dei 2 gruppi conduttore di energia termica e isolante termico in strettissima relazione reciproca e caratterizzati da proprietà fisiche praticamente opposte. Il rapporto tra questi due gruppi rappresenta un punto chiave delle macchine solari, fondamentale per l’efficienza e affidabilità. Forno solare Nylamid. Il Professor Finck direziona l’apparecchio.

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Il Professor Finck al aboratorio LETS.

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FUNZIONI ESSENZIALI FORNO, SCHEMA FUNZIONALE ESSENZIALE

Forno solare. Schema funzionale essenziale.

Il seguente schema rappresenta un modello per la maggior parte dei forni solari, indipendentemente dal fatto che possiedano un riflettore che concentri radiazione solare nella zona di conversione di energia solare in quella termica. La prima funzione, indipendentemente dal funzionamento dello macchina, è l’accessibilità alla zona di cottura sia per introdurre ed estrarre gli alimenti, sia per il controllo visuale del cibo. La zona di cottura deve essere agilmente accessibile sia prima che durante la cottura. Devono essere rispettati dei requisiti di sicurezza nell’interazione con parti della macchina a temperatura elevate per evitare infortuni, e dovrebbe essere possibile dare all’utente la possibilità di controllare l’avanzamento della cottura senza disperdere l’energia termica accumulata. Il funzionamento del forno invece inizia quando la radiazione solare attraversa la frontiera che abbiamo chiamato di isolamento infrarosso e termico, in azzurro nel diagramma, il quale dovrebbe riflettere la totalità della parte infrarossa dello spettro. Prima di questa fase è spesso presente il gruppo funzionale dei riflettori che ha lo scopo di allargare la superficie di captazione di radiazione solare per poi rifletterla sulla superficie di isolamento infrarosso e termico che la veicola all’interno dell’ambiente isolato La radiazione passata all’interno colpisce il corpo nero, colorato di grigio nel diagramma, e provoca la vibrazione delle sue riflettore radiazione solare

radiazione solare

isol

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radiazione solare riflessa

spazio isolato

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radiazione → infrarossi isolamento termico

riempire

estrarre

con trollare

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molecole, riscaldandolo. La temperatura del corpo nero si uniforma costantemente per effetto della sua alta conduttività termo-elettrica. Se l’esposizione alla radiazione prosegue, il corpo nero inizierà a restituire all’ambiente circostante l’energia ricevuta sotto forma di radiazione infrarossa. A seguito di questo fenomeno il corpo nero potrà iniziare a trasferire il suo calore al cibo da cucinare. Allo stesso tempo la radiazione infrarossa riemessa, rimarrà intrappolata in quello che abbiamo chiamato spazio isolato. Tale spazio è isolato dall’esterno per mezzo della superficie che abbiamo rappresentato in azzurro, in grado di sigillare ed isolare l’ambiente termicamente e di riflettere la radiazione infrarossa. L’isolamento termico e l’intrappolamento della radiazione infrarossa, che viene costretta a riflettersi al suo interno e a trasformarsi in energia termica, permettono alla macchina di avere inerzia termica e, quindi, un rendimento più lineare.

DISTILLATORE, SCHEMA FUNZIONALE ESSENZIALE

Il funzionamento della macchina inizia con l’ingresso nel sistema dell’acqua, e delle sostanze in essa disciolte: Sali minerali, metalli o altre sostanze organiche che rappresentiamo con una x. La macchina deve prevedere dei volumi a tenuta stagna in cui l’acqua possa essere ospitata. Allo stesso modo dovrà essere garantito l’accesso all’interno della macchina non tanto per le operazioni di riparazione, ma per le operazioni dei residui della distillazione che ne comprometterebbero l’efficienza Contemporaneamente la radiazione solare fa il suo ingresso nel distillatore e viene assorbita dal corpo nero (che si vede in grigio nel diagramma) il quale lo trasforma in radiazione infrarossa, ovvero calore. Gli infrarossi vengono poi indirizzati verso l’acqua che potrà iniziare a scaldarsi ed aumentare esponenzialmente il suo coefficiente di evaporazione. La dispersione termica del corpo nero è limitata da una superficie a bassa conduttività termica che lo isola dall’ambiente esterno (disegnato in giallo nel diagramma). Allo stesso modo la radiazione infrarossa restituita dal corpo nero è trattenuta all’interno della macchina per mezzo di una superficie che la rifletta e non la lasci passare all’esterno (in azzurro nel diagramma), implementando l’efficienza della macchina attraverso lo sfruttamento dell’effetto serra. L’acqua inizia a riscaldarsi, le sue molecole a sfuggire in quantità sempre maggiori dai vincoli che li legano alla massa liquida. Un parte di queste molecole viene assorbita dall’aria presente nella macchina accrescendo il suo tasso di umidità relativa, mentre l’altra parte arriva a scontrarsi con la superficie (azzurra) dell’isolamento infrarossi. Durante il funzionamento si arriverà al punto in cui la quasi totalità delle molecole sfuggite all’acqua potrà raggiungere direttamente tale superficie dato che l’aria all’interno del distillatore sarà satura e avrà quasi raggiunto il 100% di umidità relativa. Questo sarà il primo dei fattori da valutare per un funzionamento ottimale. Il vapore, grazie alla forza della sua minore densità, arriverà quindi alla zona superiore del distillatore e inizierà a 07_ANALISI INIZIALE_ 197

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en to i n f ra ros s o i s o l am spa z i o i so l ato con d e n s a

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H2O X rm m nt az er t t o t ion a o i erm e rad erg ent n e i n a zione i ico am isol as po

Distillatore. Schema funzionale essenziale.

rta

zione

cedere per conduzione il suo calore allo strato di isolamento infrarosso, che di conseguenza lo cederà all’ambiente. Cedendo parte del suo calore, le molecole di vapore effettuano una seconda transizione di fase ritornando allo stato liquido e permettendo di estrarre dalla macchina l’acqua potabile, grazie anche alla tensione superficiale dell’acqua che gli permette di aggrapparsi alla superficie esteriore. È di vitale importanza che la temperatura dello strato azzurro di isolamento sia sempre la è più bassa possibile: è questo, infatti, il secondo fattore determinante per il rendimento del distillatore.

ESSICCATORE, SCHEMA FUNZIONALE ESSENZIALE

La prima funzione sarà quella di introdurre il prodotto da seccare nella parte funzionale centrale dell’essiccatoio, la camera di essiccazione, e garantire un accesso facile al prodotto. Anche in questo caso la parte dovrà essere facilmente accessibile ed essere pensata per facilitare le operazioni di carico e scarico del prodotto. La radiazione solare è sfruttata in due zone differenti. Nella zona di ingresso dell’aria osserviamo che la radiazione solare

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ha il compito di elevare la temperatura dell’aria, che aumenterà contemporaneamente di volume creando, così, un flusso d’aria caratterizzato da una sua propria velocità. Come sempre si tratta di convertire la radiazione luminosa in energia termica, intrappolare aria e infrarossi e provocare un riscaldamento dell’aria che verrà poi inserita nella camera di essiccazione. La camera di essiccazione dovrà accogliere il prodotto da seccare ed essere in grado di gestire in modo ottimale i flussi di aria calda che dovranno investire tale prodotto. Inoltre dovrà isolare il suo volume interno dalla temperatura esterna (che si vede in giallo nel diagramma) e dalla radiazione luminosa (che si vede in violetto nel diagramma) che potrebbe danneggiare il prodotto da seccare. In questo modo l’aria si caricherà dell’umidità del prodotto e proseguirà il suo percorso fino a trovare una via di fuga. A causa dell’aumento del tasso di umidità dell’aria e del suo abbassamento di temperatura, l’aria è sottoposta ad un processo che ne aumenti la velocità e dia forza al suo fluire nell’essiccatoio incrementando il tiraggio del flusso d’aria. Questo processo è descrivibile mediante l’isolamento termico con riflessione degli infrarossi (che si vede in azzurro nel diagramma) di un corpo nero che trasformi la radiazione solare in energia termica, in questa maniera è possibile coadiuvare l’effetto camino e tirare con maggior forza l’aria fuori dal sistema. I due parametri fondamentali per questo ogg etto sono la velocità del flusso d’aria e la sua temperatura. Essiccatore. Schema funzionale essenziale.

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H2O

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mento luminoso isola mento termico isola

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si e termico aros nfr oi rar nt → inf rosi ne zio

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e ssi isolam to infraro en

estrarre

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Use the sun 2.indb 199

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La prima tavola realizzata in Messico dopo la nostra partenza. Dopo il primo approccio con le macchine solari costruite dal prof. Finck, iniziamo ad applicare il primo step analitico della metodologia progettuale per componenti. Per ogni macchina realizziamo: un esploso, un analisi dei gruppi funzionali di componenti, uno schema di funzionamento. Questo Ă¨ lâ&#x20AC;&#x2122;esploso della macchina realizzata dal Prof. Finck accoppiando una parabola SKY recuperata dai rifiuti ed un corpo caldaia per lâ&#x20AC;&#x2122;accumulo della radiazione e del calore da essa ricavato.

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POLITECNICO DI TORINO - UIA Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

CONCENTRATORE esploso componenti con materiali

Riflettore

Parabola Riutilizzata Sky

(carta riflettente)

(metallo generico)

Cerniera metalica (metallo generico)

Chiusura vano

Supporti ed elementi di orientamento

(Materiale isolante polimerico)

(metallo generico)

Guarnizione

(Materiale isolante polimerico)

Viti M8 Din 943

Isolante

(metallo generico)

(Nylamid)

Ricettore e accumulatore di radiazione solare (metallo generico)

Braccio di supporto della caldaia (metallo generico)

car

te en ett

rifl

l eta

o ric

e lo g

iaio acc

Base di supporto fissa (metallo generico)

x ino

la ny

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Primo tentativo di individuare dei gruppi funzionali di componenti. Vedremo come, proseguendo il lavoro di analisi, si incontreranno grandi somiglianze con le altre macchine prese in considerazione. Eâ&#x20AC;&#x2122; stato sorprendente individuare architetture con forti basi progettuali comuni in macchine costruite per scopi differenti.

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09/09/2008 23:34:37

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CONCENTRATORE gruppi funzionali

CONCENTRATORE esploso con gruppi funzonali

RIFLETTORE RADIAZIONE ISOLANTE TERMICO ACCUMULATORE e CONDUTTORE di ENERGIA TERMICA

STRUTTURA / DISPOSITIVI di ORIENTAMENTO

CONCENTRATORE

temperatura

punto focale

e term iso Centro

Raggio Fuoco

θ θ

Azimut

FC=FB se θ é piccolo FA e FB sono simili perció FB=0.5 R.

Altezza vista dall’alto

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Il cuore del concentratore è il gruppo caldaia. Qui la radiazione si trasforma in calore che, per conduzione, si trasferisce all’acqua in essa contenuta. L’ acqua calda inizia a trasformarsi in vapore e, oltre a riscaldare la zona cava all’interno della caldaia, è condotta al di fuori di essa per essere utilizzata sotto forma di gas. La macchina soffre, però, di alcuni problemi che ne compromettono pesantemento la funzionalità: - necessità di riorientare la parabola ogni 5-6 minuti - la pressione sviluppata dal vapore è insufficiente per veicolarlo in un circuito - il calore si raffredda velocemente una volta fuori dalla caldaia

Use the sun 2.indb 204

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CONCENTRATORE schema di funzionamento

FASE RIEMPIMENTO ENTRATA H2O

CHIUSURA FORNO

ISOLANTE

PARABOLA

FASE RISCALDAMENTO USCITA VAPORE

CHIUSURA H2O CHIUSURA FORNO

CONDUZIONE

ISOLANTE

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CONVEZIONE

RADIAZIONE SOLARE PARABOLA

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Esploso del distillatore realizzato dal Prof. Finck. La basi progettuali sono paragonabili a quelle di un tipico pannello solare termico. Lâ&#x20AC;&#x2122;acqua, perĂ˛, non viene qui utilizzata come vettore energetico dato che, una volta distillata, essa stessa costituisce il prodotto finito del processo svolto dalla macchina.

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DISTILLATORE esploso componenti con materiali

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Viti

(metallo generico)

Ricettore di radiazione (polimero)

Tubi ingresso H2O (gomma)

Cornice

(Profili di Al)

Piano isolante

Schermo di ricezione semi-saturato

(materiale polimerico)

(Vetro)

Piani di esposizione liquido (metallo generico)

Cornice

(Profili di Al)

Piano portante (legno)

Telaio portante (legno, ferro)

nio rico mi ne allu ge llo a t me co eri ro lim fer o o ric op str me na oli p a te mm solan i go e l ia ter ma no leg ro vet

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In questa analisi abbiamo individuato forti somiglianze con i gruppi funzionali di componenti del concentratore. Pur avendo architetture esterne notevolmente differenti, iniziamo a notare come le macchine che sfruttano la radiazione solare in modo diretto debbano forzatamente possedere alcune caratteristiche progettuali. Individuiamo, perĂ˛, la presenza di un gruppo estremamente interessante e assente nel concentratore: il cristallo superiore, che ha la funzione di intrappolare gli infrarossi e creare effetto serra nella macchina.

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DISTILLATORE gruppi funzionali

SIGILLANTE ERMETICO FILTRO RIFLESSIONE INFRAROSSO e RAFFREDDAMENTO H2O

INGRESSI e USCITE H2O

ACCUMULATORE e CONDUTTORE di ENERGIA TERMICA

ISOLANTE TERMICO ISOLANTE TERMICO STRUTTURA PORTANTE

DISPOSITIVI di ORIENTAMENTO (fisso a 20 gradi)

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Il distillatore Ă¨ internamente composto da canaline rivestite di nero che hanno il compito di convertire la radiazione solare in calore e contenere lâ&#x20AC;&#x2122;acqua da riscaldare. Il cristallo superiore crea e raccoglie la condensa del vapore per veicolarla in una zona di raccoglimento. Scopriremo in fase di riprogettazione come proprio il cristallo superiore sia allo stesso tempo elemento chiave e punto debole del distillatore.

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DISTILLATORE schema funzionale

ENTRATA H2O SALATA

FASE RIEMPIMENTO

USCITA H2O IN ECCESSO IAZI

RAD 00%

1 ARE

RIFLES

SOL

SIONE

ONE

FASE DISTILLAZIONE

NTO

E TO V

N AME RED

RAF

NTO

IME

RR SCO

H2O

NE ZIO NSA gr H2O E D CON 540cal/ e: ced

EVAPORAZIONE prende: 540cal/gr H2O

USCITA H2O DISTILLATA

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Volendo sondare l’opportunità di utilizzare macchine solari in ambito agricolo, abbiamo costruito un essiccatore seguendo piani di esemplari già esistenti. Dopo esserci documentati su ciò che è già stato costruito, abbiamo optato per questo tipo di macchina perchè già ampiamente utilizzata e diffusa proprio in ambito rurale, agricolo e domestico.

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ESSICCATORE esploso - materiali e smontaggio

Camino

(metallo generico)

Struttura e isolante

Viti

(Legno)

(metallo generico)

Rette

(materiale polimerico)

Connessione

Schermo di ricezione semi-saturato

(materiale polimerico)

Telaio portante (legno)

(Vetro)

Piano isolante

(materiale polimerico) Corpo accumulatrice e emissore di energia termica

(Metallo)

eri

g allo

ro fer

ale

i ter ma

eri

lim

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iso

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Telaio portante (legno, ferro)

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Seppur collocati ed interconnessi in modi differenti, ritroviamo qui tutti i gruppi funzionali di componenti presenti nellâ&#x20AC;&#x2122;essiccatore. Ă&#x2C6; una presa di coscienza importante, che inizia a farci vedere queste macchina sotto un ottica differente. Iniziamo a comprendere come tutte le macchine solari che utilizzano la radiazione in modo diretto, compiano basicamente funzioni e processi identici.

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

ESSICCATORE gruppi funzionali

ACCUMULATORE e CONDUTTORE di ENERGIA TERMICA STRUTTURA SPORTELLO

FILTRO RIFLESSIONE INFRAROSSO

ACCUMULATORE e CONDUTTORE di ENERGIA TERMICA

SOSTEGNO PRODOTTO ISOLANTE TERMICO

DISPOSITIVI di ORIENTAMENTO e SOSTEGNO

Use the sun 2.indb 215

09/09/2008 23:35:00

Il collettore solare converte la radiazione in calore, trasferendolo all’aria in esso contenuta. Il riscaldamento dell’aria provoca l’abbassamento della sua umidità relativa e l’aumento del suo volume. La pendenza del collettore invita l’aria a proseguire il suo percorso fino all’interno della camera di essiccazione. Nella camera di essiccazione l’aria prosegue il suo percorso verso l’alto, asportando umidità dal prodotto da seccare e trovando nel comignolo l’unica via di fuga. Il comignolo, assorbendo radiazione, dovrebbe a sua volta scaldare l’aria e favorirne l’estrazione dal sistema.

Use the sun 2.indb 216

09/09/2008 23:35:00

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DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

Studenti:

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

ESSICCATORE schema di funzionamento

SCHEMA FUNZIONALE L’esscatore convenzionale con i miglioramenti funzionali per effetturare le prove pratiche.

Doppio tiraggio - Aumento del flusso di uscita

Percorso dell’aria - Scelta di lungezza del’area di conduzione.

Flusso d’entrata - Aumento del flusso d’aria

Vassoi orizontali Non omogeneo

Vassoi inclinati Omogeneo

Use the sun 2.indb 217

09/09/2008 23:35:04

Esploso del forno in Nylamid costruito dal Prof. Finck seguendo i piani di un modello di forno giĂ ampiamente testato e collaudato con successo in varie zone del pianeta. Questo forno Ă¨ lâ&#x20AC;&#x2122;evoluzione del primo forno solare della storia della scienza messo a punto dal naturalista svizzero Horace Saussure nel 1767.

Use the sun 2.indb 218

09/09/2008 23:35:04

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DISEGNO INDUSTRIALE

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FacoltĂ di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

Studenti:

applicazioni a basso impatto ambientale per lâ&#x20AC;&#x2122;energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

FORNO esploso componenti con materiali

Viti autofilettanti (metallo generico)

Coperchio riflettente orientabile (nylamid)

Superficie riflettente (carta riflettente)

Doppio schermo (vetro)

Struttura e isolante (Nylamid)

Manico

(metallo generico)

Supporto di orientamento (Nylamid)

Regolazione a vite (Ottone)

Lamina accumulatrice e conduttrice di energia termica (Cu)

Isolante

car

nte ete

rifl

o ric

e lo g

tal

(Lana di Vetro)

ram

Ruote di orientamento

la ny

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(metallo generico)

te an

l iso ale o i r te ic ma limer po ro vet

Use the sun 2.indb 219

09/09/2008 23:35:07

Notiamo come anche in questa analisi dei gruppi di componenti, si ripeta lo schema giĂ visto in precedenza: riflessione radiazione(trasformazione radiazione) e accumulo di energia termica (rilascio calore in ambiente isolato). Notiamo che, principalmente, la differenza tra le macchine analizzate non risieda nel modo in cui ricavano energia dal sole, ma nel modo in cui utilizzano questa energia! Nella tavola successiva questo aspetto emergerĂ con evidenza assoluta.

Use the sun 2.indb 220

09/09/2008 23:35:07

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Studenti:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

FORNO gruppi funzionali

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FILTRO RIFLESSIONE INFRAROSSO RIFLETTORI RADIAZIONE

STRUTTURA / ISOLANTE TERMICO

ACCUMULATORE e CONDUTTORE di ENERGIA TERMICA SPORTELLO ISOLANTE TERMICO

DISPOSITIVI di ORIENTAMENTO

Use the sun 2.indb 221

09/09/2008 23:35:09

Se nell’essiccatore l’aria viene fatta passare in un ambiente isolato per poi estrarla, il forno è pensato per trattenere l’aria in un ambiente sigillato e isolato termicamente. Di fatto, le due macchine compiono lo stesso lavoro di approvvigionamento di energia, ma ne sfruttano il prodotto in maniera differente e più coerente ai requisiti che devono soddisfare.

Use the sun 2.indb 222

09/09/2008 23:35:10

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

FORNO SOLARE schema di funzionamento

e on e i s l es rifl tota e on o i s es ss rifl fraro in

nto e m rbi ne o s as iazio rad e ion ti s s e e rifl a par ern int

Use the sun 2.indb 223

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e on o i s es ss rifl fraro in nto e m so gia aros g irra infr

09/09/2008 23:35:12

Nei seguenti schemi cercheremo di visualizzare funzioni e rapporti tra funzioni delle macchine finora analizzate nella loro forma più astratta. Eliminando le forme materiali, potremo ridefinire con più forza funzioni ed i loro rapporti senza avere limitazioni dovute a modelli mentali pregressi. Le funzioni essenziali del distillatore si possono raggruppare in due blocchi (osserviamo la distinzione tra il semicerchio inferiore e superiore) Gruppo di evaporazione: - Ricezione e trasformzione dell’energia luminosa in energia termica - Isolamento termico del sistema di evaporazione. - Contenere l’acqua sporca Gruppo di condensazione: -Isolamento termico del sistema di evaporazione -raccolta della conensa -bloccaggio dei raggi infrarossi -dispersione calore della condensa

Use the sun 2.indb 224

09/09/2008 23:35:12

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DISTILLATORE schema funzionale-essenziale

DISTILLATORE SOLARE dagli schizzi allo schema funzionale

ento i n f ra isolapmazio isolatorosso s condensa

vapore

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aria

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O 2

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H2O X rm rm t nt az e t o t ion a rgi ento erm e rad e n e iazione in ico am isol as po

Use the sun 2.indb 225

rta

zione

09/09/2008 23:35:24

L’essiccatore presenta 3 componenti o gruppi funzionali principali:

Camera di adeguamento del flusso: - riscaldare il flusso - conferire velocità il flusso

Camera di essiccazione: - proteggere il prodotto dalla radiazione solare - facilitare l’estrazione dell’umiditá attraverso il controllo del percorso del flusso e l’isolamento termico. Camera di tiraggio: - conferire velocità il flusso La camera di tiraggio non ha la necessità di riscaldare l’aria, questo può essere una delle maniere indirette per velocizzare il flusso. Il rapporto con l’uomo deve solo considerare le fasi di caricamento e scaricamento della machina.

Use the sun 2.indb 226

09/09/2008 23:35:24

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ESSICATORE: schema funzionale-essenziale

ESSICATORE SOLARE dagli schizzi allo schema funzionale

e ion z a i rad olare s

H2O

ico

ros i

to H 2O

e on

i m ter ino o t n isolame o lum

radiazione →

isol am

t isolamen

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ssi te rm ico

velocitá ra

Use the sun 2.indb 227

r nf

ss ro isolamento infra

en im assorb

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e arossi termico nf r oi t a rossi r f n i n →

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a ari e o t s res ien ing amb

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radiazione → i

ne zio a i rad olare s

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prodotto secco riempire

velocitá

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ita uscaria

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amento lumino isol lamento termic so

ssi e termico raro inf frarrosi o t → in

rad i

isola

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e ion z a i rad olare s

si ros ento infra

estrarre

09/09/2008 23:35:32

Lo schema funzionale-essenziale del forno prevede i seguenti soggetti: - Riflettore: aumenta l’area di captazione. - Isolamento: crea di un ambiente isolato. - Conversore termico: converte l’energia luminosa in termica. - Filtro di infrarrossi: crea effetto serra e alza la temperatura dell’ ambiente isolato. - Conduttore di calore: trasferisce calore al cibo. Poichè lo scopo del forno è “cucinare”, è necessario prevedere un ponte tra utente e macchina: - inserimento/estrazione del cibo - controllo cottura

Use the sun 2.indb 228

09/09/2008 23:35:32

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FORNO schema funzionale-essenziale

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FORNO SOLARE dagli schizzi allo schema funzionale

riflettore radiazione solare radiazione solare

infrarossi e term mento ico isola

radiazione solare riflessa

spazio isolato

zion vibra

e moleco le

radiazione → infrarossi isolamento termico

riempire

estrarre

con trollare

Use the sun 2.indb 229

09/09/2008 23:35:40

Use the sun 2.indb 230

09/09/2008 23:48:36

08 Ricerca CAPITOLO

sul campo

DISEGNO INDUSTRIALE

Use the sun 2.indb 231

09/09/2008 23:48:36

RICERCA SUL CAMPO

Buona parte delle nostre basi teoriche ci sono state fornite dal professor Finck. Grazie a lui siamo stati in grado di destreggiarci all’interno dei principi di funzionamento di forni ed essicatori. In conclusione aggiungiamo i resoconti delle esperienze vissute presso i più importanti luoghi di ricerca messicani.

08 Use the sun 2.indb 232

233 244

LEZIONI CON IL PROFESSOR FINCK

252 260

STATO ATTUALE DELLA RICERCA MESSICANA

SITUAZIONE ATTUALE DELL’ENERGIA SOLARE IN MESSICO TAVOLE ALLEGATE

09/09/2008 23:48:36

LEZIONI CON IL PROFESSOR FINCK CALCOLO D’EFFICIENZA DEI FORNI SOLARI

Per misurare l’efficienza di un forno e paragonarla ad altri modelli esistenti sul mercato si utilizza la potenza standard. La potenza standard è la potenza di un forno solare presumendo che disponga di un input solare di 700W/m2 . In questo modo è possibile effettuare un paragone tra forni installati in diverse regioni del mondo senza che i differenti valori di radiazione influiscano sul confronto. La prima cosa da realizzare sono i test relativi alle temperature del forno in funzionamento. Il forno dovrà scaldare una pentola contenente la quantità fissa di un litro d’acqua. E’ praticamente necessario avere a disposizione un sistema automatico di rilevazione della temperatura: aprire il forno vorrebbe dire compromettere il test. In queste prove abbiamo usato un vecchio sistema a termocoppia del prof. Finck. Il sistema di termocoppia, convertiva i dati rilevati in temperature e li conservava in un PC grazie ad un software appositamente compilato in BASIC. Perché le misurazioni fossero corrette, il sistema necessitava di un punto di riferimento che si trovasse a 0 C°. Per questo è stato necessario mantenere a 0 C° una bacinella d’acqua in cui versare del ghiaccio ogni 2-3 ore. La termocoppia, 08_RICERCA SUL CAMPO_ 233

Use the sun 2.indb 233

09/09/2008 23:48:37

ORA R[W/m2] R1 R2 R3 ...

h1 h2 h3 ...

TH2O[˚C] t a1 t a2 t a3 ...

Tamb[˚C]

Q = m · c · ∆t

m =1000gr

c = 4.18J/gr

Calcolo dell’efficienza di un forno solare. Raccolta dati.

t b1 t b2 t b3 ...

TH2O Tamb ∆t1 ∆t2 ∆t3 ...

PN = Q / Δt

Q[Joule] Q12 Q23 Q34 ...

PN[Watt] PN12 PN23 PN34 ...

PStd[Watt] PStd12 PStd23 PStd34 ...

PStd = PN · 700 W/m2 R

in questo modo, che aveva un polo nella bacinella d’acqua fredda e l’altro polo dentro al forno, genera una microtensione rilevata prima dal PC e poi convertita in gradi Celsius. Le misurazioni sono state effettuate ad una distanza di 8 minuti ciascuna (a causa della scarsa precisione della macchina non potevamo scegliere un valore ideale, come 5 o 10 minuti). Parallelamente alle misure di temperatura, è necessario utilizzare un rilevatore della quantità di radiazione disponibile negli istanti delle rilevazioni di temperature. Il nostro PC elaborava contemporaneamente i dati in arrivo da un piranometro posto sulla terrazza dell’università. Effettuato il test nell’arco di una giornata è possibile riportare i dati contenuti nella tabella riportata sopra. Qui inizia la fase di calcolo matematico della potenza standard per mezzo di formule. Per ricavare la quinta colonna, cioè la differenza di temperatura tra l’ambiente e l’acqua, dovremmo sottrarre il valore del primo a questo ultimo. Le due colonne successive, energia (Q) e potenza naturale (PN), ci serviranno solo come passaggi per arrivare al calcolo della Potenza Standard. L’energia (Q) si ottiene moltiplicando la differenza tra t1 e t2 (cioè quanto si è alzata la temperatura in ogni lasso di tempo misurato), per il calore specifico dell’acqua (c = 4.18 J/gr C°) e la massa di acqua (1000gr). La potenza naturale, invece, si calcola dividendo il risultato della potenza per i secondi del nostro lasso di tempo (di solito il lasso di tempo è sempre constante). Infine, per standardizzare il valore della potenza ottenuto, dobbiamo dividere il valore della potenza naturale di ogni lasso di tempo calcolato per la quantità di radiazione disponibile in quello stesso periodo e poi moltiplicarlo per la cifra accordata internazionalmente di 700 W/m2. Ottenuti tutti i dati manca solo metterli in un grafico (come quello riportato nella tavola “misurazioni sperimentali 1/3”), in cui sull’asse X siano disposti i dati della quinta colonna (differenze di temperatura tra ambiente e acqua) e sulle Y siano disposti i valori corrispondenti della Potenza Standard. Possiamo così tracciare la curva che disegna la tendenza dei punti della grafica, ma internazionalmente è utilizzato solo il range del grafico che va da ∆t = 40 C° e ∆t = 80 C°! La potenza standard dei forni prende in considerazione solo il lavoro fatto per elevare la temperatura dell’acqua dai 40 C° agli 80 C°.

234 _RICERCA SUL CAMPO_08

Use the sun 2.indb 234

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CALCOLO DELLE CURVE DI EssiccazIONE

L’acqua contenuta negli alimenti permette la proliferazione di microorganismi e lo sviluppo di reazioni chimiche che possono deteriorare l’alimento. L’attività dell’acqua è direttamente relazionata alla velocità di deterioramento è provocata da diversi fattori: -L’azione dei microorganismi, in special modo quella dei batteri, degli lieviti e della muffa. -Gli enzimi naturali degli elementi che fanno spontaneamente reazione con la presenza di ossigeno producendo melanina che genera colori scuri -I lipidi che si auto ossidano facendo così diventare il prodotto rancido in determinate condizioni di calore Al contrario invece, se la quantità dell’acqua è minore dello 0,6-0,7 % i microbi non posso svilupparsi ed il prodotto può solitamente conservarsi a lungo senza necessità di refrigerazione. Con additivi antimicrobici, variando il pH dell’alimento, aumentando il contenuto di sale e controllando la temperatura si può evitare lo stesso il deterioramento del prodotto anche ad alte temperature. Il deterioramento microbiologico può essere, poi, del tutto inibito mediante l’uso di altri additivi come il diossido di zolfo, solfati e altri derivati. In ogni caso l’utilizzo di additivi porta con sé effetti secondari quali la tossicità e la diminuzione delle caratteristiche nutritive. Un fattore molto importante è quello relativo alla temperatura del processo di essiccazione: se supera i 45-50 °C il prodotto possa risentirne in termini di qualità. In particolar modo possono avere luogo sulla superficie deformazioni e rotture dovute alla diminuzione della sua elasticità causata dall’eccessiva essiccazione troppo in un arco di tempo troppo ridotto. I pori della pelle si richiudono dopo aver lasciato evaporare l’umidità della massa, e si sgretolano per insufficienza di elasticità. Un prodotto essiccato in tale maniera, oltre ad avere problemi di conservazione, perde valore sul mercato. Per la conservazione degli alimenti una tra le migliori alternative è fin dall’antichità quella di seccarli o disidratarli. Per questo scopo si può ricorrere a vari metodi, uno dei più

pelle interno polpa

Il prodotto. Rischi con un’essiccazione a temperatura superiore ai 50°C

ingrandimento macroscopico della superficie della pelle

sulla pelle sono presenti i pori 08_RICERCA SUL CAMPO_ 235

Use the sun 2.indb 235

09/09/2008 23:48:37

essiccatore

1 Durante l’essiccazioni fuoriesce l’umiditá dai pori

3 Lentamente sul prodotto si crea una pellicola che ottura i pori

Il prodotto in essicazione. Interruzioni anche temporanee del flusso d’aria possono danneggiare il prodotto.

m- m s m

m- m s m s

Calcoli delle curve di essicazione. Massa secca e massa umida.

2 Durante le ore notturne e l’umiditá rimane intrappolata

4 Quando si riattiva facendo uscire l’umiditá contenuta

semplici è sicuramente quello di lasciare il prodotto all’aria aperta sotto l’azione di una corrente d’aria con buone condizioni di temperatura, umidità e costanza. Prima di intraprendere una attività legata all’essiccazione di grandi quantità di prodotti, è consigliabile cercare di conoscere un po’ più a fondo le loro caratteristiche ed i loro comportamenti relativi alla perdita di umidità. L’operazione fondamentale è, in questo caso, l’individuazione delle curve di essiccazione del prodotto che permettono di prevedere tempi di processazione e tipo di essiccazione a cui sottoporlo. Di particolare rilievo il calcolo della quantità di umidità contenuta e la quantità di umidità che deve perdere per giungere all’essiccazione ideale. Il contenuto di umidità in un prodotto si esprime in relazione alla sua massa totale oppure in relazione alla sua massa secca, ovvero la massa inerte che si ottiene togliendo la massa di acqua contenuta nel prodotto. Qui a fianco le formule espresse in termini matematici Il contenuto di umidità, direttamente proporzionale alla quantità di umidità contenuta nel prodotto, si esprime in percentuale. Per determinare empiricamente il contenuto di umidità di un prodotto si deve semplicemente misurare la sua massa totale, seccarlo e risolvere una delle semplici formule che tengono in conto della massa secca raggiunta. Seccare un prodotto significa fornirgli il calore per far evaporare l’acqua al suo interno. Questo calore è detto calore latente di evaporazione, ed è definito come l’energia necessaria per far evaporare 1 kg di acqua. Di solito dipende dalla temperatura a cui agiamo, e si aggira attorno ai 2272 kJ/kg (540 cal/gr). Se l’acqua non è libera, come nel caso degli alimenti da seccare, il calore latente di evaporazione richiesto è maggiore e la

236 _RICERCA SUL CAMPO_08

Use the sun 2.indb 236

09/09/2008 23:48:37

temperatura da raggiungere dipenderà dal contenuto di umidità Riassumiamo le operazioni necessarie a compilare una curva di seccato di un prodotto qualsiasi. Innanzitutto è necessario disporre di un dispositivo che possa simulare le condizione di essiccazione previste. Nel nostro caso abbiamo utilizzato una macchina costruita a questo scopo e costituita da una cassa di legno aperta su un solo lato da un’anta al cui interno sono collocati alcune lampade riscaldanti. La macchina è collegata ad un piccolo estrattore di aria. Tutto il processo deve seguire percorrere quelle che saranno le condizioni di lavoro reali: ci si procura alcuni campioni del prodotto da essiccare, lo si tratta e taglia come nella realtà e lo si pone nella macchina per dare inizio all’essiccazione. Durante il processo si seleziona una parte del prodotto che abbia caratteristiche medie rappresentative della sua totalità. Questa sarà la nostra “mostra”. In seguito si compila una tabella come questa: “m” è la massa inizale del campione selezionato, ovvero la massa totale. Dovremo misurare il suo peso ad intervalli regolari (quelli che compaiono nella prima colonna della tabella) e annotarlo nella seconda colonna della tabella. A fine processo otterremo il valore della sua massa in base secca.

1 2 3 4 ...

tempo

massa(gr)

0 15 30 45 ...

m1= 200 m2=190 m3=180 m4=175 ...

m- m m

s = massa secca

m- m m

s(n)

s x1= 1’86 x2= 1’71 x3= 1’57 x4= 1’5 ...

vvelocitá = essiccazione

Δx vsecado= Δt

Curva di essiccazione. Raccolta dati.

0’01 0’009 0’005 ...

Δx = Δt

x2 - x1 t2 - t1

La curva viene poi ottenuta basandosi sulla massa in base secca, per cui utilizzando la formula che deriva dalla sua stessa definizione ricaviamo i dati della terza colonna della tabella. Sottraiamo al valore della massa misurata in ogni momento il valore della massa in base secca. Dividiamo il risultato per il valore della massa in base secca, e otteniamo i valori di x (massa secca). Per ricavare i valori dell’ultima colonna, dividiamo i valori di x con gli intervalli di tempo tra una pesata e l’altra (valore che dovrebbe essere sempre uguale). Con i valori della massa sull‘asse delle y e quelli del tempo sull’asse delle x possiamo tracciare il primo dei seguenti grafici. Notiamo subito il valore costante alla fine della curva che rappresenta la massa in base secca: il momento in cui la massa smette di diminuire. Per comodità questo valore sarà posto sull’asse delle ascisse nel secondo grafico. 08_RICERCA SUL CAMPO_ 237

Use the sun 2.indb 237

09/09/2008 23:48:37

massa secca tempo

massa secca

massa

Tracciando un altro grafico con il valore della velocità sull’asse delle y otteniamo:

Essiccazione. Massa rispetto al tempo; Massa secca rispetto al tempo.

tempo

Essiccazione. Velocitá del processo rispetto al tempo.

velocitá essiccazione

Notiamo che la velocità con cui la mostra perde peso è praticamente costante all’inizio, per poi scendere drasticamente man mano che la massa si avvicina al valore della massa in base secca. Se riportassimo precisamente tutte le variazioni di peso della mostra notiamo che la curva avrebbe un andamento a zig zag dovuto all’irregolarità con cui l’acqua evapora dal corpo del prodotto.

incostanza curva per l-evaporazione

tempo Nel seguente grafico, che per una lettura in sequenza temporale dobbiamo leggere da destra verso sinistra, troviamo l’andamernto della velocità di essiccazione in relazione ai valori della massa critica. Possiamo identificare il lasso di tempo in cui la massa diminuisce costantemente alla stessa velocità: questa fase rappresenta il periodo di maggior efficienza dell’essiccatore in termini di quantità di acqua estratta dal prodotto e tempo/energia utilizzati.

238 _RICERCA SUL CAMPO_08

Use the sun 2.indb 238

09/09/2008 23:48:38

punti iniziali

pendenza imprevedibile

Essiccazione. Velocitá del processo rispetto alla massa secca.

zona ottima di lavoro x critica

Se vogliamo rappresentare l’energia che ci occorre per essiccare un prodotto qualsiasi durante tutto il processo di essiccazione possiamo ricorrere alla formula seguente.

cal energia ~ x gr energia ~ x

cal +W gr

Essiccazione. Energia necessaria per il processo relativa alla massa del prodotto.

fatto fino dove W= lavoro a quel momento

PRINCIPALI CATEGORIE DI EssiccatORI

Prima di prendere in considerazione le varie famiglie di essiccatori, ricordiamo quale sia la funzione a cui devono assolvere: eliminare l’acqua contenuta nei prodotti per evitare la proliferazione di microrganismi e le reazioni chimiche che li possono deteriorare. Tale processo si mette in pratica mediante l’esposizione del prodotto a un flusso d’aria costante con una certa temperatura e umidità, affinchè provochi l’evaporazione dell’acqua dal prodotto, che passerà, quindi, all’aria. Nel caso di un essiccatore solare la fonte di energia sfruttata è la radiazione del sole. Sarà la radiazione a scaldare l’aria che sarà utilizzata nel processo di essiccazione. Esistono essenzialmente due forme per riscaldare l’aria con l’energia solare: una indiretta e l’altra diretta. Essiccatore solare indiretto. Il prodotto da seccare è collocato in un ambiente isolato. Un collettore esposto di 08_RICERCA SUL CAMPO_ 239

Use the sun 2.indb 239

09/09/2008 23:48:38

Essiccatore solare. Tipologia indiretto. cabina essiccazione

collettore direzione entrata aria

radiazione scalda l’aria al suo interno e la veicola alla camera di essiccazione. L’aria così riscaldata viene introdotta nella camera dove incontra il prodotto da seccare. L’aria calda attraversa la camera di essiccazione e nel transito assorbe l’umidità dal prodotto per uscirne successivamente raffreddata e più umida. Maggiore sarà la velocità dell’aria, minore sarà il tempo di essiccazione. In questo tipo di processo l’aria è utilizzata come mezzo di trasmissione del calore. Essiccatore solare diretto. In questo caso non esiste un componente che riscaldi l’aria prima di passare alla camera di essiccazione. Il processo si compie tutto nella camera di essiccazione in cui vengono scaldati aria e prodotto. La camera di essiccazione presenta delle pareti trasparenti per permettere Essiccatore solare. Tipologia diretto.

direzione uscita aria

coperta trasparente

cabina essiccazione

direzione entrata aria

240 _RICERCA SUL CAMPO_08

Use the sun 2.indb 240

09/09/2008 23:48:38

il passaggio della radiazione solare che potrà aumentare la temperatura di aria e prodotto provocando l’evaporazione dell’umidità in esso contenuta. La camera dovrà prevedere delle aperture che permettano all’aria calda e umida di fuoriuscire nell’ambiente esterno. In questo caso il trasferimento di calore avviene per trasformazione diretta della radiazione all’interno della camera di essiccazione. Riscaldamento combinato. I due concetti base appena espressi si integrano in un terzo tipo di apparato detto “radiativoconvettivo” che utilizza nel medesimo sistema convezione e e radiazione. La parte più importante del processo viene svolta

Essiccatore solare. A riscaldamento combinato.

direzione uscita aria

ripiani essiccazione camera collettore

direzione entrata aria

per convezione, ma parte dell’apporto diretto di energia viene fornito al prodotto al prodotto per irraggiamento (sotto forma di radiazione infrarossa-termica trattenuta dal telo e dalle pareti). Gli essiccatori di questa famiglia sono di grandi dimensioni e sono costituiti da un telone da serra disposto su un’intelaiatura in modo da creare un ambiente isolato. In questo caso l’aria circola all’interno di questa grande camera di essiccazione al fine di eliminare, come sempre, l’umidità dal prodotto. Questo avviene grazie all’incremento di temperatura dell’aria provocato dalla radiazione solare nella camera-collettore. A questo punto la circolazione dell’aria all’interno di questo essiccatore può avvenire in diversi metodi. Circolazione forzata. L’aria è movimentata dall’azione di un ventilatore alimentato da energia meccanica o elettrica. La circolazione forzata facilita la progettazione dell’essiccatore e permette un miglior controllo del processo di essiccazione. E’ quindi facile ottenere velocità di circolazione dell’aria tra lo 0,5 e 1 m/s; gli unici problemi possono derivare dalle grandi dimensioni dell’essiccatore. La circolazione forzata ha anche un altro grande vantaggio: permette il protrarsi del processo di essiccazione per 08_RICERCA SUL CAMPO_ 241

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tutte le 24 ore della giornata, aspetto molto importante nelle le prime tappe dell’essiccazione. Circolazione per convezione naturale. L’aria si muove grazie alla differenza di temperatura esistente nelle diverse aree dell’essiccatore e non sono quindi necessari ulteriori apporti di energia. L’uso di camini con superficie nera costituisce un caso particolare di convezione naturale: l’aria viene scaldata, si espande e tende a salire creando una depressione che da inizio ad un circolo di aria. Questo metodo permette il funzionamento dell’essiccatore in zone in cui non sia disponibile energia elettrica (o in cui non si intenda, giustamente, utilizzarla), come nelle vicinanze dei campi agricoli. In essiccatori di dimensione piccola e media l’aria può raggiungere velocità comprese tra gli 0,4 e 1 m/s; in ambienti troppo grandi la velocità rimane tra i 0,1 e 0,3 m/s. Circolazione per azione del vento. il movimento dell’aria è prodotto dalla semplice circolazione del vento presente sul luogo dell’essiccazione: In alcuni casi il vento agisce in maniera indiretta, muovendo un ventilatore che produce la circolazione del flusso d’aria all’interno dell’essiccatore. Ovviamente questo tipo di circolazione è limitato alle zone con buona disponibilità di vento: perché il vento sia utilizzabile deve avere una velocità costante di almeno 1 - 2 m/s durante buona parte della giornata. Nel progetto di un essiccatore è anche necessario tenere in conto di come il processo di essiccazione possa essere organizzato. Essiccazione per lotti. Il prodotto viene introdotto nell’essiccatore con un solo carico e non viene ritirato fino alla completa essiccazione. In questo caso tutto il prodotto nell’essiccatore passa dallo stato umido allo stato secco. Questo processo permette una gestione più agevole del caricamento del prodotto. Essiccazione continua. Il prodotto viene progressivamente caricato e scaricato per piccoli lotti: all’interno dell’essiccatore si possono trovare lotti di prodotto ancora umido e altre già essiccate, che verranno sostituite a ciclo continuo con lotti freschi. L’intervallo di tempo tra un caricamento e l’altro varia in relazione alle dimensioni ed al tipo di essiccatore; può avvenire una volta al giorno o con maggiore frequenza. L’essiccazione continua sfrutta in maniera più uniforme la radiazione solare e per questo la sua efficienza è potenzialmente maggiore. Questo metodo è spesso utilizzato per essiccatori di grandi dimensioni Anche per gli essiccatori è possibile ricavare un parametro che ne descriva indicativamente l’efficienza. La capacità di produzione si definisce in relazione al peso del prodotto fresco che viene introdotto al processo rapportato al periodo di essiccazione. Nel caso di essiccatori che lavorano per lotti si considera il carico medio giornaliero espresso in Kg.

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di prodotto fresco che si deve dividere per il numero di giorni impiegati dal processo. Ciascun tipo di essiccatore solare risulta più o meno efficiente in relazione alla sua capacità di produzione, per questo è importante tenere sempre ben presente questo parametro. E’ preferibile avere una corrispondenza tra la capacità di produzione e la quantità di prodotto da sottoporre al processo. Tipi di essiccatori Essiccazione naturale al suolo Essiccatore a piani impilati Essiccatore ad armadio Essiccatore semplice con tettoia Essiccatore indiretto o misto tipo cabina Essiccatore indiretto con silos Essiccatore tipo serra con ricircolo naturale Essiccatore tipo serra con ricircolo forzato Essiccatore indiretto con ricircolo forzato Essiccatore diretto con ricircolo naturale o forzato

Essiccazione. Di tipo naturale a suolo effettuata in questo caso in cucina

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Situazione attuale dell’energia solare in Messico Saranno qui prese in considerazione organizzazioni pubbliche e private operanti in Messico che portano avanti la ricerca e le applicazioni tecnologiche pratiche nel campo solare termico. Dobbiamo tenere in conto che la maggior parte della ricerca si sviluppa nelle università di Città del Messico e dintorni. Le applicazioni sul campo sono invece effettuate nelle zone rurali, e sono messe in moto grazie delle diverse organizzazioni private e pubbliche che operano con l’intenzione di dare un aiuto alle estreme situazioni di vita della campagna messicana.

Università pubbliche: CINVESTAV Si tratta del centro di ricerca e studi avanzati del “Instituto Politecnico Nacional” (IPN) in cui si svolge anche la parte di ricerca sul solare, concentrazione termica e fotovoltaico. Yasuhiro Matsumoto è il responsabile del campo di ricerca delle nuove celle fotovoltaiche, e attualmente, sta portando avanti dei progetti riguardanti i semiconduttori organici. J. Antonio Urbano Castelán è, invece, il responsabile della ricerca sui concentratori solari per utilizzo termico. L’ingegnere Urbano ha iniziato il suo percorso di ricerca dal concetto di affidabilità della macchina solare. Ci spiega che era stato colpito dal fatto che in un noto libro sul settore solare, “Alternativas energéticas” (di A. Alonso e L. Rodríguez) si affermava che era impossibile progettare un forno che fosse affidabile in termini di prestazioni nell’arco dell’anno. La sua ricerca è stata iniziata nel 1998, lavorando con l’aiuto di vari tesisti, e collaborando con Matsumoto. Le soluzioni proposte da Urbano si ispirano al modello delle grandi centrali di energia termica solare costruiti durante la crisi petrolifera del’73 (ci mostra nel suo ufficio il ritaglio di un giornale dove compariva una centrale di Almeria, Spagna). Tutta la sua filosofia di lavoro è stata concentrata nel riuscire a cucinare per il maggior numero di giorni possibile durante l’anno e con le temperature più alte possibile. Il prototipo funzionante della sua macchina assomiglia, infatti, ad una piccola centrale solare termica (costituita da 360 specchi di 10cm2). In condizioni ideali la macchina arriva a temperature di 250 C° nella zona più calda e, in Messico, è in grado di cucinare 300 all’anno. Questo modello di forno solare è stato ideato per le comunità indigene nelle zone più isolante non raggiunte dall’energia elettrica, ed è provvisto di un sistema automatico di orientamento alimentato da due piccoli pannelli fotovoltaici per garantire sempre la massima efficienza. Il forno è stato pensato per un utilizzo da parte di più

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nuclei familiari: la sua inerzia termica gli permette di continuare a scaldare anche duranti lunghi annuvolamenti, ed è studiato per raggiungere 4 turni di cottura giornalieri, ognuno per 16 persone. Allo stesso tempo, grazie alle alte temperature raggiunte nella pentola a pressione che raggiunge agilmente i 120 C°, si possono fare realizzare i tipici piatti della cultura messicana come frijoles (fagioli) e tamales. Inoltre, sostituendo la pentola a pressione con una piastra è possibile fare le tortillas, alimento base delle famiglie nella zona rurale messicana. Il forno di Urbano è anche un sicuro strumento per sterilizzare gli attrezzi medici usati nelle comunità. Proseguendo con la ricerca, notando i problemi relativi all’esposizione al sole dell’utente durante le ore di cottura e pensando a soluzioni con ciò l’utente potesse cucinare nelle ore di assenza del sole, Antonio Urbano Castelán nel 2002 ha ideato un secondo modello di forno solare a riscaldamento indiretto. Questo modello permette di immagazzinare un metro cubico di olio a 400C°, il quale può dare all’utente una autonomia massima di cottura di sette giorni. L’olio caldo è fatto circolare forzatamente in una serpentina sul piano di cottura grazie all’ausilio di una pompa. Il prossimo passo sarà quello di installare un prototipo funzionale nelle isole penitenziarie “Islas Maria” per provare la sua efficienza e vedere come gli utenti si adeguino alle esigenze d’uso. Urbano ci mostra soddisfatto il suo vecchio libro, consapevole di aver trovato una via alternativa alle previsioni di sviluppo dei forni solari in esso presentate. Ora il suo lavoro è migliorare tecnicamente i sui forni, i sistemi di orientamento automatici, i rendimenti, ed a portare a termine il suo forno a riscaldamento indiretto. Possiamo vedere un suo video online: www.youtube.com/ watch?v=A57AwtUeRTM PEUACM Eduardo Rincón Mejía è il principale responsabile del programma di sviluppo di energie rinnovabili della UACM che si occupa principalmente del campo solare termico. Il lungo acronimo sta per Programa de Energia de la Universidad Autonoma de la Ciudad de México. Membro dell’ISES (International Solar Energy Society), Mejía ha legato la sua filosofia energetica ai suoi studi di Ingegneria Meccanica. Il contributo più interessante del suo percorso di ricerca è stato il concentratore solare multicomposto, che è stato applicato allo sviluppo di un forno solare ed una piastra solare. L’obiettivo di questo forno è quello di trovare una via di applicabilità nella realtà messicana. Seguendo questa, hanno realizzato un prodotto dal costo di produzione inferiore del forno di Cinvestav. La macchina è progettata per una singola famiglia, ed è in grado di funzionare anche nelle giornate in cui il sole non sia particolarmente intenso: ci spiegano che è sufficiente che gli oggetti proiettino un’ombra diffusa. Chiaramente il forno non è pensato per funzionare tutti giorni dell’anno. Gli sforzi progettuali di Rincón sono stati tesi ad ottenere la massima concentrazione della radiazione e, allo stesso tempo, minimizzare gli interventi di riorientamento della macchina grazie 08_RICERCA SUL CAMPO_ 245

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alla sua grande apertura angolare. Per ottimizzare le curve del forno sono stati utilizzati programmi informatici a due dimensioni, e, attraverso la sovrapposizione di due sezioni ottimizzate perpendicolari, è riuscito a crea un forno ottimizzato in tre dimensioni. Le due versioni della macchina sviluppate, hanno l’obiettivo di avvicinarsi alla cultura della cucina messicana. La prima (la radiazione è concentrata su un contenitore nero cilindrico in grado di accumulare pressione più elevata di quella ambiente) si focalizza nella cottura di verdure, carne, caffè. L’utilizzo principale è soprattutto quello della cottura dei fagioli. Il secondo modello chiamato “comal”, concentra la radiazione solare su una piastra nera per cuocere le tortillas e friggere uova o carne. Contemporaneamente Rincón sta eseguendo ricerche sull’essisecazione di prodotti agricoli per la loro conservazione, sviluppando diversi prototipi. In questo periodo sta portando avanti un modello multi-funzionale che si trova ancora in cartaceo. L’idea di base, ci spiega, è quella di analizzare i diversi bisogni energetici di una famiglia, ed agire con la stessa macchina sul riscaldamento del ambiente, essiccazione dei prodotti e cucina. Rincón, non solo dedica alla sola ricerca, ma allo stesso tempo organizza ogni settimanalmente conferenze con esperti nel settore energetico (noi abbiamo assistito alla conferenza di Amerigo Salvivar, sullo sviluppo energetico sostenibile, da non confondere con la crescita energetica sostenibile). Ogni Giovedì organizza un pranzo solare insieme ad altri professori dell’università e l’Ingegnere Alvaro Lentz (ricercatore del settore solare) che assume il ruolo di cuoco. Se passaste per Città del Messico e volesse partecipare l’indirizzo è il seguente: San Lorenzo 290, Col. del Valle, México 03100 D.F. CIE-UNAM A Temixco visitiamo il “Centro de Investigación de Energía”, centro di ricerca nato nel 1996 da quello che precedentemente era il laboratorio d’energia solare de la “Universidad Nacional Autonoma de México”. La ragione per cui il centro non sia stato costruito in Città del Messico è stata la ricerca di un clima ancor più ottimale (la zona di Temixco è conosciuta come “i luoghi dell’eterna primavera”). Quest’anno il centro ha inaugurato i primi corsi di Laurea Specialistica completamente auto-organizzati, dato che, fino ad ora, l’offerta accademica si restringeva a corsi di breve durata ed a progetti di dottorato. Al suo interno si è lavorato sui più differenti progetti legati al solare: refrigerazione attraverso l’ammoniaca come vettore energetico, creazione d’idrogeno attraverso la concentrazione e ossidazione di metalli, forni solari, essiccatori solari ad aria e ad acqua, ottimizzazione di motori ad input solare, sviluppo e soluzioni applicative di celle fotovoltaiche. Il corso annuale più frequentato (a cui abbiamo partecipato anche noi), è un corso di aggiornamento sulle applicazioni tecnologiche di solare e fotovoltaico indirizzato prevalentemente alla formazione di tecnici, installatori e rivenditori operanti all’interno del mercato Messicano . Le due figure più importanti

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del corpo docenti del corso sono Isaach Pilatowsky, esperto nel campo dell’essizazione e della rfrigerazione solare,e Aaron Sanchez, esperto e ricercatore nel campo fotovoltaico. In particolare, decidiamo di approfondire la conoscenza con Pilatowsky che ci mostra due dei progetti di relativo all’essiccazione solare che sta seguendo personalmente. Il primo è un progetto di laboratorio il cui obiettivo era ricavare le curve di essiccazione del Nopal. Il Nopal è una pianta estremamente diffusa in Messico praticamente identica a quelle che noi chiamiamo fico d’inda. Le foglie di Nopal sono parte importante dell’alimentazione messicana e, data la grande produzione di queste foglie, l’idea portante del progetto era quella di poterle seccare, polverizzare ed utilizzarle come integratore alimentare. Il secondo progetto mostratoci da Pilatowsky era una grande essiccatore per riso da lui progettato, costruito ed installato nel centro di Temixco. L’essiccatore crea un flusso d’aria attraverso l’ausilio di un piccolo motore alimentato con un pannello fotovoltaico di piccole dimensioni, mentre l’aria è scaldata di giorno dalla radiazione solare incidente e di notte dall’acqua scaldata durante le diurne da un sistema di pannelli solari ad acqua del tutto simili a quelli installati nelle case. Obiettivo principale del progetto era quello di garantire un flusso continuo di aria calda durante le 24 ore. L’aspetto secondo noi più problematico (ma non proibitivo) del sistema era la sua notevole complessità. CIECO-UNAM La CIEco (Centro de Investigaciones en Ecosistemas), è un organismo che collabora con i centri di ricerca universitari curando le pratiche di interconnessioni disciplinari e l’integrazione di progetti ed ecosistemi. Lo scopo dell’organizzazione è proprio quello di garantire lo sviluppo di progetti che assicurino il mantenimento degli equilibri tra ecosistemi. Nell’abito rurale hanno anche realizzato diverse proposte tecniche per rallentare crescente deforestazione delle zone naturali e assicurare, contemporaneamente, una qualità degna ai abitanti del luogo. Tra le proposte più note ed interessanti figurano le 2 stufe ecologiche Lorena e Patsari. Le stufe sono realizzate con materiali locali, e tecniche di costruzione molto semplici. La progettazione delle stufe si è concentrata sull’ottimizzazione della combustione della legna e, in comparazione a una stufa convenzionale, le stufe ecologiche arrivano a consumare il 60% in meno di legname da fuoco e produrre l’80% in meno di fumi. Il gran vantaggio di questo prodotto è che possono trovare applicazioni immediate sul campo, dato che il 90% della campagna messicana è già abituata ad utilizzare forni a legna, e questi nuovi tipi di stufa possono essere facilmente prodotti dalla stessa famiglia li userà. Omar Masera Cerutti, il responsabile principale dello sviluppo del progetto Patsari, sottolinea con orgoglio come gli stessi abitanti delle comunità rurali collaborazione si siano offerti e si siano impegnati per collaborare ai lavori di progetto e miglioramento della stufa. Il prossimo passo potrebbe essere quello di integrare risorse rinnovabili a questi progetti, cercando soluzioni che possano adeguarsi alla cultura della gente. È una scommessa verso a un 08_RICERCA SUL CAMPO_ 247

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graduale cambiamento radicale. UNAM La Universidad Nacional Autonoma de México è la più grande università delo stato e una della più importanti di tutto il latinomerica. Porta avanti numerosi progetti paralleli relativi all’energia solare dalla sua sede principale di Città del Messico, ma le attività maggiori sono state spostate nei due distaccamenti dell’università operanti proprio in questo settore a Morelia ed in Temixco (CIE e CIEco). Uno dei più importanti lavori realizzati all’interno della sede centrale è stata quella della creazione del Sofware RADII, per effettuare il calcolo della radiazione solare in Messico che, soffre, però, del problema che non tiene in conto del parametro dell’altezza geografica, dato di una certa importanza per uno stato la cui capitale sta 2100 metri sul livello del mare!.

Università Private: UIA Il professor Adolfo Finck è il nostro principale punto di riferimento al interno dell’università Universidad Iberoamericana. Segretario dell’organizzazione ANES, ha realizzato diversi progetti relativi all’applicazione della tecnologia solare diretta nel campo della cucina e dell’essiccazione. Le sue esperienza più importanti interessavano l’installazione di essiccatori solari di numerosi prodotti: dal caffè ai peperoni tipici della dieta messicana. Il punto di maggiore criticità è sempre l’applicare delle conoscenze tecniche sul luogo di realizzazione. Grazie allo svolgimento di un servizio sociale obbligatorio, gli studenti sono obbligati a realizzare un minimo di 150 ore di lavoro di volontariato a favore dello stato e, solitamente, delle zone più necessitate. Questo è un periodo in cui ogni studente ha la possibilità di portare sul luogo le sue conoscenze e capire in che modo possano effettivamente trovare uno sbocco applicativo o, addirittura, favorire la qualità di vita della gente. Tra questi progetti vi sono anche progetti che hanno riguardano l’uso di tecnologie solari. Anche qui notiamo come il pericolo maggiore è che il singolo studente possa non avere gli strumenti necessari per svolgere qualcosa di veramente strutturato e che, quindi, i progetti non trovino mai applicazioni concrete. TEC DE MONTERREY Dopo l’embargo degli Stati Uniti nei confronti dell’Arabia Saudita nell’anno 1973, il Tec de Monterrey, come molte altre università, iniziò a finanziare investigazioni sul campo del settore solare, iniziando le ricerche dai sistemi di riscaldamento di acqua sanitaria. Le ricerche degli anni successivi sono stati rivolti, ad esempio, alla costruzione di una casa energeticamente autosufficiente che fu costruita dalla OEA (Organización de los Estados Americanos) al interno del campus. Nell’ambito di questo

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interessante progetto, sono stati sviluppati sistemi solari di aria condizionata, sistemi di estrazione di acqua dal sottosuolo e processi di riscaldamento passivo. Successivamente, il lavoro di indagine ha anche coperto i temi dell’energia fotovoltaica applicandola sempre al riscaldamento di acqua sanitaria.

Associazioni Private: GREENPEACE Il principale obiettivo dell’associazione nel territorio messicano è sensibilizzare i cittadini dei pericoli della crisi ecologica e della crisi energetica. Durante una visita alla loro sede di Città del Messico ci spiegano che gran parte dei loro sforzi e investimenti sono concentrati sulla comunicazione attraverso i media o attraverso azioni dirette quali meeting o happening. Molto rare le azioni di protesta o l’organizzazione di manifestazioni: probabilmente verrebbero ignorate sia dall’informazione che dall’opinione pubblica. Grazie a loro siamo riusciti ad avere numerosi contatti di università, dato che l’organizzazione è spesso in dialogo con i responsabili del settore di energie rinnovabili. WWF Durante la visita alla sede del WWF (World Wild Fundation) in Città del Messico nella zona della Condesa, ci viene spiegato che la loro principale attività riguarda gli studi sul campo dell’impatto sull’uso non adeguato delle risorse energetiche nelle zone rurali. Uno degli aspetti più interessanti è quello legato all’analisi degli effetti che hanno le attività di cucina sia sulla natura che sugli abitanti stessi del posto. Numerose zone boscose stanno progressivamente riducendosi proprio per la necessità delle popolazioni di combustibile per cucinare. Al fine di misurare la deforestazione causata dal massivo consumo di legna, realizzano l’analisi constante delle zone di cui si occupano tramite fotografie aeree e satellitari. Invece, per misurare le emissioni delle stufe realizzano analisi constanti sulla salute della gente del luogo. Come zona di monitoraggio e studio hanno scelto una riserva chiamata “Mariposa Monarca”, una zona ad alto interesse naturalistico in cui da sempre vivono numerose comunità con storie e culture estremamente diversificate.

Associazioni Pubbliche: ANES L’ANES (Asociación Nacional de Energia Solar) è un’associazione civile senza scopo di lucro, il cui obiettivo e garantire uno strumento per la diffusione di idee, comparazione di progetti o scambio di risultati nel campo delle energie rinnovabili (nonostante l’interesse principale verta sui progetti nel settore solare, lavorano contemporaneamente su progetti di energia 08_RICERCA SUL CAMPO_ 249

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eolica, biomassa, idraulica). Tra le attività più importanti vi è senza dubbio l’organizzazione della settimana “Semana Nacional de Energía Solar”, dove università, privati, aziende e organizzazioni possono liberamente partecipare scambiandosi idee ed esperienze relative ai progetti che hanno sviluppato durante l’anno e partecipare alle numerose conferenze tenute dai più importanti esperti del settore latinoamericani. La settimana solare del 2008 avrà luogo in Mérida (Yucantan), e sarà la numero 32. Alla fine del congresso viene annualmente realizzato un report, dove sono i raccolti in un libro (da quest’anno verrà realizzato solo in versione digitale su CD) progetti, conferenze e attività organizzate nella settimana solare a testimoniare lo sviluppo della tecnologia solare in Messico. La presidenza dell’associazione è costituita da numerosi professori e ricercatori (Isaac Pilatowsky ha ricoperto questo ruolo dal 1986 al 1988 e Eduardo Rincón dal 2002 al 2004). I rappresentanti messicani dell’ISES fanno allo stesso tempo parte dell’ANES. CONAE La Comisión Nacional de Ahorro de Energía è un organo amministrativo indipendente della segretaria di Energia dello stato, conta di autonomia tecnica ed operativa. Il suo principale obiettivo è agire come organo di consulenza pubblica alle diverse entità dell’amministrazione pubblica, municipi o privati per progetti legati al risparmio e all’uso efficiente dell’energia. Il suo scopo principale è quello di promuovere un uso sostenibile delle risorse energetiche. Operativamente si occupa anche della creazione di normative e proposte legislative da proporre al governo per garantire una l’efficienza energetica nei processi di produzione industriale. FMCN Con lo scopo di preservare fauna e flora messicana, il Fondo Mexicano para la Consevación de la Naturaleza da 10 anni si occupa della difesa delle risorse naturali ed energetiche dei diversi stati messicani. Facendo uso dei fondi internazionali riservati ai paesi in via di sviluppo, sta lavorando alla realizzazione di sei diversi programmi come l’introduzione di forni solari all’interno delle comunità indigene sia per ovviare ai diffusi problemi di salute (mediante un processo di cottura più pulita e con zero emissioni di combustione) sia alla conservazione delle foreste pluviali (evitando la deforestazione). Principalmente,i progetti hanno però avuto un rapporto più diretto all’ambiente stesso, come la difesa di specie vegetali protetti o animali in pericolo di estinzione. GIRA Obiettivo principale di GIRA (Grupo interdisciplinario de tecnologia rural apropiada) è quella di creare un gruppo interdisciplinare di lavoro per poter applicare le tecnologie per l’utilizzo di fonti rinnovabili nelle zone rurali messicani. Sono il ponte tra la campagna e le istituzioni accademiche (come la UNAM) per

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l’introduzione e l’affinamento dei progetti in fase di applicazione reale. In questo modo, ingegneri, sociologi, economisti, possono collaborare per ottimizzare lo step applicativo dei programmi di ricerca delle università. La sua collaborazione al progetto della stufa Patsari, ha aiutato contribuito notevolmente alla sua diffusione e utilizzo sul territorio.

Aziende Private: ALTERNATIVAS La cooperativa “Alternativas”, organizzata al suo interno in altre diverse sotto-cooperative, gestisce lo sviluppo agrario (cooperativa Quali) e la risorsa idrica (cooperativa “Agua para Siempre”) della zona agricola di Tehuacan. La prima cooperativa nasce nel 1980, con l’intenzione di migliorare la situazione economica della gente della campagna circostante attraverso prestiti mirati per lo sviluppo di aziende agricole. I fondatori sono stati Raúl Hernández Garciadiego, e Gisela Herrerías Guerra. Dopo aver constato i gravi problemi problemi di approvvigionamento di acqua, anno deciso di provare a puntare su progetti di rigenerazione delle falde acquifere delle valli. Realizzando e finanziando progetti di razionalizzazione del sistema di approvvigionamento e conservazione dell’acqua quali canali, zone di raccolta, pozzi orizzontali, sono arrivati a ricostituire l’intero ciclo dell’acqua piovana in 32 valli della zona. Una volta raggiunti i livelli necessari di acqua per coltivare, hanno aggiunto alle loro attività l’introduzione e l’ottimizzazione della coltura dell’amaranto, cereale di ottime qualità alimentarie. Alternativas ha ricevuto numerosi riconoscimenti, tra cui il Premio Slow Food per la difesa della biodiversità nel 2002. L’ultimo riconoscimento (2008) è di carattere nazionale come premio agroalimentare. Alternativas sta ora anche facendo proposte di applicazioni sul campo dei forni, essiccatori e distillatori di acqua ad input solare. Fino adesso il progetto piú importante è stato portato avanti con la collaborazione del “Fondo Mexicano para la Consevacion de la Naturaleza”, lanciando una campagna per introdurre 1000 forni solari (il modello commercializzato è la HotPot, della “Solar Household Energy, Inc.”) nelle famiglie rurali. Questo progetto, anche se iniziato con successo, è stato fortemente rallentato da altre campagne del governo tese ad introdurre gratuitamente altri modelli di forni solari (concentratori diretti parabolici) sul territorio contadino. Rispetto alle applicazioni future di macchine solari, stanno valutando la possibilità di essiccare le foglie dell’amaranto, un potenziale innesto economico per i contadini del luogo. Questo progetto si trova, però, ad affrontare due difficoltà: la possibilità di integrare nel mercato globale un prodotto poco conosciuto dagli acquirenti clienti, e le difficoltà tecniche relative all’essiccazione solare di grandi quantità di foglie di amaranto.

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stato attuale della ricerca messicana CONCENTRATORE SOLARE MULTICOMPOSTO, DI EDUARDO RINCÓN MEJÍA

Forno solare modello Rincón. Concentratore multicomposto.

Tra i forni che abbiamo avuto l’opportunità di studiare e di vedere in funzione, quello studiato dal ricercatore della UACM Eduardo Rincón Mejía, ci ha estremamente interessato in termini di efficienza, soluzioni progettuali e producibilità. Il forno è un ibrido tra un forno a cassa ed un concentratore parabolico piano. Come illustrato nelle tavole, la radiazione investe il forno ed i riflettori esterni laterali della macchina che la convogliano all’interno del suo volume interno attraverso la superficie in vetro. Il riflettore interno lineare a sezione parabolica riflette la radiazione in ingresso sul cilindro nero di acciaio sospeso trasversalmente nel forno al di sotto del vetro. La radiazione può, così, convertirsi in energia termica e passare all’interno del corpo nero cilindrico dove è collocato un recipiente, anch’esso di forma cilindrica, per il contenimento e la cottura del cibo. Il recipiente ha diametro e lunghezza adatti a calzare perfettamente nella cavità interna del corpo nero in cui resterà sigillata per mezzo di un piccolo sportello ermetico circolare. La macchina è orientabile nella direzione avente asse nel corpo nero cilindrico: in questo modo il cibo non subisce gli effetti della rotazione. Le curve dei riflettori ed il diametro del corpo nero cilindrico sono stati calcolati matematicamente in base alla velocità di spostamento del sole. In questo modo il forno può funzionare senza essere riorientato durante almeno un arco di spostamento dell’angolo d’incidenza della radiazione di 30°. In

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questo lasso di tempo, che corrisponde ad un minimo di 2 o 3 ore, la macchina soffre di un abbassamento di efficienza minore del 20%. Operazioni di orientamento così rade possono quindi essere compiute nei momenti in cui si controlla lo stato di cottura del cibo. Il forno di Rincòn si distingue anche per altri accorgimenti progettuali. Il problema di isolamento del corpo nero cilindrico è risolto intelligentemente sospendendolo all’interno del volume d’aria sigillato dal vetro. L’aria ferma è un ottimo isolante, ed il vetro garantisce un costante effetto serra che minimizza la dispersione termica del corpo nero. Forno solare modello Rincón. Cristallo superiore con comal.

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Anche le soluzioni adottate per l’accessibilità al cibo sono molto interessanti: Il contenitore del cibo entra ed esce per scorrimento dal corpo nero, riducendo al minimo le perdite di calore dovute alle aperture dello sportello che è situato proprio all’estremità del cilindro accumulatore di calore. Lo spessore del cilindro del corpo nero è di circa 1 cm per garantire alla macchina una buona inerzia termica in caso di radiazione discontinua dovuta al passaggio di nuvole. Gli stessi riflettori sono anche stati utilizzati come base per il progetto del “comal” che, in luogo del cilindro, utilizzano una piastra nera che assorba radiazione e, allo stessa tempo, possa scaldarsi e cuocere. La costruzione di queste macchine è relativamente semplice. I riflettori interni sono costituiti da lamiere di acciaio riflettente montate su due binari di legno sagomati con la curva voluta. Il vetro è un semplice rettangolo, ed i 2 cilindri di acciaio Forno solare modello Rincón. Apertura vano cibo.

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dell’assorbitore di radiazione e del recipiente del cibo sono ricavabili dalla semplice lavorazione di prefabbricati del giusto diametro. La manutenzione del forno è praticamente ridotta a zero.

CONCENTRATORE SOLARE, DI ANTONIO URBANO

L’obiettivo di partenza progettuale di questo forno concentratore è stato la continuità di utilizzo. Tutta la macchina è stata concepita per poter funzionare il maggior numero di giorni all’anno possibile, anche in condizione di scarsa radiazione solare. Lo spunto di progetto è arrivato dalle grandi centrali solari costruite negli anni settanta dopo la crisi petrolifera del 1973. L’intero sistema di riflettori del concentratore ne ricalca le dinamiche ottiche. Circa 300 specchi delle dimensioni di 10cm x Forno solare modello Urbano. Fuoco.

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Lâ&#x20AC;&#x2122;Ingegner Urbano e il suo forno solare

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DISTILLATORE - 050

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10cm sono fissati su un telaio delle dimensioni di circa 3m x 3m. Tutti i piccoli specchi sono orientati in maniera che la luce solare che li investe sia convogliata su un unico fuoco. Il fuoco si muoverà a seconda dell’orientazione del teleio su cui sono montati: per questo motivo, l’intero telaio è controllato da un sistema automatico di orientamento alimentato ad energia fotovoltaica. Il flusso elettrico dei pannelli fotovoltaici viene accumulato da un condensatore che, immagazzinata la potenza necessaria a muovere un motore elettrico, corregge l’angolo di orientazione della macchina in modo che la radiazione sia costantemente concentrata su un grade recipiente fissato al telaio di fronte al sistema di specchi. Il ricettore della radiazione è un recipiente isolato su tutti i lati tranne che su di incidenza della radiazione concentrata. Al suo interno vi è un volume adatto ad ospitare la pentola a pressione che conterrà il cibo da cuocere. Considerata la grande area di captazione della radiazione, l’energia accumulata è veramente grande: consente alla pentola a pressione di funzionare a pieno regime per quattro cicli di cottura giornalieri e di raggiungere buone temperature di esercizio anche durante giorni di radiazione variabile. Il movimento di inseguimento del sole è calcolato da 2 sensori posti sul telaio che, rilevando l’angolo di incidenza della radiazione, mandano ad un processore i valori delle quantità di spostamento necessarie alla giusta orientazione della struttura. I motori che la macchina utilizza sono gli stessi dei tergicristalli della automobili: facilmente reperibili anche sul mercato dell’usato, e sostituibili in caso di rottura. Allo stesso modo, la scelta di utilizzare piccoli specchi di 10cm x 10cm, complica la costruzione della macchina, ma rende estremamente agevoli le operazioni di sostituzione, reperimento e taglio del vetro che può anche essere preso dai piccoli scarti dei vetrai. La grande efficienza della macchina è, però, raggiunta a scapito di due importanti aspetti progettuali: la solidità del sistema ed il suo costo di produzione e installazione, che si aggira sui 2.300 . Se quello del costo è un aspetto superabile attraverso prestiti, sovvenzioni statali o divisione delle spese tra più famiglie, quella della delicatezza della macchina è un aspetto più preoccupante. Il forno è un sistema costituito dalla relazione di 2 pannelli fotovoltaici, un condensatore, 2 sensori fotosensibili, un processore, 2 motori elettrici e le cinghie di gomme per il trasferimento del movimento. Il guasto di uno solo di questi elementi significherebbe la totale impossibilità di utilizzare il forno concentratore. Se anche solo uno dei componenti dovesse iniziare a lavorare con tolleranze maggiori di quelle previste (pensiamo ad una guaina usurata o un fotosensore starato), il forno sarebbe ugualmente inutilizzabile dato che concentrerebbe la radiazione fuori dal corpo nero di accumulo della radiazione. Le operazioni di manutenzione e sostituzione pezzi, andrebbero eseguite da individui con preparazioni tecniche assolutamente assenti nelle comunità e al di fuori dei grandi centri urbanizzati. Rimane interessante, però, notare come per il progetto di questo forno si sia seguita una strada progettuale che,

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appoggiandosi su un forte uso di tecnologia, cerchi di massimizzare efficienza e automatizzare tutte le operazione di uso della macchina. A rimarcare questo aspetto, il forno era provvisto di un secondo panello fotovoltaico sul lato posteriore che aveva il solo scopo di creare lâ&#x20AC;&#x2122;energia elettrica necessaria ad orientare automaticamente il forno di mattina, quando il sola sorge alle spalle della macchina.

Forno solare modello Urbano. Prova combustione.

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Nelle prossime tavole possiamo vedere le caratteristiche di tre forni solari. Questi forni solari rappresentano la situazione attuale degli studi nelle università di Città del Messico. Dietro ogni modello sono riportate le scelte che descrivono le loro applicazioni e che hanno influenzato il loro sviluppo. Forno “Eduardo Rincón”: È disegnato per una famiglia media messicana, ha un prezzo abbordabile e raggiunge temperature di cottura abbastanza elevate. Forno “Antonio Urbano”: ha un’ottima potenza, è una cucina comunale per paesi senza energia elettrica, il prezzo iniziale è elevato. Forno “Cono”: quest’ultimo è il risultato delle analisi che abbiamo portato avanti nei nostri sei mesi di ricerca alla UIA. L’obiettivo è semplificare al massimo la struttura del forno.

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

DISEGNO INDUSTRIALE

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

FORNO SOLARE (università UACM) di Edoardo Rincòn

SEZIONE CON RIFLESSIONI

COMPONENTI DEL FORNO pentola cilindrica e comal

pentola cilindrica e comal ti en lim nti a te me i l n a e te ipi en rec ipi rec te ren pale rale rio i ate pa s da a nc r on pri ano l et c i e o c i s n erfi pia io p rvo sup chio ecch io cu c p s cch spe spe ca eti rm e era cam

n for hio

erc

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Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

no teg

150 100 50 0

bil

n allu

°C

sos

DESCRIZIONE DEL FORNO

DIREZIONAMENTO VERSO IL SOLE

schema di funzionamento

angoli di movimento

radiazione solare

isolamento infrarossi e termico infr aros

ambiente isolato

rifl

to re rifl

ettore radiazione solare riflessa

università: UACM progettista: Edoardo Rincón temperatura max: 130˚C forno; 150˚C comal giorni d'uso all'anno: 250 capacitá di cottura: 8 Kg area capatazione: 1m² potenza: 250 W prezzo: 800 $ U.S

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

FORNO SOLARE di cinvestav-ipn antonio urbano

SEZIONE CON RIFLESSIONI

COMPONENTI DEL FORNO pentola cilindrica e comal

pentola cilindrica e comal

o toi rba

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oli

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DESCRIZIONE DEL FORNO

DIREZIONAMENTO VERSO IL SOLE

schema di funzionamento

angoli di movimento l 12 ne ione o i ss ress p pre a a fogo l o s t o n oli pe ta tra n e ro fer nte fica i r b o lu oli

radiazione solare

te lan

rifl

punto riscaldato

ore ett

iso olio con temperatura uniforme

radiazione solare riflessa

Universitá: CINVESTAV-IPN Progettista: ANTORINO URBANO MEJIA Temperatura max.: 250ºC Giorni d’uso all’anno: 300 giorni Capacitá : 8kg in pentola a presione Area captazione: 3.6m² Potenza: 500W Prezzo:3000$U.S.

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

USE THE SUN:

Studenti:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

FORNO SOLARE cono

SEZIONE CON RIFLESSIONI

COMPONENTI DEL FORNO pentola cilindrica e comal

pentola cilindrica e comal ti en ica un te n e p la ett rifl nto pe co cie fi r uo e ef n sup io taz en ori r e ip cav ico

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DESCRIZIONE DEL FORNO

DIREZIONAMENTO VERSO IL SOLE

schema di funzionamento

angoli di movimento

radiazione solare

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isolam

radiazione solare riflessa

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ento termico infr spazio isolato

spazio aperto

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Universitá: Prove in UIA Progettista: Anonimo Temperatura max.: 110ºC Giorni d’uso all’anno: 100giorni Capacitá : 1 kg Area captazione: 0,3m² Potenza: 40W Prezzo: 10$U.S.

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09 Viaggi CAPITOLO

DISEGNO INDUSTRIALE

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VIAGGI

Dal nostro arrivo a Città del Messico, fino ad esplorare i vari contatti avuti con la realtà messicana: l’esperienza con i ragazzi “tepehua” di Pisaflores, lo studio sulla coltivazione di cacao in Tabasco con Josè Manuel, la visita alla cooperativa altenativas, la scoperta dell’amaranto ed i corsi di energia solare a Temixco.

09 Use the sun 2.indb 266

267

ARRIVO IN MESSICO E INCONTRO CON ADOLFO FINCK

269 272

VIAGGIO A PISAFLORES, VERACRUZ

288 296 302

VIAGGIO A TEHUACAN, PUEBLA

PROGETTO DI INVESTIGAZIONE A CÀRDENAS, TABASCO VIAGGIO A TEMISCO, MORELOS TAVOLE ALLEGATE

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ARRIVO IN MESSICO E INCONTRO CON ADOLFO FINCK 17 DICEMBRE 2007

Alle ore 10.00 locali arriviamo a destinazione: Città del Messico. Un’amica ci ospita presso la sua famiglia. Loro ci accolgono con un sorriso e grande disponibilità per quasi un mese durante il quale abbiamo potuto ambientarci e cercare una nuova sistemazione. Non avendo il numero di cellulare del Prof. Finck, non sappiamo come contattarlo dato che l’università è chiusa ed al suo ufficio non risponderebbe nessuno. Fortunatamente è stato lui a trovarci chiamando al cellulare della nostra amica e permettendoci di fissare una riunione per il mattino seguente. Alle 10.30 del mattino del 18 Dicembre incontriamo il professore nel ristorate Sanborns. La riunione inizia con la colazione (più pranzo che colazione per noi), perché, come dice Adolfo, “barriga llena corazón contento” (pancia piena cuore felice). Dato che nel giro di due giorni saremmo partiti per una comunità indigena con l’intenzione di provare a costruire ed installare un forno solare, il principale scopo della riunione è stato quello di capire quale fosse il modo più semplice di costruirne 09_VIAGGI_ 267

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Arrivo a Città del Messico. Ortzi, il Prof. Finck e Andrea

Primo schizzo. Finck ci disegna una proposta di forno per la comunità di Pisaflores.

uno. Il professore ci spiega i dettagli del montaggio, e ci disegna anche un piano con proporzioni e misure precise che ancora conserviamo. La riunione dura un paio d’ore e sarà la prima di tante ore passate a parlare e discutere di progetti, dubbi ed idee riguardanti macchine solari con il nostro relatore messicano, il Fisico Adolfo Finck Pastrana.

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VIAGGIO A Pisaflores, Veracruz 21-28 DICEMBRE 2007

Al nostro quarto giorno in Messico, ci siamo già spostati in una comunità rurale. Dopo aver ricevuto istruzioni precise del professor Finck su come costruire un semplice forno solare, siamo arrivati con la speranza di poterne costruire uno funzionante sul luogo. Guadalupe Hernández, antropologa della INAH (Istituto Nazionale di Antropologia e Istoria), è la persona che ci ha portato qui. L’antropologa da diversi anni sta portando avanti un progetto teso a migliorare il livello cultura e di alfabetizzazione della gente, cercando di preservare la lingua originaria indigena il tepehua. La maggior parte del lavoro è svolto con i bambini, cercando di integrare durante le vacanze scolastiche la loro educazione. Guadalupe organizza diversi gruppi di studenti e li porta nella comunità per impartire lezioni d’uso del computer, inglese, architettura o esperimenti scientifici educativi. Oltre a noi il nostro gruppo era costituito da altre due ragazze, Shna, laureanda in disegno grafico, e Juno, laureata in diritto. Abbiamo, così, organizzato un corso di una settimana per una trentina di ragazzi tra i 6 ed i 18 anni. Dopo una settimana di ambientamento, ci siamo resi conto delle difficoltà esistenti ad introdurre una coscienza ed una filosofia di utilizzo dei prodotti solari. Queste le prime due esperienze che abbiamo potuto portare avanti.

26 DICEMBRE 2007, IL PRIMO FORNO

Fattaci un idea dei fondamentali costruttivi di un forno solare a cassa, abbiamo provato a procurarci per il paese il necessario

I primi modelli di forni solari a Pisaflores. Preparativi e cibi.

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alla costruzione di un esemplare rudimentale. Abbiamo, così, acquistato nel mercato della piazzetta principale un recipiente isolante di ceramica (20 pesos) un piccolo specchio da parete (25 pesos) ed un pezzo di film di plastica trasparente (1 peso) di quelli utilizzati per l’agricoltura. Il riflettente interno l’abbiamo realizzato con alcune delle numerose lattine buttate per terra nel paese, e la superficie nera assorbente utilizzando le stesse lattina tagliate e pitturate di nero. L’uovo della prova ce lo ha fornito la cucina di Guadalupe, mentre i termometro delle misurazioni l’abbiamo comprato in Città del Messico (150 pesos). I risultati raggiunti dall’esperimento sono i seguenti: Temperatura massima registrata: 70 C° Tempo di riscaldamento: 40 minuti. Lo scopo principale di questo forno è quella di mostrare ai ragazzi di Pisaflores la possibilità di usare la energia termica del sole per scopi pratici. Un ragazzo di 14 anni dirigeva l’esperimento, misurando ogni 5 minuti la temperatura raggiunta dal forno. La lettura del termometro non è stata semplice, dato che ogni tacca di segnalazione corrispondeva corrispondeva ad un range di 2,5 C° . Dopo due ore al sole, e aver eseguito l’esperimento nell’unico giorno della settimana con le nuvole in passaggio, il forno è arrivato a toccare 70 C° di temperatura. Abbiamo allora preso l’uovo, ricopertolo con un foglio di alluminio dipinto di nero e messolo all’interno del piccolo forno. Supponiamo che il forno si sia aggirato ad una temperature di 70 C° per circa 2 o 3 ore. Ma quando è arrivato l’ora di aprire, tutte le speranze si sono infrante insieme al guscio. La faccia della bimba ci rivela il risultato dell’esperimento: l’uovo era perfettamente crudo! Il primo forno solare. Esperimento in Pisaflores.

27 DICEMBRE, UN NUOVO FORNO

Non domi dopo il fallimento del primo forno e sapendo che mancavano solo tre giorni alla nostra partenza, abbiamo

70 60 50

70 ˚C

temperatura

40 30 20 10

14 :

13 :4

:3 0

13 :1

:0 0

:3 0

5 :1

:0 12

ora

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fatto visita al falegname del paese. Lui si è mostrato disponibile, anche perché ci ha fatto pagare il lavoro a prezzo “turista”. A parte questo, ci ha però fatto omaggio di uno degli unici vetri del paese, per chiudere la scatola. Abbiamo fatto appuntamento per il giorno successivo dato che era molto impegnato con altri lavori da finire. Il giorno seguente, dopo aver posticipato l’appuntamento dalle 9.00 alle 14.00 è comparso un po’ stanco e appesantito con i segni di una nottata di festa, e una gamba zoppicante. A parte questo, siamo riusciti a terminare il lavoro entro le 9 di sera. In sostanza abbiamo utilizzato una cassa di legno di cedro umido (400 pesos), l’unica lastra di vetro del paese (omaggio) e alcune cerniere (25 pesos). Soddisfatti del lavoro svolto, abbiamo portato la “scatola” la scatola di legno alla scuola dell’antropologa Guadalupe, mentre tutti osservavano un po’ interrogativi “gueros” (biondi) caricarsi in spalla qualcosa di un po’ troppo simile ad una cassa da morto per le stradine del paese. Arrivato alla scuola ci aspettano brutte notizie: Guadalupe aveva avuto alcuni problemi con la gente del paese, e aveva preso la decisione di partire al mattino seguente per Città del Messico. Il lavoro ed i soldi della giornata erano stati proprio spesi invano: era necessario lavorare ancora su alcuni particolari del forno e non avevamo neppure il tempo di provarlo. Discutiamo con Guadalupe per trovare una soluzione, e la convinciamo e caricare il nostro futuro forno sulla macchina che l’avrebbe condotta in città. Dopo qualche settimana e molte centinaia di chilometri passati in sequenza su una camionetta, una barca, un taximaggiolino Volkswagen, l’automobile di Shna ed il pullman, il forno sarebbe giunto all’Universidad Iberoamericana per essere terminato e, finalmente, testato.

Forno solare “Pisaflores”. Il falegname del villaggio prepara quella che diventerà la camera di riscaldamento del nostro forno.

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Progetto dI investigazione a Tabasco, CàRDENAS. Il progetto consiste in un’analisi sul campo presso la località di Cardenas per individuare le possibili applicazioni di energia solare nel campo agroalimentare Della zona. Grazie all’organizzazione di Josè Manuel Rodríguez Ramos, abbiamo potuto realizzare un’analisi del processo di coltivazione del cacao in Tabasco. Per lo svolgimento di questa visita sono risultati indispensabili l’aiuto e la disponibilità di: Leonardo Ávila Ayona (Ingeniero Agrónomo), Arquimedes Oramas Vargas (Rector dell’università UPCH), Isidoro Jimènez Pirrón (presidente della federazione degli agronomi della regione), come l’ospitalità della gente del posto e in particolar modo di Lilí Reynosa López con la sua fantastica cucina.

15 FEBBRAIO 2008

UPCH. Riunione con il rettore e l’Ing Ayona.

La partenza da Ciudad de Mèxico D.F. avviene alle ore 23.00 del giorno 14 febbraio del 2008 con la compagnia ADO. L’arrivo a Cárdenas (Tabasco) avviene alle 8.10 a.m. del 15 febbraio 2008 (venerdì). Come d’accordo incontriamo Josè Manuel alla stazione Terminal ADO e iniziamo così la nostra permanenza in Tabasco. La prima tappa è stata a casa di Josè Manuel, per conoscere la famiglie famiglia che ci ospiterà per i giorni a venire. Siamo stati accolti molto calorosamente e circondati da persone aperte e disponibili. In seguito, alle 11.00 abbiamo il piacere di conoscere il Maestro en Ciencias e Ingeniero Leonardo Ávila Ayona (direttore della carriera di Agronomia, e specializzato in fitopatologia vegetale), de la Universidad Popular de la Chontalpa. L’Ing. Ayona ci introduce al caso Studio sfruttando le sue conoscenze tecnico-scientifiche. Alle 12.15, dopo l’appuntamento con l’Ing. Ayona, andiamo insieme alla sede dell’università UPCH. Qui ci riceve il gruppo di lavoro che si dedica al recupero della coltivazione della pianta del cacao Criollo (un tipo di cacao pregiato che si, riconoscibile dai suoi semi bianchi). Il gruppo che ci appoggia in questo momento è costituito dai seguenti membri: Mèdico Veterinario Zootemista: Alejandro Oramas Vargas, Licenciado en Comercio Internacional: Bedelin Gonzalez Gomez, Licenciada en Turismo: Dulce Maria Juarez Almeira, Ingeniera Agrónoma: Rubí Georgia López Duran. Il gruppo ci introduce brevemente al progetto che sta realizzando, spiegandoci soprattutto come intendono cercare di regolarizzare le caratteristiche del cacao criollo, sia per ciò che riguarda la sua coltivazione (criteri tecnici e parametri come l’umidità al 7.5% dopo il processo di “secado”), sia per ciò che lo contraddistingue a proposito del gusto (quindi le caratteristiche di acidità del cacao già secco che corrispondono

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ad un ph tra 7 e 7.5). In seguito a questo incontro, abbiamo colto l’occasione per esporre le nostre proposte di progetto provenienti dall’Universidad Iberoamericana e dal Politecnico di Torino. Tali proposte consistevano in un’analisi sul campo per constatare la possibile realizzazione di differenti dispositivi che sfruttino in modo diretto l’energia solare per il loro funzionamento. Dopo questo confronto di idee, siamo giunti alla conclusione che ciò che poteva toccare gli interessi e i campi di studio di entrambi i gruppi era senza dubbio lo sviluppo e l’utilizzo di un impianto di essiccamento solare per il cacao. Attorno alle 13.00 si unisce alla riunione il rettore dell’università UPCH, Arquímedes Oramas Vargas. Con lui abbiamo continuato ad esaminare la fattibilità e l’utilità, dal punto di vista tecnico, di impianti con esclusivo uso di energia solare, focalizzando la nostra attenzione sui seccatori solari. Il rettore stesso ci spiega come, prima di tutto, possano avere interessanti sbocchi progettuali in una zona come quella del Tabasco impianti come quello del seccatori solari o distillatori di acqua potabile. In particolar modo le nostre proposte sono state esaminate e apprezzate per il loro potenziale. In seguito dopo un breve scambio di contatti per future visite per la condivisione di informazioni, abbiamo proseguito la nostra visita all’università. Ci sono state mostrate le loro strutture e i loro laboratori. Alle 14.00 inizia il nostro percorso di visita ai vari terreni di coltivazione. Le proprietà visitate sono state quelle di alcuni contadini che svolgevano proprio il processo di essiccamento del cacao. La visita dura circa mezz’ora, e possiamo apprezzare direttamente di cosa tratta l’indispensabile processo di fermentazione di 7 giorni ed il processo di essiccamento (sia all’aria aperta, sia per mezzo di essiccatori a gas con ventilatore). Per capire meglio ciò che ci interessava abbiamo partecipato direttamente al processo del “giro del cacao”, attività

Lavorazione del cacao. Essiccatori e tostatori.

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che si svolge costantemente ogni ora a mano. In seguito, per conoscere ulteriori metodi di lavoro oltre a quello tradizionale, abbiamo visitato l’Asociaciòn Agrícola Local de productores de Cacao “ALDAMA”. Qui abbiamo visto all’opera macchinari tedeschi di ultima generazione dediti al processo di essiccamento Analizzando questo ultimo tipo di processo, si comprende subito la scarsa integrazione che può avere questo tipo di tecnologia con le colture tradizionali e la mentalità della zona, considerando il fatto che per sfruttare questa macchina con una buona efficienza bisogna partire da un carico minimo di 150 tonnellate di cacao. Per questa ragione, la macchina era inattiva da più di 6 mesi. In oltre, l´installazione Della macchina non era mai stata perfettamente eseguita, in quel momento mancavano ancora diversi accorgimenti per il suo corretto funzionamento. Continuando con il nostro percorso, arriviamo a Villa Aldama, Municipio di Comalcalco dove abbiamo riposato e pranzato. Riprendiamo il cammino alle 16.30, e dopo 40 minuti di cammino arriviamo alla proprietà de “La Joya”, dove possiamo vedere, provare e toccare la pregiata qualità dei semi di cacao criollo organico. Possiamo anche assistere al processo di impianto del cacao mediante il metodo “de los injertos”. A questo punto lasciamo in sospeso la visita per mancanza di tempo. Non possiamo vedere ne’ le installazione per l’essiccazione del cacao ne quelli per le lavorazioni del cacao presenti dell’azienda. Questo secondo incontro si terrà Lunedì 18. Infine, torniamo all’università dove salutiamo e ringraziamo il Medico Veterinario, il Licenciado en Comercio internacional e l’Ing. Rubí Georgia López accompagnandoli a casa. L’arrivo a casa avviene alle ore 20.30, dove terminiamo in famiglia questo giorno con parlando di cacao e cenando con tipici tacos di “spaghetti a la boloñesa”.

APPUNTI DELL’AGRONOMO AYONA Produzione di banane. Frutta potenzialmente essiccabile.

Durante la visita prendiamo diverse appunti, grazie alle spiegazioni dell’Ing. Ayona e del gruppo che ci accompagna. Periodi significativi dell’anno a Cárdenas: -15-20 giugno / 15-20 Ottobre: stagione delle piogge -15-20 Ottobre / 15-20 Marzo: “período Norte”. Arrivano i venti freddi dal Nebrasca e dalla Florida. Non piove. -15-20 Marzo / 15-20 giugno: stagione secca. Piove poco (15-20 mm/gg), le temperatura variano tra i 22 C° e i 44 C°. ed iniziano i venti caldi del sud (los Sures). C’è un’elevata escursione termica tra sole e ombra. Iniziano in oltre le piaghe di “chaquistes” (che colpiscono anche l’uomo). Apporto di acque da località vicine: -Chicoasen (Chiapas) -Raudales (Malpaso, Chiapas), la più calcarea -Peñitas Relazione tra acqua dolce a salata: A causa delle correnti marine e per la grande affluenza di acqua da parte dei fiumi sono presenti ampie lagune costiere lungo i territori del Tabasco. Queste correnti influiscono sul livello di umidità dell’intero territorio circostante.

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Gli ettari di terra dedicati alla coltivazione del cacao sono molto diminuiti negli ultimi 20 anni. Questo si può anche verificare con misure più precise effettuabili con GPS. Le maggiori cause sono le malattie, l’impoverimento della zona, e la preferenza nel coltivare altri prodotti.

16 FEBBRAIO 2008

Il giorno inizia alle 7:00; accusiamo la stanchezza del giorno prima. Cerchiamo di organizzarci, e dopo una sostanziosa colazione partiamo nuovamente. Alle 9:00 compiamo le misurazioni di umidità relativa e temperatura, per compararle con quelle della notte. Le misurazioni sono state effettuate nella stessa casa di Josè Manuel Rodríguez. Alle 10:30 ci spostiamo presso la sede della “Unión de Taxistas del Municipio de Cárdenas”. Qui assistiamo ad una riunione di protesta della Filial de la Fundaciòn Colosio. Conosciamo il presidente della fondazione, Javier Díaz Hernández. Incontriamo nuovamente il rettore della UPCH che partecipava all’evento. Qui conosciamo Isidoro Jimènez Pirron (presidente degli agronomi Della regione). Ci raccomanda di contattare la Universidad de Champingo en Mèxico Tescoco, e in oltre anche i vari Colegios de Postgrados. Alle 13.00 ci spostiamo all’università UPCH. Qui si stanno tenendo le prime lezioni del semestre e ci è stata dedicata un’aula per la presentazione del nostro progetto. L’obiettivo è stato quello di entrare in contatto diretto con gli alunni dell’università, in quanto molti di loro sono figli di agricoltori, o agricoltori stessi che potrebbero essere interessati al nostro progetto o, quanto meno, potrebbero aiutarci nella nostra ricerca. Abbiamo lasciato i nostri contatti per eventuali scambi di informazioni. Alle 14:00 visitiamo la “Fabrica de productos el Choco” dove abbiamo potuto vedere la macchina che produce il cioccolato partendo dalla semplice semiglia di cacao. Inoltre abbiamo potuto assaggiare e degustare vari tipi di cioccolato, e comprare prodotti da portare alla UIA. All’ora di pranzo ci siamo recati a casa della zia di Josè Manuel, dove siamo stati accolti molto calorosamente trattenendoci lì e parlando fino al pomeriggio. La giornata termina con la ripetizione delle misurazioni di umidità e temperatura. La seguente tabella ne illustra i risultati:

ORA 9.00 21.00

LUOGO Dentro casa Fuori casa Dentro casa Fuori casa

Ettari cacao Anno 1980-90 2007

Ettari 60.612 38.642

Terreni di cacao. nel giro di vent’anni le piantagioni di cacao si sono quasi dimezzate.

TEMPERATURA (C°) 25.1 24.6 29.5 26.6

Misurazioni. Temperatira e umidità in Tabasco.

UMIDITÀ (%) 72.9 72÷74 68.4 71÷72

17 FEBBRAIO 2008

Per la domenica è stato deciso di visitare la costa. L’obbiettivo era di analizzare le condizioni climatiche costiere, le caratteristiche fisiche e la caratteristiche agricole del luogo. Ci´che vogliamo capire è precisamente se sia possibile o meno 09_VIAGGI_ 275

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l’installazione del nostro “dissalatore” o distillatore e purificatore di acqua salata e contaminata. Prima di tutto mangiamo una lauta colazione per raccogliere le energie che ci serviranno nella giornata en el mentre abbiamo realizzato le varie misurazioni di temperatura e umidità che riportiamo nella tavola con tutte le misurazioni della giornata.

TEMPERATURA (C0) 26.9 25.9

UMIDITÀ (%) 73.4 71.3

29.7

68.2÷71.5

29.9

62÷62.1÷63.2

Fuori dal campo di cacao, all'aria aperta per terra, 1m dal suolo

11.30

Dentro la macchina, effetto serra

12.30

Oriente seconda sezione Comalcalco pozoleria lupita SOLE

33.4

43.2

35.7

66.2

35.7

52.5

35.7

44.1

27.83

71.9

28.7

71.6

26.5

78.2

ORA 8.30 11.18

LUOGO Dentro casa Fuori di casa Campo di cacao per terra Campo di cacao, 1 metro dal suolo Campo di cacao, 2m del per terra, vicino alla chioma dell'albero Fuori dal campo di cacao, all'aria aperta per terra Fuori dal campo di cacao, all'aria aperta per terra, 1m dal suolo

13.50

15.27

20.30

Oriente seconda sezione Comalcalco pozoleria lupita OMBRA Rovine Comalcalco per terra Rovine Comalcalco 50cm Rovine Comalcalco 1m Paraíso, spiaggia di Varadero. suolo Paraíso, spiaggia di Varadero. 50cm Paraíso, spiaggia di Varadero. 1m Casa di José Manuel dentro Casa di José Manuel fuori

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09/09/2008 23:49:28

Alle 10:15 abbiamo lasciato la casa e ci siamo diretti alla proprietà del señor Domingo Olan Flores e sua moglie Dña. Lupe. Proprio qui abbiamo continuato le nostre misurazioni di umidità e temperatura e in oltre abbiamo recuperato 4 campioni di frutto di cacao per le nostre future analisi nei laboratori Della UIA in Città del Mèxico. Il nome Della pianta è Seilan (anche conosciuto come Guaiaquil), la sua provenienza è dal Brasil, e arrivò qui durante il governo di Tomas Garrido Carnaval. Questo cacao si vende a 8 pesos al kg già secco. In seguito abbiamo visto la parte circostante di una piantagione di zucchero. Qui i camion aspettavano carichi di canna già bruciata e tagliata per vendere la loro merce alle compagnie di produzione di zucchero. La canna e gli altri resti sono utilizzati per la coltivazione del cacao come come fertilizzanti naturali per la terra. Alle 13.30 abbiamo potuto apprezzare coi nostri occhi una delle applicazioni più naturali del cacao nella sua forma senza lavorazione, ovvero con il solo processo di essiccamento, si trita e si mischia con il mais per le tortillas. Dopo si mischia ulteriormente con acqua ottenendo cosa il pozol. Una bibita rinfrescante con un altissimo contenuto di carboidrati. Dopo abbiamo visitato la zona archeologica di Comalcalco. Qui abbiamo avuto l’occasione di chiedere come veniva trattato il cacao in epoca preispainica, però non abbiamo ottenuto risposte concrete per questo analizzeremo in maniera più dettagliata questa parte nel museo di antropologia in Mèxico D.F. Nella tabella a sinistra si possono vedere le diverse misure realizzate nei vari luoghi visitati durante il giorno. In oltre abbiamo preso anche un campione di acqua della laguna di acqua dolce Paraíso. In seguito abbiamo cenato in maniera tranquilla aspettando la fine di questa di questa speciale domenica.

18 FEBBRAIO 2008

Nelle prime ora del mattino abbiamo realizzato le misurazioni di temperatura e umidità in casa:

ORA 7.55

LUOGO Dentro casa Fuori casa Giardino

ALTEZZA (cm) 0 100 200 0 100 200 0

TEMPERATURA (C°) 25.6 26.6 26.3 24.5 24.0 24.0 24.0

Prima di fare colazione visitiamo una proprietà qui vicino in 1° Río Seco Montaña. Qui incontriamo la proprietaria, Leticia Alvarez Bai, che ci permette di fare ulteriori misurazioni di temperatura e umidità tra le piante di cacao. La proprietaria ci spiega che cultiva cacao unicamente per uso familiare dopo l’essiccamento Il processo di essiccamento consiste nel lasciare i semi di cacao al sole per 4-5 giorni. Allo stesso tempo la padrona ci rivela un ulteriore uso del cacao: con il

UMIDITÀ(%) 76.6 76.3 77.0 80.1 81.5 81.8 82.8 Misurazioni. Fuori e dentro casa.

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ORA 8.15

LUOGO Alberi di cacao

ALTEZZA (cm) 0 100 200

Misurazioni. Nella proprietà in 1° Río Seco Montaña.

TEMPERATURA (C°) 22.7 23.1 23.0 23.0 22.9 23.1

UMIDITÀ (%) 88.0 88.7 88.3 88.1 88.5 88.2

cuore del seme si può cucinare un dolce utilizzando l acqua stessa che esce dal cuore durante la bollitura.

VISITA AL TERRENO “LA JOYA”.

I proprietari sono: Dña. Clara Echeverría e Porfirio Hernández Villa. Alle 9.00 arriviamo alla Universidad Popular de la Chontalpa; qui incontriamo la studentessa Rubí (che sta sviluppando un progetto sulla coltivazione del cacao) e il Professor Leonardo. Loro dispongono di 4 ettari di piantagione di cacao questi equivalgono a 825 piante per ettaro, piantate a 3x4 o 4x4 metri di distanza l una dall’altra. Durante il tragitto l’Ing. Ayona, ci spiega le basi fondamentali per la coltivazione del cacao. In epoca prehispánica ilcacao si usava come moneta ed era considerato come la “bebida de los dioses”; in oltre si usava questo frutto anhe per migliorare la fertilitá delle donne. Tra i suoi usi più conosciuti abbiamo il dolce che si realizza con il cuore della mazorca de cacao, facendolo bollire fino a quando si estrae un delicioso e saporito liquido. Durante il periodo preispanico il processo di essicamento si teneva semplicemente al sole, peró durante gli anni 70 si introdusse la fermentazione del cacao con ancora la sua bava. Ci spiegano quali sono le principali famiglie di cacao: -Calabacillo -Amelonado -RIM (Rosario Izapa Mèxico) -Criollo (unico con qualità superiore) grazie al suo basso livello di tannino risulta bianca. Quanto più il seme tiene tannino, tanto più sarà scuro. -Seilan: le sue origini sono del centro america. -Guayaquil: del Chiapas. Esistono due modi di piantare cacao: al sole o all’ombra. Quella al sole è praticata in Honduras e Nicaragua. Ci sono

ORA 11.00

DEFINIZIONE MISURAZIONE Disposto in pigne con il sensore all’interno Con cacao sparso

TEMPERATURA (C°) 32.4

UMIDITÀ (%) 87.8

37.6

55-60

DEFINIZIONE MISURAZIONE Disposto in pigne con il sensore all’ interno Con cacao sparso

TEMPERATURA (C°) 44.1

UMIDITÀ (%) 34.3

42.7 - 43

39.1 – 40.7

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Terreno la Joya. Lavoratore alle vasche di fermentazione.

maggiori perdite durante la coltivazione e la vita è più breve. Inizia a produrre ad un età di 5-6 anni e termina a 15 anni di età. Quella all’ombra è la coltivazione utilizzata in Tabasco. La vita della pianta aumenta fino ai 40 anni, però le piante sono più sensibili alle malattie, dato che il livello di umidità aumenta considerevolmente (se l’umidità supera l’80%, lo sviluppo delle malattie risulta fatale per le piante). Arriviamo alla proprietà delle Joya alle 11.00 a.m. dove incontriamo Dña. Clara e Dn. Porfirio che si stavano occupando dell’essiccamento Il cacao era disposto su una superficie di cemento. La prima quantità di cacao è giovane, ha appena iniziato 09_VIAGGI_ 279

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il processo di essiccamento da 15 minuti dopo la fermentazione. La seconda quantità di cacao è più vecchia, era già rimaste al sole per 3 giorni.

IL RACCOLTO DEL CACAO

Il primo raccolto: inizia in febbraio e dura 2 mesi, 2 mesi e mezzo. Il secondo termina a dicembre dopo 2 mesi di raccolta. Durante il periodo di raccolta ogni 8 giorni si ripassa il campo, raccogliendo i frutti maturi perché questi hanno tempi diversi di maturazioni. In oltre sottolineiamo che il racconto di febbraio è del 30-40% più produttivo di quello di dicembre. La proprietà la Joya dispone di 4 ettari di piantagioni di cacao di cui. La produzione della proprietà ammonta a 17502000 kg di cacao secco per ogni ettaro, La produzione di ogni albero a 3.5-4kg di cacao secco all’anno. Una volta racconto il frutto questo può conservarsi 7 o 8 giorni nel guscio senza essere aperto, in ogni caso sarebbe preferibile passare direttamente all’essiccamento senza guscio. Ogni raccolto raggiunge un peso tra gli 800 e i 1500 kg di cacao con bava.

ESSICCAZIONE

Albero di cacao. I frutti prima della raccolta.

Nella proprietà della Joya di solito si secca il cacao dopo il processo di fermentazione, l’essicamento avviene al sole e se il clima non lo permette si sostituisce il processo con l’essicamento a gas. La fermentazione riduce il tempo che il seme del cacao impiega durante l’essicamento. Il tempo di essiccamento al sole con bava lavata in acqua è di 5-6 giorni; il tempo di essiccamento al sole dopo una fermentazione di 7 giorni è di 2. Inoltre, il grado di acidità cambia a seconda del processo a cui il seme è sottoposto. Il prodotto che

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a cci

o ern Int me e s va Ba

sci

to en im t s e o riv tern in

ta cen

pla e sembava n o c va ba

si ottiene con l’essiccamento al sole diretto senza prima il processo di fermentazione è meno acido, il suo ph si mantiene entro 7 e 7.5. Allo stesso tempo il prodotto fermentato ha un sapore più astringente. Il grande vantaggio della fermentazione è la riduzione dei tempi di essiccamento al sole, per questo ci sono meno rischi che il cacao si bagni con pioggia mentre sta seccando all’aria aperta, e che cosa non si guasti. Il cacao secco raggiunge una temperatura di 42°-44° C in aprile e maggio. Nella Joya si realizza la fermentazione in casse di legno di teca per circa 7 giorni, in

Il cacao. Frutto aperto e semi con bava.

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Lavorazione del cacao. Essiccazione con temperatura e velocità dell’aria ambiente.

Lavorazione del cacao. Vasche di fermentazione.

seguito il cacao si considera già pronto per l’essiccamento Questo tipo di cacao per la vendita nel mercato internazionale deve avere al massimo il 7-8% di umidità al termine del processo dell’essiccamento Il controllo della percentuale di umidità si effettua semplicemente con il tatto, grazie all’esperienza i contadini riescono a sapere se questa si trova inferiore o uguale all’8%. Per quanto riguarda il peso questo si reduce del 40%, vale a dire che 1 Kg di cacao con bava si trasforma in 400 gr di cacao secco. L’essiccamento al sole avviene su piani di cemento. Allo stesso tempo l essiccamento a gas si realizza con un motore di 1 Cavallo di potenza. Il ventilatore collegato ha una potenza di 6.3m/s e una grandezza di 25 cm di diametro. Per una quantità di cacao equivalente a quella seccata al sole in questo caso abbiamo bisogno di tenere accesa l apparecchiatura per 48 ore e muovere ogni 3 ore una quantità di cacao che sta su 15 cm di spessore dentro queste casse. In totale l impianto può seccare 1,5 tonnellate alla volta. Dopo il processo di essiccamento viene il processo

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di selezione. In questo processo si perde il 10% di cacao. L’equivalente di massa persa è la “pachita” ( i semi piccoli) e semi rotti. Nella macchina di Dn. Porfirio si possono realizzare carichi di 20-30 kg. A questo punto il cacao è pronto per essere venduto sotto forma di grano. Se invece si vuole produrre pasta di cacao il processo continua.

Lavorazione del cacao. Essiccatori a gas.

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ELABORAZIONE DELLA PASTA: TOSTATURA, SBUCCIATURA, MACINATURA

Per ogni 1000 kg di pasta cacao occorrono 1200 kg di cacao secco. Si mette il cacao in un tostatore cilindrico (con capacità di 60 kg) che è scaldato da due fiamme dirette. Questo processo dura da 2.5 a 3 ore. In seguito si introduce il grano di cacao in una macchina che gli toglie la pelle. Dopo di ciò il cacao si macina in un mulino di pietra vulcanica. Stesso tipo di macine per il mais. Con questo processo la pasta di cacao è praticamente finita, ci manca solo di riporla in un grande recipiente. Esistono ulteriori processi come quello per realizzare il burro di cacao che però qui non sono usati.

LE MALATTIE DEL CACAO

Lavorazione del cacao. Macinatura.

Le malattie più comuni sono “Las Plagas” durante i periodi secchi dell’anno e gli “Hongos” della stagione delle piogge: -“Minadores” sono imperfezioni esterne che ingialliscono il cacao e lo fanno diventare di color marrone. Possono creare delle difficoltá se vanno a colpire i grappoli più giovanni. -La lingua di baca è un tipo di erba che aggredisce il cacao e resulta molto difficile da eliminare. -Monilioftora (Moniliasis e fitoctora parassita). Si introduce nel 2004 nella zona di Tabasco. Le sue origini sono brasiliane, risalendo il centro america arrivó fino al Chapas e da qui passo a Huimangillo (Tabasco); questa fu la prima localitá contaminata nel marzo 2004. Questa malattia colpisce il guscio esterno del frutto facendo guastare anche le fave di cacao al suo interno. Grazie alla sua grande capacità di riprodursi ogni micelio può creare milioni spore. Queste spore si trasformano in adulti in sole 4 ore e a loro colta ognuna produce milioni spore. A causa di questa patologia si perse l’80% del racconto nel 2007. Il rimedio più semplice per questa malattia è diviso in questi 3 passi: -Tagliare i frutti del cacao infetti e interrarli. Meglio se vengono interrati con calcare in modo da renderli innocui e poter usare la terra come concime in seguito. -Esporre maggiormente al sole i terreni della piantagione. -Usare l ossicloruro di rame per trattare le piante. Con questi rimedi si riesce ad arginare la malattia ad un 10 % del racconto, l obiettivo sarebbe riuscire a controllarla fino al 5% per garantire comunque un buon racconto. In ogni caso l’eliminazione completa della malattia è impossibile. Nella proprietà de “La joya” si usano solo trattamenti organici e biologici per garantire un buon prodotto biologico e il suo equilibrio con l’ambiente. Concime usato ne “La joya”: resti di cacao, resti di canna da zucchero, escrementi di animali, gusci di cacao infetti neutralizzati con calcare. Funghicidi e insetticidi usati ne “La joya”: cipolla + Ajillo (in foglie) + chiodi di garofano + peperoncino”; Neem: si lasciano a mollo 10 grappoli per ogni 100 litri di acqua.

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GLI INNESTI

Per una buona crescita della pianta di cacao e un suo rafforzamento si realizzano innesti. Quasto significa che la pianta è formata a sua volta da due piante differenti: “El patrón” (la pianta interrata, cresciuta dai semi e che apporta la base con le radici, “El injerto” (a varietá che si scelglie per la produzione dei frutti). L’unione tra le due piante si realizza con differenti tecniche: Innesto a finestra: il più usato per il cacao Tronco con tronco : per la papaya. Innesto a T: per le mele. Innesto a T inverso: il più usato per gli agrumi. Una volta che la pianta “patrón” riceve l’innesto si aspettano 20 giorni prima di togliere il nastro e si può notare se l’innesto cresce forte e sano o no. Dopo un mese è già possibile tagliare la parte inferiore Della pianta “patrón” ottenendo la nuova pianta. Come ultima cosa, prima di salutare la Sñr. Clara y Sr. Porfirio ci hanno raccontato che un certo signore italiano di nome Ferrero li invitò alla fiera del cioccolato di Torino. Chissà, questo potrebbe essere un altro punto di avvicinamento tra noi e queste terre. Di seguito riportiamo le misure realizzate nella zona nord della casa, dove ci sono gli innesti e le piante di cacao. Lavorazione del cacao. Tostatore.

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Coltivazione del cacao. Fiore del cacao.

PROPRIETÀ DE MARIA DOLORES HERNÁNDEZ MACHÍN

Abbiamo eseguito 4 misurazioni in una proprietà situata vicino ad una strada provinciale. I contadini qui non conoscono la varietà di cacao che coltivano, ma di solito si rivela di colore scuro. Contemporaneamente a quelle del cacao abbiamo effettuato delle misurazioni sulle banane sempre per realizzar un essiccamento e dare delle opportunità di commercio a questi contadini. Le misurazioni sono state fatte nella proprietà del Sr. Josè del Carmen Rivera.

ULTIMO INCONTRO Per concludere il nostro viaggio abbiamo fatto un ultimo

incontro con l’ingegnere Leonardo Ávila e con Josè Manuel. Abbiamo specificato quale sarebbe stato in futuro il nostro campo

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d’azione e come avremmo approfondito questo lavoro iniziato in Tabasco. L’Ing. Leonardo divideva il processo della coltivazione del cacao nei quattro seguenti punti dei quali il secondo e il terzo dovrebbero essere quelli di cui ci occupiamo noi: -Manejo pre-cosecha: selezione delle fave di cacao -Manejo post-cosecha: senza arrivare al prodotto né seccato né fermentato -Trasformazioni: iniziando per l’essiccamento (inclusa la fermentazione) per arrivare fino al prodotto cioccolato finito -Il commercio

ORA 12.45

LUOGO Alberi di cacao

ALTEZZA (cm) 0 100 200

TEMPERATURA (C°) 31.6 31.1 31.1

UMIDITÀ (%) 67.9 63.3 63.1

In conclusione riportiamo una frase raccolta in questi giorni di viaggio in Tabasco: “LA CALIDAD SE HACE EN EL CAMPO” “LA QUALITÀ SI FA’ NEL CAMPO”

Arrivederci. Ultimi momenti con Josè Manuel alla stazione di Càrdenas.

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VIAGGIO A TEHUACAN Attraverso l’organizzazione Biolur, abbiamo ottenuto il contatto di Raul Hernandez: nel 1980 intraprende alcuni progetti a Tehuacan a favore dello sviluppo sostenibile agricolo, ed attualmente è direttore di Alternativas. Alternativas ha vinto numerosi premi e riconoscimenti, tra cui una Laurea Honoris Causa della “Universidad Iberoamericana” ed un riconoscimento di Slow Food.

2 APRILE 2008

Arrivati la sera del primo di Aprile a Tehuacan ci siamo incamminati alla casa per gli ospiti di Alternativas. E’ stato una sorpresa trovare due ragazzi laureandi che stanno realizzando la tesi della Laurea Specialistica della Università di Mondragon. Si è cenato con loro e il giorno dopo siamo andati tutti insieme agli uffici di Alternativas, loro a lavorare con la loro tesi e noi a conoscere la cooperativa.

VISITA AL MUSEO DELL’ACQUA

Museo dell’acqua. Hot Pot in vendita.

Dopo l’arrivo a Chilac, visitiamo il museo in compagnia dell’Ing. Maria Luz (improvvisatasi eccellentemente come guida) e di una delegazione del comune di Cholula (in provincia di Puebla). Il museo consiste di due parti, al chiuso e all’aperto, ospitanti informazioni, rappresentazioni e realizzazioni funzionanti di numerose applicazioni riguardanti le energie rinnovabili e l’uso sostenibile delle risorse naturali. Il museo fa parte dei progetti intrapresi da una

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aggregazione di cooperative che da quasi 30 anni (la prima nasce nel 1980) operano attivamente nella zona; per coordinare queste attività è nata l’associazione civile “Alternativas” attorno a cui si sono formate altre numerose cooperative tra cui la “QUALI”, responsabile dei progetti relativi alla reintroduzione, coltivazione, lavorazione e commercializzazione dell’amaranto nelle valli circostanti. Un’altra di queste cooperative si chiama “agua para siempre”. La zona in cui operano queste cooperative soffre della grande scarsità di acqua che affetta gravemente, oltre alla quotidianità della gente, anche lo sviluppo economico e agricolo della zona. La loro mission consiste nel trasferire il loro knowhow alle comunità´ circostanti (contano al loro attivo 34 progetti in altrettante valli) e la progettazione di programmi di intervento per l’ottimizzazione dello sfruttamento dell’acqua piovana (quindi rinnovabile) evitando di attingere, invece, alle falde acquifere sotterranee. Sono stati anche affrontati i temi delle tempistiche e delle loro percezioni sulla gente: ci dicono che per non far calare i livelli di aspettativa, dalla fase di educazione a quella di esecuzione passa in media 1 solo mese. La filosofia progettuale di Alternativas, oltre a puntare sulla forza della rinnovabilità delle risorse su cui basare uno sviluppo economico, si caratterizza per considerare ogni singola valle (o conca) come un piccolo sistema da progettare e curare nella sua globalità e nella sua interdipendenza con le altre conche (effetto a cascata). I quattro punti principali della loro attività consistono quindi in: -Educazione, sensibilizzazione e responsabilizzazione dei residenti -Organizzazione del sistema di approvvigionamento e conservazione dell’acqua -Soluzione dei problemi alimentari della popolazione (l’amaranto

Museo dell’acqua. Concentratore solare a parabola.

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Museo dell’acqua. Essiccatore.

è un ottimo integratore alimentare) -Analisi e introduzione di applicazioni che sfruttino energie rinnovabili (come forni solari famigliari per affrontare i problemi di diboscamento e malattie alle vie respiratorie a casa dell’inalazione del fumo) Nel settore dell’educazione Alternativas ha rapporti diretti con numerose università messicane: -Universidad Iberoamericana: servizi sociali ogni estate con gruppi di 5-8 persone. -Universidad de Chapingo: Collaborazione con gli esperti di agronomia. -Università di Puebla: BUAP. Hanno realizzato varie prototipi di essiccatori solari e distillatori di acqua in collaborazione con Alternativas. -UNAM: il rapporto è debole, solo a livello di visita del museo. La parte della loro attività più vicina ai nostri interessi è sicuramente quella legata alla coltivazione dell’amaranto ed all’integrazione di strumenti nel territorio che utilizzino energie rinnovabili.

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Cooperativa Alternativas. Pianta di amaranto.

L’AMARANTO

La coltivazione dell’amaranto nelle americhe affonda le sue radici in antiche epoche pre-ispaniche. La sua coltivazione e consumo fu, però, proibito dai conquistatori in quanto lo associavano ad alcuni riti tradizionali che intendevano cancellare insieme alla loro millenaria cultura. Il mais allargò la sua superficie di produzione. L’amaranto possiede proprietà nutritive molto interessanti: -E’ un ottimo complementare del mais (gli amminoacidi dei 2 cereali si integrano) -Può essere consumato dai celiaci -Le sue foglie costituiscono un alimento dalle elevate caratteristiche nutritive. In particolare le foglie seccate, oltre a potersi conservare per oltre un anno, sono insapori e possono essere mangiate come integratore alimentare senza che effettuino il sapore dei cibi. Anche le foglie hanno buoni contenuti di proteine e amminoacidi e, in combinazione con prodotti tipici del luogo come fagioli, mais, frumento e verdure possono sia sanare le carenza alimentari dovute alla monotonia nutritiva (solitamente a base di solo mais), 09_VIAGGI_ 291

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sia abbassare, e non sostituire il consumo di carne all’interno di una dieta. Anche i semi di amaranto sono, naturalmente eccellenti da punto di vista nutritivo: la loro peculiarità è l’alto contenuto di lisina (un amminoacido essenziale quasi mancante, ad esempio, nel mais). Il contenuto proteinico della foglia ammonta a circa il 16–17% del suo peso. Attualmente, le foglie di amaranto non vengono quasi utilizzate (se non in minima quantità da fresche), e ci spiegano che il mercato non offre ancora sbocchi commerciali che giustifichino grandi investimenti produttivi. Ci sembra estremamente interessante approfondire il tema delle foglie di amaranto in termini di potenzialità ancora inesplorate ed inespresse per 3 motivi: -Potenziale economico diretto ai piccoli produttori (chiaro, tutto dipende dalla eventuale politica di sviluppo del settore), con ripercussioni sociali (qui il tasso di emigrazione negli USA è altissimo) -Soluzione locale a problemi alimentari locali -Pur essendo, purtroppo, un problema culturale e non alimentare, il frazionamento del consumo di carne per mezzo dell’integrazione di proteine vegetali (rappresentate in questo caso dalle foglie di amaranto) avrebbe ripercussioni importantissime in termini di “impronta ecologica”, quantità di bestiame allevato, quantità di alimenti che possano esser sottratti al consumo animale e tornare a quello umano.

RIUNIONE CON NICOLAS

Amaranto e spinaci. Proprietá nutritive a confronto.

SOSTANZA Energia (cal) Proteine (g) Calcio (mg) Ferro (mg) Tiamina (g) Riboflavina (mg) Niacina (mg)

Con l’ingegnere Nicolas si è fatto il primo avvicinamento tecnico alla azienda; abbiamo spiegato il nostro metodo progettuale e preso nota di quello a cui la loro cooperativa potrebbe essere interessata nel campo dell’uso diretto di energia solare. La sua prima opinione è stata di focalizzarci sul tema della essiccazione dell’amaranto; in seguito ci parla delle potenzialità delle foglie dei amaranto e delle opportunità che deriverebbero dalla possibilità seccarle. Nella seguente tabella, dataci da Nicolas stesso, se ne possono apprezzare i valori nutritivi più rilevanti: alta quantità di ferro, proteine e aminoacidi. Le ultime prove di essiccazione sono state fatte nel 2005, sia con foglie intere sia provando con foglie tagliate a coltello di 3 centimetri di larghezza. Per fare ulteriori prove di essiccazione con foglie di amaranto ci consiglia usare la foglia di CHAIA (della famiglia amarantacee), pianta disponibile almeno fino a Giugno.

FOGLIA DI AMARANTO 36 3,5 267 3, 9 0,08 0,16 1,4

FOGLIA DI SPINACI 26 3,2 93 3 ,1 0,1 0,20 0,6

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I PROCESSI DI RACCOLTA DELL´AMARANTO

trigo

147

160

ferro

5.3

2.3

1.4

0.9

min.160kg max. 252kg

alla settimana (in 1/2 hta.) al mese ( in 1 hta.)

100kg

min.1377kg max. 2115 kg

25kg

per essicare

147

venta fresco

158

Foglie

estate

370

344

12 settembre

214

303

agosto

284

calcio

giugno

luglio

563

produzione tot.

maggio

600

magnesio

unitá per pianta

primavera

aprile

fosforo potassio

min.185kg max. 277kg

marzo

Farina = atole, acqua, pane, pasta, tortillas..

riso

febbraio

grano = 4$ al kg

mais

valori nutritivi minerali (mg/g n)

min.1477kg max. 2215kg

inverno

gennaio

amaranto

dicembre

Per raccolta anuale (in 1 hta.)

xxkg

min.xxxkg max. xxxkg

xxkg

Grano

autunno

ottobre

novembre

Amaranto. La raccolta.

per macinare

vendita soffiato

produzione tot.

quantitá per pianta

-Taglio -Trigliatura -Selezione: bucce, semi bana (non maturi), semi neri (quelite, della famiglia delle amarantacee) -Essiccazione (il grano arriva al magazzino con il 10-12% di umidità) -Macinazione o Tostatura (la tostatura toglie il 5% di umidità) E’ molto importante che per la fase di tostatura il grano abbia una quantità specifica minima di umidità per permettere la soffiatura del grano. In caso contrario il grano diviene troppo secco ed e´ necessario macinarlo. Nella zona esistono più di mille famiglie che piantano amaranto, da qui si può ottenere le foglie e il grano. Attualmente la foglia di amaranto viene usata come concime o come mangime. La raccolta del grano dell’amaranto si effettua nell’arco di tre mesi: da Ottobre a Dicembre; molto dipende dalla varietà e dalla

72 piante = fabbisogno annuo di verdura per 6 persone proteine presenti: 17% del peso !

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quantità d´acqua somministrata durante la raccolta. La farina di amaranto si usa per la preparazione di atole, acqua, pane, pasta, plumcake, tortillas, ecc. Nella cooperativa Quali si lavorano ogni anno 60tn di grano di amaranto soffiato.

ENERGIE RINNOVABILI

Oltre ad attrezzarsi ed informarsi a riguardo all’eolico e al fotovoltaico, Alternativas sta spingendo la diffusione sul territorio di piccoli forni solari per singole famiglie (Olla Solar). In particolare, stanno cercando di vendere alle famiglie un kit di cottura (riflettore + pentola doppio strato) il cui progetto è stato promosso dal “fondo mexicano para la conservacion de la naturaleza”. Pur avendo una buona efficienza, le famiglie faticano, però, ancora ad affrontare i costi di acquisto di tale forno.

3 DI APRILE 2008

Dopo aver pernottato nella casa degli ospiti di Alternativas, arriviamo agli uffici di “agua para siempre” dove ci aspetta Raul Hernandez per un colloquio. Per iniziare abbiamo brevemente accennato alla metodologia di lavoro che usiamo in Italia e che vorremmo proseguire durante il nostro lavoro di tesi. Lui ci spiega dei problemi che stanno incontrando nel diffondere i forni solari nelle comunità circostanti, e che stanno pianificando una strategia per ridurre di oltre la metà il prezzo degli stessi. Per raggiungere questo traguardo, hanno raggiunto accorsi con la casa produttrice che, in cambio di introiti minori, potrà ricevere feedback e schede dei risultati ottenuti durante l´utilizzo compilate dagli utenti stessi. Ci racconta anche che circa 20 anni fa, il governi indiano rifinanziò un progetto di diffusione di forni solari in alcune zone particolarmente colpite dalla deforestazione. Approfondendo le spiegazioni riguardanti gli obiettivi del nostro lavoro, Raul ci racconta che la stessa SlowFood, sta finanziando un importante progetto legato all’essiccazione di cacao in Tabasco, a seguito delle inondazioni che in Novembre devastarono una ampia parte delle regione. Ci fornisce un nominativo da contattare per informazioni più approfondite. Alma Rosa Ci scambiamo i rispettivi recapiti, e ci lasciamo con l´ipotesi di intraprendere un progetto di essiccazione solare delle foglie di amaranto.

RIUNIONE CON PÁNFILO EUGENIO MORALES

Nel pomeriggio ci rechiamo al colloquio con il responsabile della sezione di agricoltura della cooperativa. Approfittiamo dell’occasione per ottenere informazioni più approfondite sulla pianta dell’amaranto. Ci conferma che, attualmente, le foglie di amaranto sono utilizzate come mangime per gli animali e come concime per la terra. Hanno sperimentato che ogni pianta di amaranto può sopravvivere senza danni. al taglio di una quantità

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di foglie compresa tra le 2 e le 5 ogni 8-15 giorni. Secondo quanto raccontatoci, la miglior dinamica di raccolta delle foglie consisterebbe nel taglio di 3 foglie per pianta ogni 8 giorni. I periodi di raccolta delle foglie nella zona di Intonacante va da Giugno a Settembre; oltre questo periodo la qualità delle foglie è troppo scarsa per l´utilizzo alimentare umano. Ogni ettaro di terra può ospitare circa 10.000 piante, poste in triangolazione tra di loro. La somma di tutti i campi di cui si occupa la cooperativa ammonta a 120ha. Ogni ettaro, seguendo la forma di raccolta di cui sopra, arriva a produrre dai 1500 ai 2250 kg al mese, di foglie di amaranto. Si stima che di queste quantità, circa 100 kg al mese si possano sempre vendere freschi. Dato che l’appezzamento medio di una famiglia ammonta a circa ¼ - ½ - 1 ettaro e che la raccolta avverrebbe settimanalmente, tali quantità vanno riviste in relazione ad un processo di essiccazione settimanale. Ci consiglia di dimensionare il progetto ad una famiglia che possegga ½ ettaro di terreno. Per effettuare nostre prove di essiccazione con le foglie di amaranto, e dato che in questa stagione i loro campi non posseggono ancora piante di amaranto adulte, ci consiglia di recarci a cercarne dei campioni in altre regioni o da produttori in serra. In particolare ci fornisce i nomi di TULYEHUALCO e MILPALTA, vicini a D.F.. In alternativa è possibile cercare coltivazioni di piante facenti parte della sessa famiglia delle amarantacee: il QUINTONIL o il QUELITE. Al ritorno in Città del Messico ci attenderanno nuovi test direttamente focalizzati sul comportamento delle foglie di amaranto durante l’essiccazione

Tehuacan. Alla segreteria della cooperativa Alternativas.

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Taller de tecnologias solares. Lezione.

VIAGGIO A TEMIXCO, MORELOS “TALLER DE TECNOLOGIAS SOLARES” 22-25 APRILE 2008

Ad Aprile partecipiamo al corso di aggiornamento sulle tecnologie solari organizzato dalla CIE (Centro de Investigación de Energía) come parte del Programma di Educazione Continua, facente parte della UNAM. Il corso è principalmente indirizzato ai funzionari che lavorano nel settore energetico o ambientale pubblico, impresari, professori di scuole tecniche, ricercatori e tecnici dell’area solare, studenti e professionisti del settore, promotori e gestori sociali. Il corso di quattro giorni è composto da giornate organizzate meta giornata con una parte di attività teoriche a un altra parte di esperienze pratiche sia di carattere fotovoltaico, sia di carattere termico. Le lezioni teoriche hanno principalmente trattato temi quali: -introduzione sulle caratteristiche dell’energia solare (Agustin Munhlia) -installazioni fotovoltaiche -descrizione teorica dei sistemi fotovoltaici e metodi di fabbricazione dei pannelli -installazione dei sistemi convenzionali presenti nel mercato -energia fotovoltaica per l’estrazione d’acqua (Aaron Sanchez). -architettura passiva: uso termico del sole all’interno di un casa (David Morilon) -sistemi solari di riscaldamento di acqua. -sistema dei parametri che influenzano il rendimento di un sistema di conversione di energia termica (Isaac Pilatowsky, Octavio

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Garcia, Daniel Garcia) -la radiazione solare: metodi di calcolo diretto (strumentazione) e indiretto (approssimazioni matematiche) dei valori della radiazione. -consultazione dei database per la consultazione dei dati di radiazione di una zona in particolare (Vicente Estrada) Nella sezione rispettiva delle pratiche sono stati realizzate le seguenti esperienze: -tecniche di misura e valutazione della radiazione solare: approfondimento sull’attrezzatura esistente per il calcolo in situ della quantità di radiazione. sistemi fotovoltaici: dimensionamento di un’installazione di estrazione di acqua con pannelli fotovoltaici amorfi e cristallini calcolo del punto di massima potenza di un modulo fotovoltaico Il concetto del punto di massima potenza ci ha suscitato speciale interesse, proprio perché ricalcava il tema del conflitto tra concentrare radiazione o trasmettere calore per poi concentrarlo.

Taller de tecnologias solares. Esercitazione.

tensione (V)

0.35 0.3 0.25 0.2

PMMA

0.15 0.1 0.05 0

intensitá (mA) 0

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Un’altra tra le esperienze compiute è stata quella relativa alla comparazione di due sistemi di riscaldamento di acqua calda sanitaria. Durante il calcolo della quantità di radiazione solare che incideva sui captatori dei due sistemi abbiamo usato un metodo matematico molto preciso per poi semplificare la curva reale di radiazione in una parabola ideale di secondo grado. Al momento di utilizzare le misurazioni per disegnare la curva, ci siamo resi conto che, in effetti, non c’era bisogno di fare calcoli tanto precisi: con tolleranze molto più grandi e frequenze di misurazioni più larghe, il risultato sarebbe stato praticamente lo stesso. Sarà utile tenere conto di questo aspetto nell’organizzazione del lavoro analitico con i nostri forni ed essiccatore.

1200

800 600 400 200 09

Irradianza Solare [W/m2]

1000

y = -18652x2 + 19988x -4405 (fattore di approsimazione R2: 0995)

ore 10

Taller de tecnologias solares. Apparecchi della UNAM. Piranometri; concentratore solare; essiccatore.

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ESSICCATORE DI RISO

Tra le installazioni presenti nel centro di ricerca di Temixco, quello che ci ha suscitato più interesse sono è stato un essiccatore di riso. Isaac Pilatowsky è il responsabile di questo progetto insieme a vari dottorandi che stanno realizzando la fase di ricerca applicata. Questo essiccatore, ha la capacità di asciugare 250 kg di riso per ciclo (anche se il progetto comprende aumentarlo fino a 500 kg). L’umidità iniziale del riso è attorno al 28%: Pilatowsky ci spiega che l’eliminazione del primo 4% di umidità non costituisce un problema, ma quando l’umidità del riso raggiunge il valore del 24% iniziano i problemi. Tutta l’acqua che all’interno dei

Taller de tecnologias solares. Distillatori.

Taller de tecnologias solares. L’essiccatore di riso.

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L’essiccatore di riso. Interno della macchina e mostra di riso in essiccazione.

chicchi si trova nelle cellule, condizione che rande il processo di essiccazione notevolmente più arduo. Il valore finale di umidità deve essere nel rango del 12-13%. La macchina basa il suo funzionamento sul ciclo combinato di acqua e aria calda, con il supporto di una ventola che crea un flusso d’aria di 2-4 m/s nella sezione di seccato. Durante le ore di alto irraggiamento solare il circuito ad aria calda è quello che fa funzionare il sistema, mentre nel resto delle ore entra in gioco il sistema termico ad acqua. Il circuito di acqua calda conta su 10 metri quadri di area di captazione della radiazione, collegate ad un deposito che mantiene minimizza l’abbassamento di temperatura dell’acqua per poterla poi usare per garantire un funzionamento uniforme dell’essiccatore durante tutto il ciclo delle 24 ore. Dal deposito di acqua calda esce il circuito che giunge allo scambiatore di calore, grazie al quale il flusso d’aria forzata può scaldarsi prima di raggiungere il prodotto da seccare. La

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scelta del motore collegato all’aspiratore di aria è stato un punto progettuale critico dato che per i contadini messicani è molto difficile reperire un motore creato per applicazioni fotovoltaiche, e ancora più difficile poterlo riparare in caso di guasto. Loro stanno provando vari motori presenti sul mercato locale per poi regolare i parametri del flusso elettrico di entrata ed ottimizzarli per un uso fotovoltaico. Nelle ricerche fatte fino ad ora, sono riusciti a passare dal motore delle prove iniziali a 45 Ampere/ora da 48 V ad un motore di 10 Ampere/ora da 24 V, lasciando pienamente soddisfatti i requisiti di flusso d’aria. Una volta definiti i parametri di umidità del prodotto finale, e dimensionata la macchina, hanno realizzato le prove di capacità della macchina. Tra le esperienze più significative, quella del calcolo dell’altezza massima dello strato di riso che l’aria possa attraversare senza influire sulla velocità di essiccazione. Le loro prove hanno mostrato che la sua macchina è capace a asciugare strati di riso di uno spessore massimo di 8 cm senza produrre cambiamenti significativi di efficienza. Oltre al riso, stanno provando a essiccare altri prodotti, e realizzando le prove di per definire i parametri di essiccazione di ogni prodotto. Pilatowsky ci spiega l’importanza della temperatura di essiccazione, che, se mal calibrata può bruciare il prodotto o, come nel caso del riso, di cristallizzarlo nel caso in cui superi i 40 gradi. Le temperature ottimali variano di prodotto in prodotto: quella del mango è di 50 C° circa.

L’essiccatore di riso. Schema funzionamento.

e¯ e¯ e¯ e¯ e¯ e¯ e¯ e¯ Aria Calda

Energia Elettrica

scambiatore

Acqua Calda

ventola

Vasoi d

i riso

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Dopo un viaggio di ricerca a Tehuacan presso “Qualli”, cooperativa operante nel settore agricolo e della salvaguardia del sistema idrico locale, abbiamo iniziato a pensare all’opportunità di orientare la nostra attenzione progettuale sull’essiccazione delle foglie di amaranto. L’amaranto è un cereale dalle importanti caratteristiche nutritive, impreziosite dal fatto che i suoi principi nutritivi si integrano con le lacune della tipica dieta-base delle zone più povere del Messico a base di mais e fagioli. Oltre a sfruttarne la spiga, l’amaranto offre la possibilità di utilizzare le sue foglie come integratore alimentare insapore. La grande disponibilità di foglie rende interessante per le comunità agricole la possibilità di essiccarle, conservarle, venderle e poterle consumare per tutto l’anno.

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

AMARANTO produzione di foglie

IL CONTADINO ripartizione terreni

1/4 hta.

LA RACCOLTA

1/2 hta.

10.000 piante possono crescere qui

40%

riso

trigo

284

214

370

calcio

303

158

magnesio

344

147

160

ferro

5.3

2.3

1.4

0.9

12 settembre

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100kg

alla settimana (in 1/2 hta.) al mese ( in 1 hta.)

agosto

25kg

min.1377kg max. 2115 kg

estate

luglio

Foglie

min.160kg max. 252kg

giugno

min.185kg max. 277kg

maggio

per essicare

563

venta fresco

600

produzione tot.

fosforo

unitá per pianta

primavera

aprile

Farina = atole, acqua, pane, pasta, tortillas..

potassio

febbraio

marzo

grano = 4$ al kg

mais

valori nutritivi minerali (mg/g n)

min.1477kg max. 2215kg

inverno

gennaio

amaranto

dicembre

Per raccolta anuale (in 1 hta.)

meida 625kg

60-100 gr.

Grano

autunno

ottobre

60%

rendimento di 625 kg di grano

per macinare

vendita soffiato

produzione tot.

quantitá per pianta

la pianta

novembre

1 hta.

72 piante = fabbisogno annuo di verdura per 6 persone proteine presenti: 17% del peso !

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10 Esperi CAPITOLO

enza nei laborato ri DISEGNO INDUSTRIALE

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ESPERIENZA NEI LABORATORI

Una volta creato un quadro generale sulle necessità energetiche delle principali realtà messicane, iniziamo a sperimentare in laboratorio i fenomeni fisici che riteniamo interessante conoscere meglio per intraprendere la progettazione di nuove macchine solari.

10 307 313 318 328

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LE CURVE DI ESSICAZIONE FERMENTAZIONE DEL CACAO LE PROVE DI OTTICA TAVOLE ALLEGATE

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LE CURVE DI ESSICCAZIONE LE CURVE DEL CACAO

I primi test relativi all’essiccazione che abbiamo effettuato hanno riguardato il cacao. Tornati dal Tabasco, abbiamo utilizzato alcuni campioni di questo frutto per effettuare test di simulazione dell’essiccazione nel “Laboratorio di Peliculas Delagadas” dell’Università Iberoamericana. Lo scopo di questo processo è capire la velocità di essiccazione del cacao e, soprattutto, capire qual sia la soglia di umidità alla quale dovremo fermare il processo di essiccazione. Lquesta soglia ideale è il punto in cui è inutile proseguire con l’essiccazione, dato che il seme, raggiunta una certa percentuale di umidità, si stabilizza in peso e grado si umidità. Inoltre, abbiamo due tipi di cacao da seccare e comparare. Il cacao Criollo e il cacao convenzionale, quest’ultimo un ibrido selezionato con gli anni per ottimizzare la sua produzione. Attualmente in Tabasco solo una minima percentuale è rappresentata dal cacao Criollo, una varietà di cacao simile a quella coltivata in periodo preispanico estremamente apprezzata sul mercato europeo, grazie alle sue uniche caratteristiche aromatico-gustative. Specifichiamo che i risultati del laboratorio sono stati effettuati con fave di cacao non fermentate, quando invece il 10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 307

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Essiccazione cacao. I semi; l’estrazione dal frutto; lavaggio; controllo del peso.

processo di lavorazione prevede una lunga fermentazione (come spiegato nel capitolo dedicato alla fermentazione). Per questo motivo potrebbero esserci delle differenze tra le nostre analisi e le prove di seccato degli stessi prodotti previamente fermentati. l nostro simulatore è costituito da una cabina isolata dall’ambiente esterno attraversata da un flusso d’aria controllabile. Il prodotto è disposto su un piano in modo che il suo volume non ne copra più del 70% e viene seccato dal calore prodotto da lampade di cui è possibile controllare il potere luminoso e, di conseguenza, la temperatura che producono. Il flusso d’aria controllato era di 1,2 m/s, e la temperatura prodotta dalle lampade di 45-50 C°.

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Essiccazioe cacao. Controllo peso del campione nell’essiccatore in laboratorio.

Le due varietà sono state introdotte alla macchina per 25 ore consecutive nelle quali si sono realizzate le misure di peso su un campione di 100 grammi. La distanza tra le pesate era inizialmente di 2 minuti e, con il seccarsi dei semi, abbiamo dilatato questo periodo fino ad arrivare ad intervalli di un’ora. Complessivamente sono stati introdotti nel simulatore di essiccazione 400 grammi di cacao per avere le condizioni ambientali necessarie ad una misurazione corretta. I risultati delle nostre analisi di laboratorio indicano che il cacao Criollo è molto più difficile essiccare per due motivi. Il primo è che l’umidità del cacao Criollo è del 15% più alta al momento della raccolta rispetto a quella del il cacao comune. Il secondo motivo è rappresentato dall’inferiore velocità di esseccazione del Criollo, del 20% inferiore rispetto rispetto alle fave comuni. La somma di questi due fenomeni comporta tempi di essiccazione maggiori per il cacao Criollo: il 23% maggiori del cacao convenzionale per raggiungere la massa secca. Nel grafico della Velocitá di essiccazione contro l’Umiditá a base secca, possiamo osservare come il cacao convenzionale rilasci facilmente l’umidità iniziale estratta nelle prime fasi del processo. Il cacao Criollo, invece, mostra una resistenza costante al rilascio di umidità. Dopo aver affrontato il tema dell’essiccazione del cacao, abbiamo spostato la nostra attenzione sulla possibilità di essiccare prodotti differenti. Inizieremo con la frutta fino ad incontrare un settore applicativo molto singolare ma dalle interessanti prospettive: quello dell’essiccazione delle foglie di amaranto. 10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 309

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Essiccazione banane. Prove per le curve di essiccazione in laboratorio.

Essiccazione banane. Controllo peso del campione prima del procedimento.

ATRE CURVE DI ESSICCAZIONE

Per mettere in pratica i fondamenti delle lezioni del prof.Finck sui principi dell’essiccazione, spostiamo sulla nostra terrazza-laboratorio il nostro essiccatore e cerchiamo di capire come iniziare nuovi test che possano apportare altri stimoli al nostro percorso. Prima di iniziare qualunque attività dobbiamo renderci conto dell’entità del processo che andiamo ad affrontare. Come capito durante le prove in laboratorio con il cacao, il peso del prodotto che andremo a seccare dovrà scendere fino al valore della sua massa secca, livello che non dovremo oltrepassare per non guastare la qualità del prodotto finito. Per questo motivo decidiamo di tornare in laboratorio per

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simulare l’essiccazione della banana, il prodotto che abbiamo deciso di utilizzare per testare il nostro essiccatore solare. Una volta conosciuta la perdita di peso che dovremo raggiungere e apprezzata la curva di essiccazione ricavata, potremo ripetere l’essiccazione della banana con il nostro apparecchio solare. Le curve di seccato di un prodotto dipendono da: -il materiale che lo costituisce -il grado di maturità -la forma e la quantità delle porzioni che si intendono seccar ogni volta -il modo in cui si dispone il prodotto all’interno dell’essiccatore -il modo in cui l’aria entra in contatto con il prodotto

Essiccazione banane. Interno essiccatore.

Essiccazione banane. Campione in essiccazione.

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Quanto maggiore sarà l’area del prodotto da seccare a contatto con il flusso d’aria in relazione al suo volume, tanto più rapido sarà il suo processo di essiccazione. Anche il volume delle parti di prodotto influisce sul tempo di essiccazione per quanto riguarda la superficie che il calore deve percorrere per diffondersi attorno al corpo. Dalle curve ricavate apprezziamo immediatamente che il prodotto, 200 grammi di banana tipo macho, è costituito da circa il 70% di massa umida e dal 30% di massa secca. Il suo peso si è ridotto considerevolmente ad inizio processo, e la curva di essiccazione ricavata diminuisce drasticamente la sua pendenza dopo un terzo della durata dell’essiccazione. Essiccazione banane. Taglio del prodotto, un procedimento importante che influenza i tempi di essiccazione.

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FERMENTAZIONE DEL CACAO INTRODUZIONE ED ESPERIMENTI

Dopo la visita in Tabasco ad alcuni stabilimenti della lavorazione del cacao e dopo aver constatato quanto lavoro fosse dedicato al processo di fermentazione dei semi, ci siamo chiesti a cosa effettivamente servisse sottoporre tali quantità di semi ad un processo così lungo. Le risposte raccolte in Tabasco erano spesso contraddittorie e poco convincenti, ragion per cui, una volta tornati in Città del Messico abbiamo iniziato una lavoro di documentazione sulla fermentazione, ed in particolare su quella del cacao. In questa fase abbiamo potuto contare sulla ben fornita biblioteca dell’Universidad Iberoamericana e sul supporto della professoressa Ruth Pedrosa. La maggior parte dei testi studiati riportavano che nelle filiere di lavorazione di cacao il processo era sempre

Fermentazione. Prove casalinghe di fermentazione e la cella termoregolata.

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superficie interno

durata (ore)

50 45 40

120

150

115 kg 90

120

150

durata (ore)

35 30

10 kg

temperature (C°)

45 mescolamento

mescolamento

temperature (C°)

Fermentazione. Il processo e la temperatura.

275 kg 90

120

150

40 35

2.000 kg 90

120

150

assolutamente presente e, anzi, considerato fondamentale. Le tecniche di fermentazione principali erano due: in grandi mucchi preferibilmente avvolti di foglie di banano (tecnica diffusa soprattuto negli stati africani) o all’interno di casse di legno. Numerosi studi sulla fermentazione sono stati svolti dagli anni’50 e sottolineano come, per dar via ad un processo di fermentazione, sia necessaria la presenza nell’ambiente e sul prodotto di alcuni batteri responsabili proprio dell’avvio di questo processo. E’ interessante notare come le foglie di banano abbiano praticamente il solo scopo di “infettare” i semi da fermentare. Allo stesso modo, alcuni dei testi presi in analisi spiegavano che la fermentazione in casse è molto più difficile che abbia inizio quando le casse sono nuove e, quindi, prive dei batteri rimasti dalla fermentazione precedenti. La fermentazione è un processo estremamente complesso, ma sfruttato fin dall’antichità attraverso la sola esperienza ed operazioni di cui non si conosceva la reale motivazione. Le culture preispaniche utilizzavano il cacao come base di bibite di bibite energetiche a cui, spesso si aggiungeva farina di mais a creare il pozol. Il cacao, in Europa, è banalmente utilizzato come ingrediente del cioccolato ma, di base è un alimento estremamente energetico e con una tradizione alimentare ben più antica e profonda. Non a caso era chiamato l’alimento degli dei! A testimoniare il grande valore attribuito al cacao dalle popolazione preispaniche, molte di esse utilizzavano le fave come moneta per le operazioni commerciali. Proseguendo con la ricerca, alcuni testi sottolineavano la necessità di processare il cacao in grandi quantità perché, altrimenti, non si sarebbe sviluppata la temperatura necessaria a portare a termine la trasformazione dei semi. Avendo portato con noi alcune mazorche di cacao, abbiamo pensato di aprirle per tentare di fermentare i semi. Comprate delle foglie di banane al mercato (in Messico sono utilizzate per avvolgere durante la cottura la farina di mais dei tamales) vi ci abbiamo avvolto le fave di cacao e tentato di dar via alla fermentazione. Passato qualche giorno, le fave di cacao non accennavano minimamente a fermentare o ad aumentare d temperatura, ma anzi, un peloso strato di muffa stava iniziando a ricoprire i mucchietti di semi. Chiediamo una nuova consulenza alla professoressa Ruth Pedrosa che, estremamente divertita dai nostri particolari

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esperimenti, ci accompagna al laboratorio di un suo collega che si occupa di alimentazione: il prof. Rùben Moreno. Osservati i semi, ci spiega che all’interno delle foglie di banano, al posto che iniziare il processo di fermentazione, ha preso il sopravvento una colonia di muffe. Capiamo così che, in effetti, la fermentazione è un processo regolato da numerosi ed estremamente delicati equilibri. Moreno ci consiglia di provare ad uccidere le muffe lasciando le fave di cacao in un ambiente riscaldato a 40 C°. Intraprendiamo l’operazione, ma ormai, per i nostri semi di cacao era troppo tardi. L’esperimento fallisce. Ci rendiamo conto di aspetti molto importanti: l’accorgimento di mettere a contatto i semi con i batteri che possano iniziare il processo di fermentazione e processare grandi quantità di prodotto per raggiungere temperatura sufficientemente alte da non permettere alle muffe di sopravvivere tra le fave di cacao, sono parti essenziali del processo, senza le quali la fermentazione sarebbe impossibile.

LE FASI DELLA FERMENTAZIONE

Ricostruiamo schematicamente i passaggi fondamentali (conosciuti) della fermentazione del cacao. Le fave di cacao sono poste a fermentare in grandi quantità all’interno di casse o in mucchi avvolti da foglie di banane. Le fave ricoperte dalla cosiddetta “bava”: la polpa del frutto del cacao che è principalmente composta da zuccheri (saccarosio, glucosio, fruttosio, pentosio), acido citrico e acqua. Grazie al contatto con le mani dei lavoratori, con l’ambiente ed i recipienti di fermentazione, una grande quantità di lievi, batteri e funghi si trasferiscono nella bava dei semi. Le caratteristiche della composizione della bava favoriscono l’innesco di due fondamentali reazioni: la fermentazione alcolica e la fermentazione lattica degli zuccheri. La fermentazione alcolica degli zuccheri provocata dai lieviti (come il saccharomyces cerevisiae) è favorito dalla presenza di grandi quantità di acqua e acido citrico nella bava. Gli zuccheri vengono trasformati in etanolo, il responsabile del caratteristico odore acre della fermentazione. La fermentazione lattica degli zuccheri è invece, un processo provocato dai batteri acidolattici della bava che, aiutata dalla presenza di acqua, trasforma gli zuccheri in acido lattico. Entrambi i processi (di cui la fermentazione alcolica è il prevalente), avvengono con bassa presenza di ossigeno, provocano l’innalzamento della temperatura dei mucchi di fave di cacao ed una continua perdita di acqua. Già al secondo giorno la presenza di etanolo è consistente e, coadiuvata dall’innalzamento di temperatura, uccide le colonie di funghi presenti nella bava, operando una selezione dei processi che possono avere luogo durante la fermentazione. La grande presenza di acidi ed etanolo provoca la rottura delle cellule della bava che aumenta la circolazione di aria e acqua tra i semi. La maggior presenza di ossigeno favorirà, così, lo svolgimento di differenti processi di fermentazione. In particolare, 10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 315

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la grande disponibilità di etanolo e di ossigeno danno via alla seconda fase della fermentazione, guidata da differenti processi. L’ossidazione acetica batterica dell’etanolo è il principale processo di questa nuova fase. È guidata dalla presenza di batteri acetofili che trasformano l’etanolo in acido acetico. Lo stesso processo è anche replicato da alcuni enzimi presenti nella bava dei semi. Contemporaneamente l’ossidazione lattica dell’etanolo provoca la trasformazione dell’etanolo in acido lattico per la presenza di ossigeno.

AG E R

TI EN

Fermentazione. Cosa avviene nel chicco del cacao.

I RN

enzimi

t acidi TE R NI

oa c

ia an to c

temperatura

ni na

35° 40°

Proteina

INIZIO

Grassi

(cristalli di cacao)

Purina

Amidi enzimi

(composto organico)

acidi

35° 40°

temperatura

volatili (composti organici aromatici)

proteina Glicerol (alcol)

proteina modificada

acidi grassi liberi (molecole organiche)

teobromina (composti organici eccitanti)

acidi grassi volatili (molecole organiche)

PROCESSO

glicerolo reazione maillard

polifenoli

zuccheri antocianina

An to c

ia Ca ni te na ne co p n rot zu e cc ich Ca he e te n ri co e p n po rote lif ich en e ol Ac i id ig ra ss Ca i li be te ne ri pr ot eic Am he ino ac idi Ca ten liber i a co pro n g te lic ica ero l Teo bro mi na Com p. o rg. vol atil i Aci di g rass i vo lati li

FINE

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09/09/2008 23:50:43

Ruth Pedrosa. Il nostro gruppo con la nutrizionista Ruth Pedrosa all’universitá UIA.

Attorno al terzo giorno la temperatura dei semi arriva ad alzarsi fino ai 50 C° e l’etanolo arriva a scomparire perché trasformato in acido acetico. Questo ha delle importanti conseguenze sul sistema: gli acidi sono ormai in grado di penetrare nei semi e, coadiuvati dall’alta temperatura ne provocano la morte. La morte del seme è il passaggio che avrà ricadute più importanti sulle qualità organolettiche del prodotto finito. La morte del seme provoca la rottura delle cellule di cui è composto ed un’omogeneizzazione delle sostanze al loro interno. Sono due i tipi di cellule presenti nelle fave di cacao: cellule con pigmento e cellule di riserva. Le prime in prevalenza composte da polifenoli e purina (un composto organico aromatico estremamente importante per la costituzione del tipico sapore del cacao). Le seconde costituite da proteine, enzimi, amidi e cristalli di burro di cacao (l’ingrediente fondamentale del cioccolato). Quest’ultima fase è caratterizzata da una enorme complessità ed un sovrapporsi di reazioni molecolari, molte delle quali ancora sconosciute. Principalmente l’antocianina si slega dalle catene proteiche del cacao causando il caratteristico colore scuro del cacao fermentato. Le stesse catene proteiche iniziano ad allungarsi perdendo la loro forma elicoidale e permettendo ad altre sostanze di attaccarsi ad esse. Gli enzimi e gli acidi distruggono molti dei legami iniziali tra sostanze: i grassi si slegano creando molecole organiche volatili (odore e sapore) e gliceroli liberi che potranno connettersi alle catene proteiche. Gli amidi sono divisi dagli enzimi in zuccheri, influenzando il sapore del cacao e connettendosi anch’essi alle catene proteiche. Anche la teobromina viene scissa dagli enzimi liberando il suo potenziale olfattivo nei semi. I polifenoli delle cellule con pigmento possono legarsi alle catene proteiche e contribuire alla formazione dei precursori di gusto e odore del cacao. Tutto il processo di fermentazione non fa altro che creare all’interno dei semi di cacao i cosiddetti precursori del gusto e dell’odore, sostanze e composti che possiedono le qualità organolettiche del cacao ma che ancora non sono “attivate”. Assaggiando i semi di cacao fermentati e seccati si può appena percepire il sapore del cacao. Per questo i semi devono poi essere sottoposti a tostatura, che attiverà tutti i precursori di gusto e sapore per dare luogo al tipico aroma del prodotto finito. 10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 317

Use the sun 2.indb 317

10/09/2008 00:05:17

Lezione di ottica. Il fisico Enrique Sanchez ci spiega alcuni principi fondamentali di ottica.

LE PROVE DI OTTICA I NOSTRI TEST

Costruiti i prototipi di nuovi forni solari, cerchiamo di testare il loro comportamento per ciĂ˛ che riguarda le riflessioni della radiazione solare incidente sulle loro superfici. Lâ&#x20AC;&#x2122;universidad Iberoamericana ci mette a disposizione un laboratorio di ottica e noi proviamo a simulare le riflessioni dei raggi solari ed i loro comportamenti nelle interazioni con le superfici riflettenti dei forni. I raggi solari sono un fascio di radiazione praticamente Prove di ottica. Simulazione dei raggi solari puntiformi e paralleli.

318 _ESPERIENZA NEI LABORATORI_10

Use the sun 2.indb 318

10/09/2008 00:05:21

paralleli tra loro. Per tentare di simulare le caratteristiche ottiche dei raggi usiamo 4 proiettori laser che emettono ciascuno quattro fasci. Incontriamo subito un problema: i fasci, quando incidono perpendicolarmente su una superficie, tracciano quattro segmenti distinti e, sommando il risultato dei sedici fasci, otteniamo troppa confusione nelle riflessioni. Decidiamo, quindi, di schermare i proiettori laser in modo che traccino semplici punti e non segmenti. Disponiamo i quattro proiettori parallelamente in modo che i raggi proiettati disegnino i lati di un quadrato. A questo punto prima di procedere con la rilevazione dei comportamenti ottici delle riflessioni, dobbiamo trovare un metodo

Prove di ottica. Simulazione dei raggi solari puntiformi e paralleli.

10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 319

Use the sun 2.indb 319

10/09/2008 00:05:23

Prove di ottica. Simulazione del fumo per rendere visibili i raggi del laser; ghiaccio secco e idrogeno liquido.

Prove di ottica. Il fumo prima di scattare una foto.

adeguato a rendere visibili queste riflessioni, non solo a occhio nudo ma anche all’obiettivo di una macchina fotografica. Proviamo con del semplice fumo. La soluzione non si rivela soddisfacente perché il fumo delle sigarette, non è abbastanza denso e svanisce troppo presto. In mancanza di ghiaccio secco, facciamo una prova l’azoto liquido fornitoci dal prof. Alberto Quesada, del dipartimento di nutrizione dell’università. Il metodo funziona, ma data la pericolosità di questa sostanza ed il suo alto costo, decidiamo di rimandare l’esperimento a quando disporremo di ghiaccio secco. Il giorno seguente torniamo all’università con del ghiaccio

320 _ESPERIENZA NEI LABORATORI_10

Use the sun 2.indb 320

10/09/2008 00:05:27

secco e otteniamo risultati simili a quelli ottenuto con l’azoto liquido: è ciò che volevamo! Possiamo procedere con gli esperimenti e la registrazione dei comportamenti delle riflessioni sui quattro forni. La difficoltà che sorge a questo punto è la nostra incapacità di indirizzare il fumo del ghiaccio secco al momento opportuno e nella zona giusta per rivelare i raggi laser e fotografarli!

La Hotpot

Riflette la totalità dei raggi nella zona in cui troviamo la parte superiore della pentola. Conclusione: il fatto che i raggi riflessi riscaldino la parte superiore della pentola è negativo: per scaldare la parte inferiore dove effettivamente è presente il cibo è, quindi, necessario affidarsi al solo effetto di conduzione del calore nel corpo della pentola; inoltre, senza un’adeguata protezione, l’inerzia termica della pentola è molto bassa e più vulnerabile proprio nel punto in cui riceve il calore. In altre parole, la parte superiore, che è quella che si scalda di più, è anche la più esposta ad eventuali spostamenti d’aria che la raffreddano e riducono l’intera efficienza del forno. Questi si sommano ad altri problemi riscontrati durante le prove sul campo che spiegano il basso rendimento della Hotpot nei nostri esperimenti.

Prove di ottica. Schema procedimento di lavoro.

Prove di ottica. Hot Pot

10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 321

Use the sun 2.indb 321

10/09/2008 00:05:28

Prove di ottica. Dodecaedro.

Il Dodecaedro

Riflette una gran quantità di raggi, la sua superficie di captazione è maggior rispetto agli altri forni e le riflessioni vanno ad incidere su tutta la superficie laterale della pentola. Conclusione: riflettendo la radiazione sulla parte laterale della pentola, andiamo ad agire sul materiale direttamente a contatto col cibo, ottimizzando l’efficienza del riscaldamento. Il calore esegue dei movimenti naturali tendendo a salire verso l’alto, e riscalda più facilmente l’intera pentola.

322 _ESPERIENZA NEI LABORATORI_10

Use the sun 2.indb 322

10/09/2008 00:05:30

10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 323

Use the sun 2.indb 323

10/09/2008 00:05:33

Prove di ottica. Cubo.

Il Cubo

Produce delle riflessioni multiple che alla fine costringono i raggi ad entrare nel cubo isolato in cui risiede la pentola. Conclusione: il rendimento del cubo è sempre abbastanza basso (anche se protegge la pentola da cambiamenti di temperatura esterna con una buona inerzia termica) perché raramente è in grado di sfruttare contemporaneamente la radiazione diretta e quella indiretta. In altre parole l’angolo di aperture dei 4 riflettori superiori è in grado di veicolare la radiazione al suo interno quando questa è parallela al suo asse centrale. Non appena la radiazione arriva con un angolo d’incidenza più elevato questi vengono in gran parte riflessi fuori dal forno. Inoltre succede spesso che i raggi perdano il loro potere riscaldante a causa del percorso troppo lungo prima di incontrare la pentola.

324 _ESPERIENZA NEI LABORATORI_10

Use the sun 2.indb 324

10/09/2008 00:05:35

10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 325

Use the sun 2.indb 325

10/09/2008 00:05:38

Prove di ottica. Cono.

Il Cono

Riflette la totalità dei raggi nella zona centrale interna all’area contenuta dal suo volume. Conclusione: il cono sfrutta in modo quasi ottimale tutta la sua superficie di captazione. I raggi riflessi incidono sulla totalità della superficie della pentola, anche nella parte inferiore, e questa caratteristica è molto importante per riscaldare il cibo perché il calore compie un percorso naturale dal basso verso l’alto. Una parte dei raggi finisce comunque sul coperchio della pentola abbassando il potenziale rendimento del forno. Inoltre, con la sua forma, il cono protegge la pentola da gli spostamenti di aria che provocano raffreddamenti, trovando una soluzione a metà strada tra il Cubo e la Hotpot.

326 _ESPERIENZA NEI LABORATORI_10

Use the sun 2.indb 326

10/09/2008 00:05:40

10_ESPERIENZA NEI LABORATORI_ 327

Use the sun 2.indb 327

10/09/2008 00:05:44

Cercando nuove aperture e applicazioni al lavoro che abbiamo intrapreso, ci siamo imbattuti in un progetto riguardante lâ&#x20AC;&#x2122;introduzione di macchine solari nella filiera di lavorazione del cacao nella regione del Tabasco. Questa serie di tavole testimoniano il lavoro di ricerca svolto in quel periodo per valutare rischi e prospettive di un simile focus progettuale.

Use the sun 2.indb 328

10/09/2008 00:05:44

POLITECNICO DI TORINO - UIA Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Facoltà di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

CACAO pianta, frutto, fava

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

a cci u B o erne t n I m se

ide s s i) o cab 0 sem 4 02 e

va Ba

tie n o c

(

sc gu

nto e stim ir ve erno int

nta e c la

p e sembava con va ba

Use the sun 2.indb 329

10/09/2008 00:05:49

Qui abbiamo schematizzato l’attuale filiera della lavorazione del cacao in Tabasco. Ogni step comporta un’eliminazione ed una conseguente perdita di peso del prodotto finale. Essiccazione e tostatura sono i 2 processi in cui abbiamo pensato di introdurre tecnologie solari, e che ora vengono usualmente svolti con l’ausilio di energia elettrica o fossile. Se svolta in modo interamente sostenibile, l’intera filiera godrebbe di un grande vantaggio in termini di qualità percepita e posizionamento sul mercato.

Use the sun 2.indb 330

10/09/2008 00:05:49

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DISEGNO INDUSTRIALE

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

CACAO lavorazione & perdita di peso

LA PERDITA DEL PESO DEL CACAO ogni step provoca una diminuzione del prodotto finito

in cao bava a C

EVAPORAZIONE

fermenta to

ETILENO

100 gr

30% 70 gr

ACQUA

m e s e cc o Se

30%

ACIDO ACETICO

e se

lezion a to

40 gr

4% 36 gr me tostato Se PACHITA

2% 34 gr me pelato Se

BUCCIA

4% 30 gr e em

macin at

POLVERE

0.7%

CADUTA

Use the sun 2.indb 331

30 gr

10/09/2008 00:06:10

Al fine di comprendere il comportamento del cacao durante l’essiccazione, ne abbiamo riprodotto in laboratorio le condizioni di essicamento utilizzando un forno elettrico costruito a questo scopo. La progressiva perdita d’acqua è stata misurata attraverso pesate effettuate con regolarità sui campioni dei semi utilizzati per i test.

Use the sun 2.indb 332

10/09/2008 00:06:10

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DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

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Studenti:

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

CURVE DI ESSICAZIONE 1: essicazione cacao comune

ESPERIMENTO 1 condizioni

Tipo cacao: COMUNE Data misurazioni: 20/21-02-08 Agricoltore: Domingo, Leticia Risultato:

temperatura: 45°C

massa secca 45,2 g

campione:

H2O 54,8g

100g cacao

flusso aria: 1,2 m/s

riduzione peso: 54,80%

120 100 80 60 40 20 0 0

umidità base secca (x%)

peso campione (g)

misurazioni in base al tempo

140

UMIDITÁ IN BASE SECCA:

120

percentuale di acqua presente nel campione in relazione alla sua massa secca

100 80 60

40 20 0

100 80

x2 - x1 t2 - t 1

40 20 0

m: massa del campione ms: massa del campione dopo l’essicazione

tempo (ore) umidità base umida (M%)

velocità di essicazione (% umiditá / hore)

tempo (ore)

m - ms ·100 ms

UMIDITÁ IN BASE UMIDA:

percentuale di acqua presente nel campione rispetto alla massa secca.

40 30

m - ms ·100 M= m

20 10

m: massa del campione ms: massa del campione dopo l’essicazione

tempo (ore)

diminuzione in rapporto alla velocità di essicameto

100 x critica

inizio

70 60 50 40 30 20 10

v = costante = efficienza ottimale

fine essicamento bava

la velocità di essicamento decade

velocità di essicazione (% umiditá persa / ore)

0 0

100

120

umidità base secca (x%)

Use the sun 2.indb 333

10/09/2008 00:06:13

Pur avendo individuato una curva media “morbida” della perdità di umidità del prodotto, vedremo come, in realtà, l’acqua sia evaporata in modo irregolare. Questo è probabilmente dovuto all’improvvisa apertura e chiusura dei pori del seme di cacao durante il processo di essiccazione. Osservando le curve, notiamo che il livello di H20 presente nel cacao criollo é del 15% maggiore rispetto a quello ordinario. Per questa ragione sono necessari maggiori tempi di essiccazione. Possiamo anche apprezzare che la velocitá di perdita di acqua é del 20% inferiore nel cacao criollo. Questo rallenta ulteriormente i suoi tempi di essiccazione nella realtà.

Use the sun 2.indb 334

10/09/2008 00:06:13

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applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

CURVE DI ESSICAZIONE 2: essicazione cacao crioyo “La Joya”

ESPERIMENTO 2 condizioni

Tipo cacao: CRIOLLO Data misurazioni: 22/23-02-08 Agricoltore: La Joya Risultato:

temperatura: 45°C

massa secca 40,2 g campione:

H2O 59,8g

100g cacao

flusso aria: 1,2 m/s

riduzione peso: 59,80%

100 80 60 40 20 0

velocità di essicazione (% umiditá / hore)

x2 - x1 t2 - t 1

tempo (ore)

80 70 60 50 40 30 20 10 0

umidità base secca (x%)

120

umidità base umida (M%)

peso campione (g)

misurazioni in base al tempo 160 140 120 100 80 60 40 20 0

UMIDITÁ IN BASE SECCA: percentuale di acqua presente nel campione in relazione alla sua massa secca

x= 0

m - ms ·100 ms

m: massa del campione ms: massa del campione dopo l’essicazione

tempo (ore)

70 60

UMIDITÁ IN BASE UMIDA:

percentuale di acqua presente nel campione rispetto alla massa secca.

40 30

m - ms ·100 M= m

20 10

m: massa del campione ms: massa del campione dopo l’essicazione

tempo (ore)

diminuzione in rapporto alla velocità di essicameto

x critica

70 60 50 40 30 20 10 0

Use the sun 2.indb 335

inizio

fine essicamento bava

la velocità di essicamento decade

velocità di essicazione (% umiditá persa / ore)

60 80 100 umidità base secca (x%)

media della diminuzione costante della v

120

140

10/09/2008 00:06:17

Una lunga fase di ricerca e documentazione è stata dedicata allo studio del processo di fermentezione del cacao. Ci siamo chiesti il perchè di una lavorazione tanto lunga e dispendiosa in termini di energie e lavoro. Abbiamo constatato che il processo di fermentazione, oltre ad eliminare acqua dai semi, è il processo che influisce maggiormente sulla comparsa naturale dei componenti chimici e molecolari tipici del gusto del cacao che saranno poi attivati dalla tostatura. Abbiamo qui cercato di descrivere la complessità di un processo naturale di cui molti aspetti sono ancora sconosciuti.

Use the sun 2.indb 336

10/09/2008 00:06:17

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CACAO la fermentazione (1/3)

saccarosio glucosio fruttosio pentosio

1° G I O R N O i semi freschi sono posti in grandi quantità a fermentare

acido citrico (PH acido)

H2O

Lieviti

(saccharomyces cerevisiae)

Batteri acidolattici O2

Contaminazione della bava per mezzo di agenti esterni

amb

6,4

Funghi

zuccheri H2O O2 fermentazione alcolica degli zuccheri acido citrico

etanolo

+ H2O

Fermentazione alcolica e lattica degli zuccheri nella bava

35° 25°

+ zuccheri

acido lattico

fermentazione lattica degli zuccheri

2° G I O R N O etanolo

O2 l’alta presenza di etanolo uccide le colonia di funghi

35° 25°

Aumento delle quantitá di etanolo e acido lattico

acido lattico

Use the sun 2.indb 337

10/09/2008 00:06:21

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CACAO la fermentazione (2/3) rottura delle cellule della bava. ossigeno e liquidi circolano piú facilmente

H2O

Macerazione della bava (aumento ACQUA e OSSIGENO)

O2 Batteri acetofili

+ H2O

+ O2

etanolo

H2O

3° G I O R N O

acido acetico

ossidazione acetica batterica dell’etanolo

+ H2O

+ O2

etanolo

Fermentazione dell’etilene e dell’acido lattico in acido acetico

35° 50°

t acido acetico

ossidazione acetica enzimatica dell’etanolo

etanolo O2 ossidazione lattica dell’etanolo

H2O

acido lattico Batteri acetofili

cellule con pigmento

acido acetico

35° 50°

Gli acidi penetrano all’interno del seme del cacao.

4,5

acido lattico

polifenoli

purina

(composto organico aromatico)

temperatura acido lattico

acido acetico

cellule di riserva Cristalli di burro di cacao (grassi) Proteine (aminoacidi) Amidi

2 tipi di cellule nel seme Enzimi

Use the sun 2.indb 338

10/09/2008 00:06:25

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I NT E AG E R

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CACAO la fermentazione (3/3)

4°-7°

I RN

GIORNO

enzimi

35° 40°

t acidi

omogeneizzazione delle componenti interne e delle cellule esterne

in oa

an to cia

cid o

ni na

temperatura ES TE R NI

Proteina

INIZIO

Purina

(composto organico)

35° 40°

enzimi

Grassi

acidi

Amidi

(cristalli di cacao)

temperatura volatili (composti organici aromatici) proteina

proteina allungata

teobromina (composti organici eccitanti)

acidi grassi liberi (molecole organiche)

Glicerolo (alcol)

PROCESSO

acidi grassi volatili (molecole organiche)

glicerolo

zuccheri

reazione maillard

antocianina

polifenoli

FINE

Use the sun 2.indb 339

eccitante

ac ino Am

Teobromina

he ro te ic

Ca te n

idi lib er Ca i ten a co p n g rot lic eic ero a lo

i lib er si

ig ra s

Acidi grassi volatili

i ol lif en po

Ac id

ec on

ro te i ep Ca te n

alimento

Ca te n

ro te i

odore

Comp. org. volatili

er zu cc h ec on

gusto

An to c

ia ni

PERCEZIONE

colore

10/09/2008 00:06:33

Allontanata l’idea di concentrarci esclusivamente sull’essiccazione del cacao, abbiamo iniziato a testare l’essiccatore costruito e analizzato in precedenza. L’obiettivo è stato quello di valutare la qualità dei prodotti essiccati e di calcolare le durate dei cicli di essiccazione in condizioni reali, fuori dal laboratorio. Il primo step è stato, quindi, quello di ottenere in laboratorio una curva di essiccazione della banana come precedentementre fatto con il cacao, per poi poterla confrontare con i risultati sperimentali reali.

Use the sun 2.indb 340

10/09/2008 00:06:33

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ESSICAZIONE banana tipo Normale

ESPERIMENTO in laboratorio condizioni

tipo banana: Normale data misurazioni: 13-03-08 frutto:

buccia 27% polpa 73%

risultato:

massa secca 60.5 g H2O 139.5 g massa tot 200 g

riduzione peso: 70 %

temperatura: 40/45°C

campione: 200 g banane

flusso aria: 0,6 - 0,8 m/s

Curva di essicazione

250

200

150

17:55 18:05 18:15 18:25

11:05 11:15 11:25 11:35 11:45 11:55 12:05 12:15 12:25 12:35 12:45 12:55 13:05 13:15 13:25 13:35 13:45 13:55 14:05 14:15 14:25 14:35 14:45 14:55 15:05 15:15 15:25 15:35 15:45 15:55 16:05 16:15 16:25 16:35 16:45 16:55 17:05

peso (g)

100

tempo (min)

Use the sun 2.indb 341

10/09/2008 00:06:47

Per effettuare questi esperimenti e queste misurazioni abbiamo preso in prestito il laboratorio di ottica dellâ&#x20AC;&#x2122;universitĂ . Montato tutto il necessario e puntati i laser sui riflettori con angolazioni determinate, abbiamo cercato un modo per rendere visibili e fotografabili i risultati delle riflessioni. Dopo aver provato con il fumo delle sigarette, la soluzione migliore Ă¨ stata quella di utilizzare del ghiaccio secco o del nitrogeno liquido sfruttando il loro vapore al fine di risaltare i raggi rilessi dei laser.

Use the sun 2.indb 342

10/09/2008 00:06:47

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Studenti:

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AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

Individuazione delle dinamiche di riflessione

Esperimento in laboratorio

o ecc os o i c id iac gh o liqu e r en po Va itrog n o

laser & camera oscura

gi rag i e r el o iss arall m E er p las

il isib v i g o rag fum l e n

ina cch afica a m ogr fot

Use the sun 2.indb 343

10/09/2008 00:07:05

HOT POT è la nostra versione artigianale di un forno solare già distribuito e diffuso in scala mondiale. Il forno è normalmente provvisto di una sua pentola con guscio di vetro isolante: volendo comprendere le sue dinamiche di riflessione della radiazione abbiamo riprodotto il solo riflettore. Nelle prove di ottica abbiamo notato che le superfici offrono una buona soluzione al problema della riorientazione. La quantita di radiazione che raggiunge la pentola è, però, sempre piuttosto esigua.

Use the sun 2.indb 344

10/09/2008 00:07:05

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HOT POT prove di ottica con laser

Studenti:

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RICOSTRUZIONE A COMPUTER Schema di riflessione

INCISIONE CON LASER Laser unico di sezione rotonda

La Hot Pot presenta una discreta risposta alle riflessioni dei raggi laser durante le prove. La sua forma risulta utile perché l’utente non debba direzionare costantemente l’apparato. Ma la quantità di raggi riflessi verso la pentola é, pero, sempre inferiore a quella rappresentata dallo schema ideale.

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il DODECAEDRO segue le geometrie di una famiglia di forni piuttosto diffusi e testati nel mondo. Basicamente, il forno consiste di una parabola semplificata per piani, ma la sua più importante caratteristica risiede nel fatto che il suo fuoco sta all’interno del suo volume, permettendo, quindi, una semplice collocazione della pentola. Nelle prove di ottica abbiamo avuto prova di come, effettivemente, buona parte della radiazione vada ad incidere nell’area centrale interna al suo volume. Ci siamo resi conto del fatto che, spesso, la superficie inclinata più interna riflette la radiazione fuori dal forno.

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POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Facoltà di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

DODECAEDRO prove di ottica con laser

Studenti:

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

RICOSTRUZIONE A COMPUTER Schema di riflessione

INCISIONE CON LASER 5 laser paralleli di sezione rettangolare

Il forno a forma di dodecaedro presenta una buona risposta alle riflessioni dei raggi laser durante le prove. I due piani teorici su cui giacciono le sue facce fanno in modo che i raggi provenienti da diverse angolazioni si concentrino in un’unica zona, al centro del suo volume, dove verrá collocata la pentola per ottenere la miglior efficenza.

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Abbiamo trovato piani di questo forno su un sito specializzato in cucina solare. Ci Ă¨ sembrato interessante per il fatto che riunisse in seâ&#x20AC;&#x2122; caratteristiche di un concentratore di radiazione e di un forno a scatola. Nei test di ottica ci siamo accorti di come il riflettore non sia in grado di veicolare tutta la radiazione che riceve al suo interno. Allo stesso modo, gli angoli di apertura dei riflettori non permettono di raccogliere contemporaneamente la radiazione diretta e quella riflessa. Il rendimento del forno crolla quando la radiazione si allontana dalâ&#x20AC;&#x2122;asse perpendicolare.

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10/09/2008 00:07:23

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Facoltà di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

CUBO prove di ottica con laser

Studenti:

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

RICOSTRUZIONE A COMPUTER Schema di riflessione

INCISIONE CON LASER 5 laser paralleli di sezione rettangolare

Il forno a forma di cubo presenta una discreta risposta alle riflessioni dei raggi laser durante le prove. I raggi riflessi dalle facce trapezoidali quando la fonte non si trova allo zenit arrivano alla pentola, ma in questo caso lei non riceverà raggi diretti perché all’interno del cubo. Raggi diretti e raggi riflessi difficilmente possono lavorare insieme per scaldare la pentola.

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Il CONO ci ha interessati per i suoi minimi requisiti costruttivi. E’ sufficiente piegare una lamina riflettente di forma rettangolare e fissarla con un paio di viti. Nonostante la sua rudimentalità, il cono ha avuto delle ottime risposte nei test di ottica. La radiazione, infatti, effettua numerose riflessioni all’interno del volume del cono, aumentando notevolmente le probabilità di colpire la pentola corpo nero nelle riflessioni successive alla prima.

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POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Facoltà di Architettura I

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

CONO prove di ottica con laser

Studenti:

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

RICOSTRUZIONE A COMPUTER Schema di riflessione

INCISIONE CON LASER 5 laser paralleli di sezione rettangolare

Il forno a forma di cono presenta un’ottima risposta alle riflessioni dei raggi laser durante le prove. In questo caso, lo schema presenta delle riflessioni multiple: i raggi se non colpiscono la pentola dopo la prima riflessione continuano a rimbalzare all’interno del cono fino all’impatto con l’obiettivo.

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11 Applica CAPITOLO

zioni sperime ntali DISEGNO INDUSTRIALE

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APPLICAZIONI SPERIMENTALI

Prima di progettare abbiamo dedicato ampi spazi a prove e sperimentazioni concrete con le macchine che avrebbero costituito il punto di partenza del nostro lavoro. Si materializzano i concetti studiati nei mesi passati, ci confrontiamo con i nostri limiti progettuali e con la limitatezza della quantitĂ della risorsa solare. Di seguito i racconti ed i resoconti dei test effettuati.

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RIPARAZIONE E COSTRUZIONE DI PROTOTIPI SPERIMENTALI

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PROVE DI DISTILLAZIONE TEST DI ESSICAZIONE PROVE CON FORNI COMIDA SOLAR TAVOLE ALLEGATE

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riparazione E costruzione di prototipi sperimentali COSTRUZIONE DELL’EssiccatORE

Durante la prima chiacchierata con il prof. Finck, in cui ci illustrava le principali famiglie di forni ed essiccatori solari, era emerso un suo particolare interesse verso un modello di essiccatore composto da un collettore solare piano connesso ad una camera di essiccazione. Macchine simili a queste sono utilizzate da oltre un secolo in svariate versioni differenti e adattate alle necessità del luogo. In particolare, essiccatori del genere si utilizzano per trattare frutta o verdura che debbano restare protetti dalla radiazione solare diretta durante il processo di essiccazione. Un pomeriggio fanno la comparsa all’università due ragazzi con un furgoncino che recapitano a Finck un lungo parallelepipedo nero con la superficie superiore in vetro. Finck ci spiega che quello che era arrivato era il collettore solare dell’essiccatore di cui tanto spesso ci aveva parlato in precedenza. Da quel giorno iniziano quindi, i lavori di costruzione dell’essiccatore che si sarebbero protratti per qualche settimana. Studiati i principi di funzionamento del collettore solare e dell’essiccatore, schizziamo a mano la struttura del corpo centrale della macchina, dimensioni e quantità di frutta utile agli esperimenti. Inoltre, essendo un prototipo per la sperimentazione, abbiamo previsto la possibilità di orientare sui 11_APPLICAZIONI SPERIMENTALI_ 355

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Costruzione cabina essiccatore. Fori per i camini camini e per le prese d’aria.

due assi i ripiani di essiccazione e di poter cambiare il punto di entrata e uscita dell’aria riscaldata. Passati i piani di costruzione in CAD e ci rivolgiamo, su consiglio del prof. Finck, al laboratorio di modelli del dipartimento di fisica per la costruzione della macchina. Facciamo la conoscenza dei tre responsabili del laboratorio, Sergio Ibarra Guerrero, Fermìn Lòpez Castaneda e Juan Pina Paer che, oltre a conoscere bene Finck, si riveleranno essere dei divertenti compagni di lavoro.

COSTRUZIONE DEI FORNI

Dopo il lungo periodo di prove con l’essiccatore, abbiamo deciso di iniziare a dedicare attenzione ai forni solari. Disponevamo già di due macchine molto simili tra loro: il forno in Nylamid costruito dal Prof. Finck ed il forno di legno con struttura simile costruito nella comunità di Pisaflores. Il primo lo avevamo già utilizzato con successo, il secondo era costituito dalla semplice cassa, doveva essere ultimato. Entrambi i forni sono la versione aggiornata del primo forno solare della storia della scienza messo a punto da Horace de Saussurre nel 1767. Con l’aiuto di responsabili del laboratorio di modelli del dipartimento di fisica dell’Universidad Iberoamericana, con cui avevamo già lungamente lavorato durante la costruzione dell’essiccatore, abbiamo sagomato il cristallo superiore del forno e ricoperto le pareti di materiale adesivo trasparente. Successivamente abbiamo dotato il forno di un doppio fondo isolante su cui appoggiare una lamina di rame dipinta di nero. Data la scarsa disponibilità di tempo, per incollare e sigillare abbiamo utilizzato la tipica colla per scarpe da applicare sulle due superfici da fare aderire e silicone. Se il silicone sembra essersi comportato bene, la colla ha invece causato un persistente odore di solvente all’interno del forno, rendendone per molti giorni sconsigliabile l’utilizzo. L’uso di collanti in zone chiuse con alta temperatura dove si tratta cibo, è da considerare con particolare

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attenzione. In realtà, anche il forno in Lynamid necessitava di qualche operazione di manutenzione! Durante gli ultimi test sul forno era successo qualcosa di tristemente inaspettato. Durante le ore di massimo riscaldamento, la struttura in Nylamid si era dilatata a tal punto da essersi distaccata dal cristallo di vetro superiore ed aver rotto il silicone che sigillava la zona di cottura dall’esterno. Chiedendoci come fosse potuto succedere, abbiamo trovato una spiegazione nei coefficienti di dilatazione dei materiali: il coefficiente di dilatazione del Nylamid è 52 x 10-6 K-1, mentre quello del vetro ordinario 9 x 10-6 K-1, cioè circa un quinto. Il Nylamid si è dilatato di qualche millimetro provocando il distaccamento del vetro. Per ovviare a questo imprevisto, abbiamo nuovamente sigillato vetro e Nylamid, applicato un rivestimento di sughero (fortemente isolante) alle pareti interne e ri-applicato ad esse uno strato riflettente adesivo. In questo modo abbiamo cercato di passare la funzione isolante a quelle del sughero, nel tentativo di minimizzare l’espansione termica del Nylamid. Nei successivi test l’aggiunta del sughero si dimostrerà una buona scelta per il funzionamento ma piuttosto complicata per la costruzione. Avendo intenzione di intraprendere un ciclo di test dedicato ai soli forni solari, abbiamo deciso di documentarci sulle principali famiglie di forni ideati, costruiti e testati nel mondo per costruirne qualcuno e comprenderne meglio efficienza e principi di funzionamento. Discutendo con il Prof. Finck e consultando i più importanti siti di raccolta di esperimenti ed esperienze sulla cucina solari (primi tra tutti il documentatissimo www.solarcooking.org), abbiamo scelto di intraprendere la costruzione di 4 esemplari differenti per funzionamento e metodi di costruzione. HotPot è un forno solare già entrato nel campo della produzione industriale e distribuito in numerose zone del mondo. E’ costituito da una struttura riflettente avvolgente per 180° e da una speciale pentola composta da un recipiente metallico nero

Costruzione dei 4 forni. assemblaggio dodecaedro.

Rottura forno Nylamid. La dilatazione delle pareti del forno a causa dell’assenza di isolante.

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Costruzione dei 4 forni. cabina del cubo; riflettori dodecaedro; riflettori cubo; misure e disegni; riflettori dodecaedro; modelli terminati.

posto in un ulteriore recipiente sigillabile di vetro da forno. Non potendo costruire il sistema dei due recipienti, abbiamo deciso di ricostruire la sola struttura riflettente al fine di studiarne le dinamiche di funzionamento Il Cubo ci è subito parso interessante per come unisce in se 2 famiglie differenti di forni. E’ costituito da una camera di cottura isolata cubica chiusa superiormente da un cristallo di vetro su cui sono montati 4 pannelli riflettenti a formare un tronco di piramide. I pannelli dovrebbero permettere di allargare la superficie di captazione della radiazione e convogliarla all’interno della zona di cottura attraverso il vetro. I modelli esistenti erano prevalentemente fatti in cartone e cartone rivestito da film riflettenti e utilizzavano come isolante la carta dei periodici. Noi abbiamo deciso di costruire la camera di cottura in legno rivestito con un film riflettente e dotata di doppio fondo. Il Dodecaedro prende le sue sembianze da modelli di forni con una lunga storia e testati da numerosi gruppi di indagine del 1900. E’ un forno della famiglia dei concentratori parabolici (i primi progetti di forni solari della storia avevano proprio questa forma) e, di fatto rappresenta la semplificazione di una parabola. Dodici spicchi di materiale riflettente formano, per rotazione attorno ad un asse centrale, una parabola dentro cui porre il recipiente nero di cotture. La relativa semplicità costruttiva ed il fatto che il fuoco di riflessione resti all’interno del volume de dodecaedro ci ha fatto ritenere interessante la possibilità di provarlo. La costruzione del Cono è stata dubbia fino all’ultimo momento. Questo forno è costituito dalla semplice piegatura di una lamina riflettente rettangolare di proporzioni 2:1, un recipiente nero di cottura ed un posto dove inserire la punta inferiore del cono (nel nostro caso un cestino della spazzatura). La radiazione solare viene intrappolata dalla base superiore aperta del cono e riflessa al suo interno fino ad incontrare il recipiente nero di cottura. Se la brutale semplicità costruttiva da un lato ci incuriosiva,

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dall’altro ci lasciava scettici sulle effettive possibilità del Cono di concentrare quantità sufficienti di radiazione. Le prove fugheranno i nostri dubbi, a conferma di come nel campo solare le numerose variabili coinvolte rendano spesso estremamente difficile prevedere a tavolino successi e fallimenti. Dopo esserci procurati legno, lamine di acciaio riflettenti e vetro ci siamo potuti appoggiare mattina e sera al laboratorio di disegno industriale dell’Universidad Iberoamericana che per cinque giorni ci ha fornito accoglienza, strumenti, consigli, materiali e sorrisi. Ci accorgiamo come la costruzione manuale di questi forni comporti notevoli sprechi di tempo e materiali. Un esempio di questo, è stata la lavorazione dell’acciaio riflettente: per tagliarlo non è stato possibile usare né cesoie né altri attrezzi elettrici, che, oltre a tagliare, provocano una deformazione della superficie riflettente estremamente dannosa per le geometrie di riflessione della radiazione. L’unico attrezzo adatto è stata la taglierina a ghigliottina, per utilizzare la quale è stato necessario prevedere ampi margini di materiale tra un pezzo e l’altro. Costruzione cubo. Assemblaggio dei riflettori del cubo.

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Termocoppia. Sacchetti e pentole per effetto serra e inerzia termica; Cavo termocoppia; Connessione rilevatore dati; Saldatura connessioni; Connessione PC; Piaranometro per radiazione orizzontale diretta e indiretta.

Laboratorio LETS. Misurazioni in corso.

MISURAZIONI CON TERMOCOPPIA

Sapendo di dover testare contemporaneamente i 6 forni a disposizione più, almeno, la temperatura dell’aria al sole e all’ombra, ci siamo resi conto che il sistema di rilevazione automatico delle temperatura fino ad allora utilizzato era insufficiente. Il sistema di termopar collegati al PC del prof. Finck disponeva di 6 cavi per le rilevazioni di cui uno guasto. In questo frangente il prof. Finck ci sorprende ancora una volta, estraendo dal suo armadio degli attrezzi una scatola contenente uno strano parallelepipedo con bottoni e monitor digitale ed un rotolo di nuovi cavi per i termopar. La macchina nella scatola era un rilevatore elettronico della microtensione dei termopar, in grado di convertire autonomamente la microtensione in temperatura reale senza la necessità di una temperatura

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esterna di riferimento (che prima era rappresentata dall’acqua a 0 C°). Inoltre, la macchina è in grado di comunicare col PC attraverso un cavo. Avendo tra le mani un oggetto potenzialmente in grado di risolvere tutti i nostri problemi di rilevazione delle temperature, decidiamo di dedicare qualche ora, prima alla ricerca del cavo mancante e poi, fallita la ricerca, al tentativo di una sua riproduzione. Ci rivolgiamo al dott. Rubèn Martìnez, responsabile dei servizi di informatica e telecomunicazione dell’Univrsità Iberoamericana ed esperto in elettronica. Su suo suggerimento, smontiamo il rilevatore per comprendere la sequenza di uscita dei collegamenti saldati sulla presa della macchina. Rùben disegna il diagramma di uscita ed ingresso PC del cavo che, dopo aver acquistato i pezzi necessari, siamo in grado di replicare con alcuni punti di saldatura. Grazie all’aiuto di Rùben abbiamo così ricostruito il cavo di connessione del misuratore di temperatura al PC, ma, accese le macchine, nulla sembra accadere. Tristi, ma non arresi, torniamo da Rùben e cerchiamo di capire cosa non abbia funzionato. Per scrupolo leggiamo le istruzioni della macchina dove scopriamo essere disegnato il diagramma delle connessioni del cavo! Lo sottoponiamo, quindi, a Rùben, che ci spiega come rifare le saldature del nuovo cavo che, una volta finito, inizia a funzionare perfettamente. Il misuratore di temperatura è accompagnato da un software in grado di mostrare e registrare l’andamento contemporaneo di tutti i termopar connessi alla macchina che possono arrivare ad un massimo di 12. Inoltre, le misurazioni registrate, sono poi convertibili con poco lavoro in fogli di calcolo che andranno a formare la base numerica dei diagrammi presentati nel lavoro.

Postazione PC per rilevazione temperature. Registrazione dei dati sperimentali.

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DiSTILLATORE GEN

I LUNED

6.5 litri Prove di distallazione. Schema risultati

DiSTILLATORE GEN

MARTE

7.5 litri

DiSTILLATORE

DiSTILLATORE GEN

GEN

MERCO

8 litri

GIOVE

6.5 litri

PROVE DI DISTILLAZIONE ESECUZIONE DEI TEST

Volendo avvicinarci al tema della distillazione solare abbiamo realizzato diverse prove sulla macchina costruita a questo scopo dal Prof. Finck qualche anno prima del nostro arrivo per comprendere quale fosse il suo rendimento. Con un recipiente da 20 litri riempivamo periodicamente il distillatore attraverso alcune operazioni veramente fastidiose che richiedevano il “lavoro” di due persone: i 20 litri dovevano tutti passare attraverso un imbuto di 10 cm attraverso un tubicino di 5 mm di diametro che sfociava nel distillatore. Era, quindi, necessario passare circa un quarto d’ora in piedi su una sedia versando un filo continuo d’acqua nell’imbuto, mentre una seconda persona teneva l’imbuto attaccato al tubicino con l’apertura verso l’alto.Dopo la prima settimana di test ci siamo resi conto che le quantità di acqua prodotte erano veramente irrisorie. La macchina non arrivava a produrre 1 litro al giorno, anche se, guardando il vetro potevamo osservare che all’interno della macchina si creava molto vapore. Succedeva un altro fenomeno strano: l’acqua a volte fuoriusciva dal tubo posto al fondo del distillatore per scaricare l’acqua in eccesso. Abbiamo deciso di smontare la parte superiore del distillatore per pulirlo e vedere se c’era qualche anomalia al suo interno. In effetti, appena tolto il vetro, abbiamo notato che la parte inferiore del cristallo era rugoso! Per questo motivo l’acqua evaporata cadeva prima di arrivare al canale di estrazione, diventando di nuovo acqua sporca da evaporare! Per lo stesso motivo l’acqua si accumulava nelle vaschette inferiori e usciva dal tubo di sovraccaricamento. Così si è presa la decisione di ribaltare il vetro, sacrificando una percentuale della radiazione solare riflesso delle rugosità ma sperando di permettere alla macchina di funzionare. Rimontato il distillatore, abbiamo eseguito le nuove misurazioni, ottenendo i risultati qui illustrati, e abbiamo potuto fare osservazioni ulteriori.

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DiSTILLATORE GEN

VENER

DiSTILLATORE GEN

I LUNED

DiSTILLATORE GEN

MARTE

DiSTILLATORE GEN

MERCO

GEN

DOME

13.5 litri

4.9 litri

5.1 litri

5.5 litri

CONSIDERAZIONI

La prima considerazione è che il rendimento del distillatore scende nei giorni di riempimento, e scende ulteriormente se durante la giornata si realizzano ulteriori riempimenti con acqua fredda che vanno, probabilmente, ad abbassare la temperatura dei 20 litri di acqua contenuta al suo interno. Il miglior momento per riempire la macchina è probabilmente durante la tarda notte o la prima mattina (lontano dal pericolo di raffreddamento). Inoltre sarebbe più conveniente mantenere la macchina quasi vuota! Perché tenere a scaldare 20 litri di acqua quando come massimo se ne potranno distillare 8? Durante le prove con l’acqua salata i rendimenti sono notevolmente scesi: crediamo sia dovuto all’aumento della densità dell’acqua e all’incremento della temperatura di evaporazione. Il passo successivo è stato realizzare i calcoli di rendimento. Abbiamo ipotizzato che un giorno medio di distillazione producesse 6.5 litri d’acqua. Il calcolo più semplice da fare è quanti litri produce la macchina

Distillatore tradizionale. Smontaggio; Riempimento acqua; Limite raggiunto.

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Bilancio energetico al giorno:

INPUT

OUTPUT

7ore

1.6

512 W/m²

20˚

ea r a

· e r · o Wh e n 6 io 18 z a 6

6.5 litri

d Ra

1Wh = 859cal

5.31·106cal

INPUT

Distillatore. Funzionamento.

conversione 4.64 [litri/m2]

66 [%]

1ml H2O = 540cal

3.51·106cal

OUTPUT

per metro quadrato al giorno. Il valore ottenuto è 5 litri al metro quadro, una risultato accettabile, tenendo conto che questo stesso modello è stato inventato quasi due secoli fa! Rispetto al rendimento termodinamico i calcoli si complicano, e anche la precisione dei risultati diventa più vaga. La prima cosa da fare è capire quanta radiazione solare incide sulla macchina, misurandola con un radiometro od un piranometro, e calcolando la media della giornata. Questo dato va riportato rispetto all’angolo di inclinazione del piano di captazione, nel nostro caso inclinato di 20 gradi rispetto al piano del piranometro (le misure ottimali si realizzano facendo sì che il piano del piranometro e del captatore siano la stessa). La radiazione media

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per la superficie inclinata va poi moltiplicata per le ore solari nelle quali potremmo usufruire del prezioso input energetico solare. Successivamente si effettua il rapporto dell’area di captazione della radiazione del distillatore, e si potrà calcolare la cifra che corrisponde all’energia in Wh in grado di raggiungere la superficie captante della nostra macchina. Il passo successivo è quello di fare la conversione in calorie. Parallelamente, sapendo che mediamente riusciamo a fare evaporare 6,5 litri di acqua, e sapendo che per evaporare un millilitro di acqua servono 540 calorie, potremo sapere il minimo di calorie necessarie per evaporare la nostra quantità giornaliera (6,5 litri d acqua). Il rapporto tra il input disponibile e output che otteniamo mediamente, otteniamo che nel processo di distillazione abbiamo utilizzato il 66% dell’energia solare disponibile. Il risultato ci spaventa per la sua sproporzione, e cerchiamo di ragionare sul perché di un valore tanto elevato. I pannelli fotovoltaici disponibili sul mercato hanno ad oggi un rendimento tra il 15 ed il 20% e le piante realizzano la fotosintesi con una efficienza attorno al 40%. Ed esistono distillatori che possono arrivare a produrre fino a 20 litri di acqua al giorno: quale sarà, allora, il loro rendimento? Abbiamo cercato di trovare risposta all’elevato tasso di efficienza: -Il “calore latente di vaporizzazione” di 540cal/gr scende almeno del 10% in Città del Messico a causa della sua altezza; di conseguenza il valore 66% è da abbassare al 60%. -La seconda ragione è il fatto che la conversione termica è più efficiente di o quella chimica o fotovoltaica per la produzione di elettricità. Il fatto che esistano sul mercato macchine che possano produrre 20 litri di acqua distillata al metro quadro sono le seguenti: L’acqua utilizza 540 calorie per evaporare, ma una volta avvenuta l’evaporazione l’energia termica in essa contenuta è solitamente rilasciata nell’ambiente. Se invece di rilasciare nell’ambiente questa energia perdendo il suo potenziale, riusciamo ad utilizzare questo calore per riscaldare e far evaporare più acqua, con lo stesso input solare potremo evaporare molta più acqua. Come se la luce prodotta da una lampadina collegata ad un pannello fotovoltaico fosse indirizzata sul pannello stesso! La quantità di acqua evaporata è direttamente proporzionale al suo punto di evaporazione, perciò, se si riesce a ridurre la temperatura di evaporazione (riducendo la pressione dell’ambiente in cui si trova l’acqua), il potenziale della macchina aumenterà notevolmente.

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Essiccatore solare USE-THE-SUN. Caricamento essiccatore prima del processo di essiccazione.

TEST DI ESSICCAZIONE IL NOSTRO ESSICCATORE SOLARE

Dopo le esperienze in laboratorio, torniamo a ripetere il nostro esperimento, ma questa volta sul campo utilizzando l’essiccatore solare. La macchina ha una cabina dove disporre il prodotto. Possiamo spostare l’ingresso del flusso d’aria e la sua uscita in modo da provare i diversi effetti che possono produrre dei percorsi differenti per il flusso. Inoltre possiamo anche inclinare i vassoi a griglia su cui disporre il prodotto da seccare per farlo investire in modo differente dal flusso d’aria. Nei test cercheremo di capire se queste variabili potranno produrre delle conseguenze apprezzabili sul processo. Il flusso d’aria che creerà l’essiccatore dovrà avere le seguenti caratteristiche fondamentali: essere il più costante possibile, avere un grado di umidità abbastanza basso da poter assorbire quella del prodotto da seccare, avere una temperatura elevata ma non superiore ai 50 C° Le misurazioni sono state eseguite ad intervalli di tempo regolare, aprendo la cabina, togliendo il prodotto, pesandolo e annotando i dati relativi al peso di ogni ripiano, i dati particolari relativi ad ogni singolo esperimento sono riportate delle tabelle che seguono. Il 28 Marzo, comprate le banane al mercato dietro casa, abbiamo raggiunto l’università, siamo saliti nella nostra terrazzalaboratorio ed iniziato il primo test reale sull’essiccatore da poco costruito. Tagliate le banane a rondelle le abbiamo distribuite uniformemente sui quattro vassoi e infilate dentro alla camera di essiccazione Essendo una prova generale, più che un test vero e proprio non abbiamo effettuato misurazioni sulle banane se non solo ad essiccazione avvenuta.

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Essiccatore solare USETHE-SUN. Cabina di essiccazione e collettore solare.

Dopo 3 giornate di essiccazione, le banane sono secche e appetitose. Pesando i campioni di questa prima prova abbiamo avuto la conferma che si sono opportunamente avvicinate al giusto punto di essiccazione calcolato nel test in laboratorio qualche giorno prima. La macchina che avevamo abbiamo funziona ed è pronta ad essere ulteriormente messa sotto esame. Il primo di Aprile allestiamo nuovamente tutto il necessario per ripetere una prova di essiccazione con le banane: mettiamo tutto nell’essiccatore e iniziamo a monitorare costantemente la loro perdita di peso. In questa maniera a fine esperimento abbiamo ottenuto una nuova curva di seccato, ma questa volta relativa al processo realizzato in condizioni reali, non più in laboratorio. Notiamo che l’andamento della curva è identico a quelle ottenute in laboratorio, con la sola differenza che, chiaramente, la decrescita è più prolungata sull’asse del tempo. Inoltre, pesando separatamente i 4 vassoi, iniziamo a notare come siano caratterizzati da tassi di rendimento differenti. Le differenze di 11_APPLICAZIONI SPERIMENTALI_ 367

Use the sun 2.indb 367

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Essiccatore solare USETHE-SUN. Estrazione prodotto essiccato.

perdita di peso tra i vari vassoi a parità di tempo di essiccazione sono attorno al 6% della massa totale. Il 7 Aprile decidiamo di continuare con gli esperimenti di essiccazione, ma di prendere una pausa dalle banane e fare una prova con fette di mele. Vogliamp capire se la macchine sia altrettanto in grado di seccare altri vegetali e di dedurre eventuali variazioni di efficienza. La preparazione è la stessa: mele comprate al mercato, tagliate a fette prive del torsolo e disposte uniformemente sui 4 vassoi. Da qui in poi inizieremo ad effettuare solo 3 pesate: a inizio essiccazione, dopo un giorno e alla fine del processo. Sarà comunque possibile tracciare una curva di essiccazione approssimata che passerà per questi tre punti. Dopo due soli giorni di permanenza nell’essiccatore, le mele siano già secche ma morbide, pronte per essere mangiate o conservate in un sacchetto chiuso. Il risultato, dopotutto è prevedibile: le banane hanno una consistenza molto più pastosa delle mele, motivo per cui le ultime hanno necessitato di una giornata in meno di essiccazione Notiamo anche qui il ripetersi di un dato interessante in termini progettuali: il primo ed il quarto vassoio sono i due che hanno avuto una efficienza maggiore. In particolare, l’ordine di efficienza è: primo, quarto secondo e terzo, con una differenza in termini di acqua persa tra il terzo ed il quarto vassoio. Proviamo a dare una spiegazione empirica di questo inaspettato comportamento. Il primo vassoio in basso è investito dal flusso d’aria appena entrato nella cabina, il suo grado di umidità è estremamente basso dato che sta uscendo dal collettore a serpentina. Per questo il suo potere assorbente dell’umidità del prodotto è più alto: ecco perché il prodotto sul primo vassoio ha perso la sua massa umida più velocemente degli altri vassoi. Il quarto vassoio si trova, invece, a contatto con l’aria che sta per uscire, il suo potere d’assorbimento dovrebbe essere il più basso di tutta la macchina ma, cercando una via di uscita, ristagna nella zona superiore restando a contatto per più tempo con l’alimento. Per questo motivo il quarto vassoio è il secondo in termini di efficienza di essiccazione Di fatto, i vassoi dal primo al terzo hanno valori di efficienza linearmente decrescenti. Le prove proseguono con il ritorno all’essiccazione di banane. Questa volta decidiamo di provare a trattare superficialmente le rondelle di frutta con una soluzione di acqua e limone per ovviare al fatto che le banane seccate rimangono appiccicose e spesso incollate alla rete dei ripiani di essiccazione Abbiamo in mente le classiche banane secche che si acquistano nei negozi sempre asciutte ed estremamente dure: documentandoci scopriamo che oltre ad essere seccate, le banane seccate industrialmente vengono fritte o sottoposta a trattamenti superficiali ben diversi dalla soluzione di acqua e limone! Chiaramente la soluzione del trattamento superficiale si rivela un fallimento, ma questo test ci interessa per un altro aspetto, anch’esso fallimentare. L’ultimo giorno è stato segnato da violente precipitazioni che hanno compromesso il buon essiccamento delle banane. Le piogge sono state così abbondanti che sono entrate

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all’interno della macchina arrivando a bagnare il ripiano superiore (il quarto). Il giorno seguente, alla pesata dei ripiani, ci siamo trovato di fronte a dati assolutamente inaspettati: le percentuali di acqua evaporata erano bassissime. Ma particolarmente bassa era il valore di efficienza del quarto ripiano, quello superiore. Abbiamo così capito che durante il processo di essiccazione, il prodotto può riacquistare l’umidità persa. E’ una considerazione di notevole importanza per quella che sarà la fase di riprogetto: se il flusso d’aria smette di essere costante o ha un elevato tasso di umidità, questo può trasferire la sua umidità al prodotto al posto che asportarla.

Registrazione dati essiccazione. Calcolo del peso.

Essiccatore solare USE-THE-SUN. Cabina con prodotto disposto su ripiani pronto per il processo di essiccazione.

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ESSICCAZIONE DI AMARANTO

Essiccazione amaranto. Preparazione prodotto.

Dopo un periodo di pausa dai test e la visita alla cooperativa Alternativas a Tehuacan, decidiamo di rimettere in attività il nostro essiccatore per fare qualche prova di essiccazione con le foglie di amaranto. Stiamo valutando la possibilità di concentrarci su un progetto di essiccazione di foglie di amaranto e vorremmo capire quali difficoltà si possano incontrare in un simile processo. In realtà, non essendo periodo di amaranto abbiamo dovuto procurarci foglie di piante simili o appartenenti alla sue stessa famiglia. In particolare abbiamo utilizzato foglie di Acelga e di Quelite. Il 18 Aprile ci procuriamo le foglie di Acelga, dalla consistenza molto simile a quelle dell’amaranto, e le adagiamo una ad una sui ripiani dell’essiccatore In un paio di giorni le foglie sono giunte al termine del processo di essiccazione leggerissime ed estremamente fragili. Le pesate dell’Acelga sui ripiani evidenziano che tutti i vassoi tranne il terzo hanno avuto lo stesso rendimento. Il terzo, come sempre, ha avuto un rendimento nettamente inferiore agli altri. Ripetiamo l’esperimento il 9 Maggio con foglie di Quelite, una pianta facente parte della stessa famiglia dell’amaranto. Disposte le foglie sui ripiani, modifichiamo il punto d’ingresso dell’aria calda all’interno dell’essiccatore: in questo modo l’aria entra in basso sul lato corto ed esce in alto dal lato opposto con un percorso più lineare. La Quelite impiega tre giornate a raggiungere il giusto livello di umidità, e le pesate dei 4 ripiani rivelano un fatto molto interessante: con il cambio del punto d’ingresso dell’aria calda, i 4 piani hanno avuto un efficienza piuttosto uniforme (il 4% di differenza di umidità tra il primo e l’ultimo), con un andamento di rendimento linearmente digradante dal primo all’ultimo. Gli ultimi due test ci hanno confortato sulla possibilità

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di costruire un essiccatore per le foglie di amaranto: i tempi e la qualità di essiccazione sono buoni. L’ostacolo progettuale più importante sarà quello di aumentare le quantità di prodotto trattabili in un unico ciclo mantenendo, però, un’efficienza simile e costi e complessità di costruzione alla portata di una famiglia di lavoratori agricoli. Sarà questo l’ultimo l’ultimo esperimento effettuato con l’essiccatore: nello stesso periodo abbiamo terminato la costruzione dei forni solari e intrapreso la serie dei test ad essi dedicati.

I RISULTATI DEI TEST

Durante i test di essiccazione abbiamo anche misurato l’andamento delle temperature nei punti chiave della macchina e della radiazione solare. Sensore 1: misura la temperatura all’entrata del collettore di radiazione. È il sensore che ha mostrato andamenti più irregolari, a causa del fatto che è stato a volte sottoposto a condizioni differenti. Essendo collocato nell’imboccatura del collettore, ha misurato a volte la temperatura ambiente al sole e a volte la temperatura dell’aria che già iniziava a scaldarsi e a volte addirittura la temperatura della superficie nera metallica del collettore nei casi in cui lo toccava. Dal 28 Marzo in poi è proprio avvenuto questo senza che noi ce ne accorgessimo. Vedremo che, dopotutto, non è stato qualcosa di negativo. Sensore 2: misura la temperatura d’uscita dell’aria calda nella camera di riscaldamento. E’ questo il momento di tutto il processo in cui l’aria è più calda. Sensore 3: misura la temperatura del flusso d’aria nella camera di essiccazione dopo aver attraversato tutti i ripiani. L’aria dovrebbe aver ceduto la massima quantità di calore al prodotto e, allo stesso tempo, aver assorbito la sua umidità. Sensore 4: misura la temperatura dei camini di uscita

Essiccazione quelite. “Charola” pronta con foglie per l’essiccazione.

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dell’aria. La precisione di questa misurazione potrebbe non essere del tutto attendibile, per la sua vicinanza con l’acciaio dei camini che potrebbe aver innalzato la temperatura rilevata in certi momenti della giornata. Sensore 5: si trova fuori dalla macchina e misura la temperatura ambiente all’ombra. Sensore 6: quello riservato alla misura della radiazione solare. Possiamo osservare che, al contrario delle misurazioni relative alla perdita di peso dei prodotti in essiccazione, queste rilevazioni sono più significative per comprendere caratteristiche della macchina in sé. Il prodotto a seccare è solo un aspetto di secondo piano, e potremo valutare altri aspetti del processo quali l’inerzia termica dell’essiccatore, la capacità di captare e trasformare la radiazione solare e il tempo necessario a raggiungere le temperature di lavoro. Tra le misurazioni effettuate, le migliori sono state quelle dell’essiccazione di banana di tipo “normale” dell’1, 2 e 3 Aprile. Le temperature dell’uscita dalla camera di riscaldamento raggiungono i 50 C°. Ma possiamo notare che queste alte temperature sono conseguenza diretta della grande quantità di radiazione disponibile in quei giorni. Inoltre ci rendiamo della bassa inerzia termica della macchina e contemporaneamente, del breve tempo necessario ad entrare in regime. Le misurazioni del primo di Aprile offrono degli interessanti spunti di lettura: alle 9.00 (ore solari) possiamo vedere come dopo la chiusura delle porte inizino immediatamente a salire le temperature. Alle 10.00 c’è una nuova apertura di porta che provoca un crollo della temperatura di entrata alla camera di essiccazione (in verde chiaro). Essendo la linea della radiazione solare costante, possiamo avere la certezza che il crollo non sia stato provocato dall’assenza di radiazione o dal passaggio di una nuvola. Nelle ore successive, invece, inizia un ciclico passaggio di nuvole che fa nuovamente abbassare d’improvviso Essiccazione Quelite. Prodotto disposto in cabina di essiccazione; estrazione prodotto essiccato.

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le temperature d’esercizio della macchina. In queste condizioni ambientali l’essiccatore denuncia nuovamente la mancanza di un’inerzia termica. Comunque la velocità con cui riprende temperature adeguate è abbastanza alta. La prima conclusione che traiamo da queste tre giornate di test è che in fase di progetto dovremo dedicare attenzione ai problemi di inerzia termica del essiccatore, sia per quanti riguarda le aperture della camera di essiccazione e di intermittenza della radiazione. Ci sono anche alcune altre osservazioni che possiamo ricavare da tutti i grafici. La prima è che la temperatura dei camini è sempre troppo bassa: all’inizio delle giornate sono quasi sempre i primi a scaldarsi (forse a causa del fatto che il sensore fosse a contatto con il ferro) ma subito dopo la temperatura si attesta a valori molto bassi. La temperatura dei camini è addirittura più bassa di quella dell’uscita della camera di seccato! La cosa è piuttosto preoccupante in quanto si possono creare controflussi contrastanti l’uscita del aria. La seconda osservazione è la alta temperatura rilevata dal sensore di entrata dell’aria (colore rosso). Sappiamo che sono dovute al contatto del sensore con la piastra di metallo che assorbe la radiazione infrarossa. Nonostante la sua temperatura arrivi a toccare i 65-70 C°, l’aria non supera, invece, mai i 50 C°. Esiste quindi un problema di efficienza nello scambio del calore.

Essiccazione quelite. Essiccatore in funzione al laboratorio LETS sul tetto della UIA.

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PROVE COI FORNI TEST SUL FORNO IN NYLAMID

Le prove realizzate con i forni solari, sono raggruppabili in due fasi distinte per scopi, macchine testate e strumenti di misurazione. La prima fase di prove hanno coinvolto il forno solare in Nylamid. L’obiettivo dei test è stato quello di calcolare la potenza standard del forno Nylamid ideato dal Professor Finck. La particolarità di questo forno è che la struttura della macchina svolge anche funzione di isolamento, integrando, così, due funzioni in un solo componente. Per realizzare il calcolo avremo una pentola di un litro all’interno del forno, e disporremo i rilevatori di temoperatura in questo modo: Sensore 1: misura la temperatura ambiente Sensore 2: misura la temperatura della piastra nera di rame, il punto più caldo del forno. Questo elemento assorbe la radiazione solare e lo converte in calore per poi trasmetterlo alla pentola per conduzione (vibrazione delle molecole). Sensore 3: misura la temperatura dell’acqua. Questo sensore non supererà mai i 92 C°, temperatura di evaporazione dell’acqua all’altitudine di Città del Messico. Sensore 4: connesso ad un piranometro misura la Forno Nylamid. La macchina in funzione.

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radiazione solare. Lo strumento usato in questo sperimento per la rilevazione delle temperature è un vecchio sistema di misura costruito dal prof. Finck il cui funzionamento è stato approfondito nel capitolo relativo alle lezioni del Prof. Finck. La rilettura dei risultati dei test e degli andamenti di temperature e radiazione ci ha permesso di fare alcune considerazioni sul funzionamento del formo, molte delle quali utili per affrontare solidamente il nostro futuro percorso progettuale. Apertura sportello. Abbiamo imparato a individuare dai grafici le aperture dello sportello che provocavano un crollo istantaneo della temperatura della lamina mentre, nello stesso momento, la radiazione rimaneva costante. Il caso più evidente si si verifica nel grafico del 18 Gennaio attorno alle 11.30. Nella fase di progetto sarà necessario considerare l’influenza dell’interazione uomo-cibo nel rendimento del forno. Problemi di orientamento. Sono rintracciabili nei grafici quando la radiazione è costante mentre la lamina ha un calo costante di temperatura. Per risolvere questo problema sarà necessario progettare con attenzione gli angoli di apertura del forno e dei suoi riflettori per aumentarne le ore di funzionamento. Nuvole. Le nuvole creano un abbassamento uniforme di temperature in forno e ambiente e crolli istantanei della radiazione. Per garantire garantire l’efficienza, dovremo fare in modo che il forno possegga un’inerzia termica sufficientea a non risentire di

Forno Nylamid. Ambiente cottura con pentola; particolare condensa nel doppio cristallo con intercapedine isolante.

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temporanee mancanze di radiazione. Problemi di rilevazione della termocoppia. Uno dei punti critici maggiori dei nostri test sono stati quelli relativi alla nostra strumentazione di misura che necessitava di una temperatura di riferimento fissa a 0 C°. La bacinella d’acqua e ghiaccio, pur essendo isolata, riusciva a mantenere gli 0 C° per un massimo di 2 o 3 all’aperto. Il suo aumento di temperatura provocava, aumenti di tutti i valori di temperatura rilevati. Questa evenienza si è verificata in più di un caso e ci ha portati a tentare di utilizzare nei successivi test un nuovo dispositivo elettronico con temperatura di riferimento integrata. Potenza negativa. Nei grafici della potenza osserviamo la presenza di numerose potenze negative che sono causa dei raffreddamento del forno. Questo è il caso che si verifica quando la temperatura registrata in un momento è inferiore di quella registrata nel momento di registrazione precedente. Per questo motivo i risultati negativo di potenza non sono da tenere in considerazione. Potenze complessive del forno solare Nylamid. In una giornata soleggiata il forno in Nylamid arriva a toccare potenze calcolate nell’ordine dei 33-34 W, quantità sufficiente a cucinare. In una giornata variabile con intermittenza di nuvole la potenza arriva a dimezzarsi, attestandosi sui 17 W. Questa potenza non è sufficiente a garantire la cottura degli alimenti che non superano la temperatura di 75 C°.

Rilevatore temperature. Il sistema a termocoppia.

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6 FORNI IN PROVA

Dopo la costruzione dei quattro nuovi prototipi di forni, la riparazione del forno in Nylamid e la conclusione del forno in legno di Pisaflores abbiamo realizzato la seconda serie di prove con il nuovo sistema di misurazione elettronico. Le prove sono state realizzate per comprendere quali fossero le caratteristiche di ogni forno e quali fossero i loro comportamenti a parità di condizioni. Per questa ragione tutti avevano al suo interno la stessa pentola di alluminio (di tipo comune, acquistata al “Mercado de la Merced”) e un litro preciso di acqua. Anche nei pranzi solari si è cercato di mantenere simile la quantità di cibo assegnata ad ogni forno. Per completare le prove, nell’ultima settimana abbiamo alternativamente provato ad utilizzare in ogni forno una differente pentola di acciaio smaltato con coperchio in vetro. Allo stesso tempo abbiamo lasciato fuori dai forni ed esposta al sole una pentola nera di alluminio contenente il solito litro d’acqua avvolta in un sacchetto trasperente di polipropilene a capire che tipo di rendimento si potesse raggiungere senza l’utilizzo dei forni. I sensori sono stati posti nell’acqua di ogni pentola, senza che toccassero le pareti. Contemporaneamente altri 3 sensori sono stati collocati per misurare: temperatura ambiente al sole, temperatura ambiente all’ombra, e quantità di radiazione solare per mezzo di un radiometro collegato al computer di Finck. Per la radiazione abbiamo continuato ad utilizzare il vecchio sistema di termocoppie collegate al PC e software in BASIC per il fatto che la rilevazione della radiazione non necessitava di una temperatura esterna di riferimento e, addirittura, per il fatto che per misurarla con la nuova strumentazione elettronica avremmo dovuto utilizzare una resistenza che tarasse la microtensione rilevata. A seguire, le principali osservazioni derivate dalle settimane di test con i sei forni. In diversi giorni i sensori hanno superato i 92 C°,

Prove forni solari. Preparazione dei modelli.

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temperatura che teoricamente l’acqua non può superare mai, dato che in Messico l’acqua a quella temperatura evapora. Per questo motivo, tutti sensori che superano tale valore che hanno toccato il metallo all’interno della pentola, riportando la sua temperatura. Consideriamo questi sensori a 92 C° anche nel caso di temperatura segnalate maggiori. Temperature massime. Le temperature massime sono state raggiunte dal forno di Nylamid, Legno, dal Dodecaedro e dal Cono. Nei primi due forni hanno i valori massimi si sono protratti per periodi più estesi. Rispetto ai valori raggiunti del metallo dell pentole, vediamo come il Cono abbia raggiunto temperature attorno ai 120 C° il 5, 13 e 16 di Maggio. Contemporaneamente segnalamo come il Cubo e la Hot Pot non siano arrivate a raggiungere le temperature massime di cottura. Ad esempio, i giorni 5 e 6 di Maggio Hot Pot non ha superato i 50 C° quando gli altri forni si trovavano almeno a 90 C°. Accelerazione termica. Il Cono e il Dodecaedro sono i due forni che hanno fatto riportare tempi minori per il raggiungimento della temperatura di ebollizione dell’acqua. Questo é dovuto alla ristretta zona di concentrazione focale dei loro riflettori tridimensionali. Il problema in questi forni è che l’accelerazione e, soprattutto il mantenimento della temperatura viene spesso ostacolato da due fattori: la mancata orientazione rispetto al sole, e l’intermittenza della disponibilità della radiazione; Il primo affetta il punto di concentrazione della radiazione spostandolo dalla pentola, il secondo provoca un crollo quasi istantaneo delle temperature raggiunte. In pratica Cono hanno una veloce decelerazione termica o, meglio, una bassa inerzia termica. Inerzia Termica. I forni a scatola sono stati i più affidabili in termini di costanza della temperatura rispetto ai crolli di radiazione. La buona isolazione dall’esterno e l’effetto serra sono i fattori che maggiormente influiscono sulla conservazione del calore. Orientamento e apertura di captazione di raggi. L’efficienza di tutti i forni migliora notevolmente quando vengono orientati. Al contrario di quello che pensavamo, i forni a scatola hanno un aumento delle prestazioni superiore agli altri forni quando sono riorientati. I test dei primi tre giorni sono stati eseguiti per comprendere gli effetti della riorientazione e della mancata riorietntazione. -5 Maggio, 0 ri-orientazioni: possiamo apprezzare che il Cono e il Dodecaedro sono in assoluto quelli che hanno avuto migliori risultati. -6 Maggio, 3 ri-orientazioni: questa volta i forni a scatola hanno superato nettamente i concentratori. -7 Maggio, ri-orientazione costante: il rendimento di tutti si uniforma. Proseguendo con i test ci accorgeremo di come i forni a scatola necessitino di un basso numero minimo di ri-orientazioni per un rendimento ottimale. Al, contrario i concentratori che abbiamo provato devono seguire il sole con più costanza. Rispetto alle temperature e tempi minimi di cottura, abbiamo rilevato che per cuocere sono stati necessari un minimo di 4 ore sopra gli 80 C° di cui almeno una attorno ai 90 C°.

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Per concludere, stiliamo qualche conclusione riguardante i comportamenti dei forni che abbiamo testato. Cono e Cubo. Sono forni dototati di grande accelerazione termica e ottime temperature massime. Per contro, la bassa inerzia termica ne rende a volte variabile il rendimento. Nelle prove con la pentola di acciaio e coperchio in vetro, questo fenomeno si Ă¨ visto

Prove forni solari. Dodecaedro; Cono; Hot Pot; Cubo; Pisaflores; Nylamid.

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Prove dei forni solari al LETS.

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I 4 forni solari in funzione. Cono; Hot Pot; Dodecaedro; Cubo. Con rilevatore temperatura, pentole e sacchetto in plastica.

aumentato, già che la nuova pentola essendo più spessa invece di agire come accumulatore di calore agiva come dispersore. In conclusione, ritenamo che per garantire una sufficiente termica sia necessario pensare alla presenza di un ambiente termicamente isolato. Forno di Legno e Forno Nylamid. Le loro doti principali solo la grande inerzia termica e le buone temperature massime che raggiungono con costanza. Il principale limite è la bassa accelerazione termica, caratteristica che è migliorata con l’uso della pentola con il coperchio trasparente. In questo caso, l’arrivo della radiazione dall’altro ad investire direttamente il cibo e non più il solo coperchio ha funzione migliorativa. Hot Pot. Il forno che ha più deluso le aspettative. Il prototipo che abbiamo costruito ha fatto riportare un’accelerazione termica praticamente nulla, temperature massime egualmente molto basse. Il modello originale del forno è, invece, in grado di garantire una buona efficienza: pensiamo che un ruolo importante lo abbia

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Laboratorio Lets. Il professor Finck nel suo laboratorio all’ università UIA.

l’apposita pentola in vetro termico con cui è venduto il riflettore, ed il fatto che non probabilmente non siamo stati in grado di replicare alla perfezione la sua geometria. Pentola nera. La temperature massime raggiunte dalla pentola nera fuori dal forno hanno toccato i 55 C°, non sufficienti per la cottura, ma già utili per l’uso domestico. Notiamo come il fenomeno di assorbimento della radiazione di un metallo nero siano già molto elevati e utili per un uso diretto del calore o, in questo caso, dell’acqua.

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Comida solar!

Eres sustentable? Pues come sustentable!

viernes 16 Mayo 2008_ 14.30 edificio G_ terraza III piso

Comida solar. L’invito.

COMIDA SOLAR LA PROVA DEFINITIVA

Con questo volantino invitiamo ufficialmente tutte le persone conosciute all’Università Iberoamericana a partecipare all’evento di cucina solare da noi organizzato per il 16 maggio 2008. Il luogo destinato all’evento è la terrazza sul tetto dell’edificio di fisica nel campus della UIA, diventata il nostro laboratorio all’aperto e ribattezzato con il nome di LETS dal Prof. Finck: “Laboratorio Energia Termica Solar”. Nel laboratorio sono installati tutti i forni solari che abbiamo utilizzato per la nostra tesi, di cui cinque costruiti da noi. I preparativi hanno inizio diversi giorni prima, le previsioni meteorologiche per il 16 Maggio sono buone ma abbiamo comunque deciso di testare i forni ed i tempi di cottura dei diversi piatti che intendiamo preparare per organizzare tutto nei minimi Comida solar. Preparazione cibo e pulizia forni solari per l’occasione.

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dettagli.. tutto deve funzionare alla perfezione, o i nostri ospiti resternno a pancia vuota e noi faremo una pessima figura! Il mattino del 16 maggio tutto è pronto per iniziare. Ore 8:00: Ortzi e Andrea iniziano a cucinare nel laboratorio a noi affidato. Ludovico prepara i forni solari al LETS. Il menù sarà a base di peperoni e zucchine ripiene, melanzane con formaggio, funghi e carote. Finck porterà del riso ed una docente di alimentazione uno stufato di carne. Il tutto sarà accompagnato da fettine di pane da usare come sostituto di piatti e posate. Ore 10:00: i forni sono pronti e le prime pentole piene vengono sistemate per la cottura. Per cuocere i nostri piatti sarebbero state sufficienti dalle 2 alle 3 ore, ma vista la giornata nuvolosa iniziamo prima come precauzione per l’eventuale calo di efficienza che potrebbero avere i forni. Ore 10:30: tutto è pronto, inizia la cottura e con il professor Finck controlliamo che tutto proceda bene. Nel mentre apparecchiamo un buffet e accendiamo il sistema di rilevazione delle temperature dei cibi: in ogni caso questa è sempre una giornata di test. Ore 14:00: arrivano i primi invitati. Ore 14:30. vengono sfornati i vari piatti. Tutto ciò che è stato messo nei forni ha cotto a sufficienza con dei buoni risultati. Il pane è stato il primo ad essere pronto, impiegando solo 10 minuti per tostarsi sulla piastra di rame: Cottura riuscita. La pentola del riso è stata la prima ad essere aperta. Con dei tempi di cottura così dilatati il riso non è fragrante, ma comunque buono e ben cotto: Cottura riuscita. In seguito vengono aperte tutte le pentole contenenti la verdura. Si sono tutte cotte alla perfezione in un filo d’olio e con l’acqua che essi stessi hanno rilasciato. Il formaggio con cui abbiamo guarnito le verdure si è fuso. Una piccola aggiunta di sale, e sono pronti per essere gustati: Cottura riuscita. Anche lo stufato di carne cuoce perfettamente nel suo condimento e lo stesso vale per il piatto a

Comida solar. Il pollo con verdura è pronto.

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Comida solar. Invitati.

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base di pollo in salsa piccante: Cottura riuscita! Tutti i piatti hanno raggiunto il giusto livello di cottura, i nostri invitati apprezzano i vari piatti e approfittano del buffet. Il pranzo verrà poi interrotto sul suo finale da un temporale, che però non farà altro che interrompere gli ultimi saluti verso le quattro del pomeriggio. Nella giornata della comida solar torniamo ad incontrare tutte le persone conosciute nel nostro percorso all’Università Iberoamericana. Abbiamo così l’occasione di salutare gli studenti con cui abbiamo condiviso laboratori, ore di svago e di lezione, ed i responsabili dei laboratori all’università che ci hanno seguito e permesso di costruire i nostri forni. Sono presenti anche molti professori tra cui il responsabile dei laboratori di biologia, quello dei laboratori di alimentazione e dei laboratori di ottica e alcuni ricercatori e adetti alle attrezzature che abbiamo utilizzato nell’università. Tutti ci hanno aiutato ad orientarci e muoverci all’interno dei campi del sapere a cui ci siamo accostati durante il nostro percorso. Il professor Finck e gran parte dei suoi colleghi del dipartimento di fisica hanno, naturalmente preso parte al pranzo solare. I nomi delle persone che più ci hanno supportato e sopportato nei mesi passati all’Universidad Iberoamericana sono riportati al fondo del tomo della tesi e nei titoli di coda del video dell’esperienza caricato su Youtube.com al link: http://it.youtube. com/watch?v=T1dhDIxMXxM

Comida solar. Estrazione della pentola dal forno.

Comida solar. Foto di gruppo al termine della giornata con parte degli invitati. In ordine da sinistra: Ludovico Allasio (USE THE SUN), Adolfo Finck, Fermin Lopez, Ruben Martinez, Alfedo Sandoval, Andrea Carraro (USE THE SUN), Umberto Mondragon, Juan Piña, Rappresentante IberoVerde, Ortzi Akizu (USE THE SUN), Ruben Moreno, Collaboratore laboratorio di ottica, quattro collaboratori dipartimento di fisica rappresentatnte IberoVerde

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Questo è stato il primo test in condizioni reali dell’essiccatore che abbiamo costruito come punto di partenza sperimentale e progettuale. Poco appariscente ma non scontato, il primo dato emerso del test è stato che la l’essiccatore funziona realmente ed è in grado di essiccare in modo soddisfacente prodotti vegetali! In 3 giorni di essiccazione all’aperto e senza ausili esterni, le banane sottoposte alla prova hanno raggiunto il grado di essiccazione ideale calcolato in laboratorio.

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Facoltà di Architettura I

POLITECNICO DI TORINO - UIA

DISEGNO INDUSTRIALE

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

USE THE SUN:

Studenti:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

ESSICAZIONE banana tipo Macho

ESPERIMENTO sul campo Condizioni

tipo banana: Macho data misurazioni: dal 27 al 31-03-08 frutto:

buccia 37% polpa 63%

risultato:

massa secca 557 g H2O 698 g massa tot 1255 g

riduzione peso: 56 %

2 inclinazione fronte porta

POSIZIONAMENTO UNIFORME DELLE BANANE

DISPOSIZIONE DEI VASSOI NELL’ESSICCATORE

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CAMPIONI ESSICCATI

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In questa seconda prova abbiamo voluto misurare e ri-calcolare la curva di essiccazione della banana non più in laboratorio ma in condizioni reali. Effettuiamo pesate con regolarità, ricaviamo la curva ed iniziamo a notare le differenze di efficienza tra i 4 ripiani. Il 4° ripiano è quello dove si è verificata una maggior perdita di peso relativa, il 3° quello dove le banane hanno perso meno acqua.

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DISEGNO INDUSTRIALE

Corso di Laurea in ECODESIGN

Tesi di Laurea Specialistica in EcoDesign

Relatori: L. Bistagnino A. Finck Correlatori: A. Pellegrino F. Valpreda

Studenti:

USE THE SUN:

applicazioni a basso impatto ambientale per l’energia solare termica

AKIZU Ortzi ALLASIO Ludovico CARRARO Andrea

ESSICAZIONE banana tipo Normale

ESPERIMENTO sul campo condizioni

tipo banana: Normale data misurazioni: dal 1 al 4-04-08 risultato:

frutto:

massa secca 411 g H2O 1163 g massa tot 1574 g

buccia 27% polpa 73%

2 nessuna inclinazione IL CAMPIONE SI PRESENTA CON VISCOSITÀ ELEVATA

riduzione peso: 73 %

Grafico di essicazione

Ripiano n° 2

4 VASSOI PRONTI PER LA FASE DI ESSICCAZIONE

1 1890

tempo (min)

1860 1830 1800 1770 1740 1710 1680 1650 1620

Vassoio per vassoio

1590 1560 1530

UMIDO

SECCO

365g

89.5g

377g

114g

347g

97.5g

387g

110g

1500

H2O evaporato Potenza solare

1470

1440 1410 1380

275.7g

75.53%

360

330 300 270

263g

69.76%

240 210 180

150 120

249.5g

71.90%

90 60 30 0 0

100

200

300

peso (g)

Use the sun 2.indb 391

400

500

277g

71.58%

09/09/2008 23:58:49

Per aver conferma delle dinamiche di essiccazione rilevate nei test precedenti, abbiamo ripetuto un test con delle mele. Non solo i ripiani hanno avuto rendimenti differenti, ma ancora una volta il 1° ed il 4° vassoio sono stati i più efficienti! Proviamo a comprendere il perchè di un comportamento che ci sorprende: -Il 1° vassoio è investito da un flusso d’aria più caldo e più secco degli altri -Salendo, il flusso d’aria cede calore e acquista umidità relativa: il prodotto si secca sempre meno -il 4° ed ultimo piano è, però, sottoposto al ristagno d’aria che cerca di uscire del camino e rifluisce sul prodotto a seccaandolo maggiormente.

Use the sun 2.indb 392

09/09/2008 23:58:49

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ESSICAZIONE Mela

ESPERIMENTO sul campo condizioni

tipo: Mela data misurazioni: 7/9-04-08 frutto:

risultato:

massa secca 371 g H2O 1467 g massa tot 1838 g

torsolo 13% polpa 87%

riduzione peso: 80 %

nessuna inclinazione

Vasoio per vassoio

UMIDO

SECCO

411g

75g

461g

126,6g

H2O evaporato Potenza solare 336g

CAMPIONI DI MELA ESSICCATA INNERITA DALL’OSSIDAZIONE

81,75%

334,4g

72,54%

371g

485g

114g

76,43%

473g

94,1g

80,10%

LA PREPARAZIONE DELLE MELE CONSISTE NEL PRIVARLE DEI SEMI E DELLA PARTE CENTRALE

378,9g

CONTROLLO DEL PESO DOPO L’ESSICCAZIONE

Use the sun 2.indb 393

09/09/2008 23:59:05

In quest’altro test abbiamo voluto sottoporre le banane ad un bagno di acqua e limone nel tentativo di cambiare la loro consistenza a fine essiccazione. Il test ha avuto esito negativo, ma è stato utile a causa del maltempo che ha accompagnato le prove. Abbiamo scoperto che il prodotto da seccare può riacquistare umidità se lasciato in un ambiente umido. A questo si devono gli strani valori della percentuale di acqua evaporata: sul 4° vassoio è addiritura arrivata l’acqua della pioggia!

Use the sun 2.indb 394

09/09/2008 23:59:06

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ESSICAZIONE banana con pretrattamento

ESPERIMENTO sul campo condizioni

tipo banana: Normale data misurazioni: dal 9 al 14-04-08 risultato:

frutto:

massa secca + umiditá 305 g H2O 244 g massa tot 549 g

2 nessuna inclinazione

riduzione peso: 44 %

Pretrattamento superficiale: Immersione banana

L’ESSICCAZIONE NON AVVIENE UNIFORMEMENTE

Limone (25 %) dissolto nell’acqua

TRATTAMENTO SUPERFICIALE DI CARATTERE ACIDO

buccia 41% polpa 59%

Obietivo del trattamento - Evitare che si asciughi solo la superficie esterna - Ottenere un sapore piú gradevole. - Accelerare il tempo di essicazione

Prova con la superficie libera: Passaggio d’aria (25 -50%)

Vassoio per vassoio

Superficie piena ( 75-50%) 107g - 387g per vassoio

SECCO

107g

75g

29.9%

208g

88g

57.69%

142g

67g

52.82%

92g

75g

18.48%

Problemi di assorbimento dell´acqua: Le banane hanno la capacitá di assorbire l’acqua (30% della massa iniziale)

Ambiente umido

Use the sun 2.indb 395

H2O evaporata Potenza solare

UMIDO

32g

120g

75g

17g

09/09/2008 23:59:15

Per verificare i margini progettuali di un essiccatore per le foglie di amaranto, abbiamo intrapreso alcuni nuovi test con la nostra macchina essiccatrice. Non essendo stagione di raccolta dellâ&#x20AC;&#x2122;amaranto, abbiamo dovuto procurarci foglie di piante simili o appartenenti alla stessa famiglia di questo cereale dalle preziose proprietĂ nutritive. In 2 giorni le foglie di Acelga hanno raggiunto il giusto grado di essiccazione. Come sempre, il 3Â° ripiano ha avuto prestazioni nettamente inferiori agli altri.

Use the sun 2.indb 396

09/09/2008 23:59:15

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ACELGA essicazione foglia di

ESPERIMENTO sul campo condizioni

tipo: acelga data misurazioni: dal 18 al 21-04-08 risultato:

vegetale:

massa secca 34 g H2O 217.3 g massa tot 251.3 g

buccia 0% polpa 100%

riduzione peso: 86 %

2 nessuna inclinazione

NELLA DISPOSIZIONE DELLE “ACELGAS”, É FONDAMENTALE IL CONTROLLO DEL FLUSSO

9.30 DEL MATINO: RIEMPIMENTO DELLA MACCHINA SUL TERRAZO DI UIA

ZOOM SUL PRODOTTO

Vassoio per vassoio

UMIDO

Use the sun 2.indb 397

1 GIORNO

H2O evaporata dopo un giorno

25,42g

62,88g

37,46g

40,42%

62,95g

41,8g

33,60%

63,83g

30,47g

52.26%

61,63g

32,8g

46,78%

21,15g

33,36g

28,83g

SECCO

H2O evaporata Potenza solare 54,1g

8,78g

86,04%

10,23g

83,75%

7,19g

88,74%

7,8g

87,34%

52,72g

56,64g

53,83g

09/09/2008 23:59:22

Tra le prove effettuate, da segnalare quella di essiccazione svolta con la Quelite, pianta della stessa famiglia dell’amaranto. Questa volta abbiamo provato a cambiare il punto d’ingresso dell’aria riscadata all’interno della camera di essiccazione. L’aria entra alla base del lato corto ed esce all’estremità superiore del lato opposto. I risultati sono stati estremamente interessanti perchè l’essiccazione si è completata in soli 3 giorni. Inoltre, per la prima volta i ripiani hanno tutti avuto un rendimento simile degradante dal 1° (il più efficiente) al 4°.

Use the sun 2.indb 398

09/09/2008 23:59:22

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QUELITE essicazione foglia

ESPERIMENTO sul campo condizioni

tipo: quelite data misurazioni: dal 9 al 13-03-08 risultato:

vegetale:

massa secca 118 g H2O 530.4 g massa tot 648.7 g

buccia 0% polpa 100%

riduzione peso: 81.7%

2 nessuna inclinazione

“QUELITE” (AMARANTACEA) COMPRATO AL MERCATO DI XOCHIMILCO

IL FLUSSO È PIÚ COSTANTE E VELOCE NELLE PROVE, RISPETTO ALLA ACELGA

CONTROLLO DEL PESO CON SISTEMA ELETTRONICO (PRECISIONE: 0.001kg)

Vassoio per vassoio

Use the sun 2.indb 399

H2O evaporata dopo un giorno

UMIDO

1 GIORNO

164g

98,3g

39,8%

161g

87,5g

45,7%

162g

80,5g

50,3%

161,7g

63g

65,3g

73,5g

81,5g

98,7g

61%

SECCO

32,6g

30,5g

29,5g

25,7g

H2O evaporata Potenza solare 131,4g

80,12%

130,5g

81%

132,5g

81,8%

136g

84,1%

09/09/2008 23:59:32

Nelle seguenti tavole compaiono gli andamenti delle temperature misurate durante i test di essiccazione illustrati nelle pagine precedenti. Per le misurazioni abbiamo utilizato due apparati differenti (riferimenti ghiaccio e riferimento interno) i quali hanno influito sulla misura delle temperature. I sensori sono stati posizionati per misurare le caratteristiche del FLUSSO D’ARIA. Casualmente, il sensore d’entrata dell’aria alla camera di riscaldamento è arrivato a toccare la lamina di metallo del riscaldatore: abbiamo, così, anche ottenuto le temperature raggiunte dal componente piu caldo della macchina.

Use the sun 2.indb 400

09/09/2008 23:59:32

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ESSICATORE temperature di esercizio

ESSICAZIONE della QUELITE collocazione dei termopar

Prove d’ essiccazione 09-05-08

Camino SX

Uscita camera

Entrata camera

Ambiente sole

Ambiente ombra

Entrata riscaldatore

grafico delle temperature 55

Use the sun 2.indb 401

18 :3 0

0 18 :0

0 17 :3

0 17 :0

16 :3 0

16 :0 0

0 15 :3

0 15 :0

0 14 :3

0 14 :0

0 13 :3

0 13 :0

0 12 :3

0 12 :0

11 :3 0

11 :0 0

10 :3 0

09/09/2008 23:59:36

Il primo dato che abbiamo notato é stato la bassa temperatura del camino. Per aiutare il tiraggio, l’obiettivo era quello di riscaldare l’aria in uscita, ma ci siamo accorti che in realtà il dispositivo non ha funzionato. Al contrario, la bassa temperatura potrebbe aver causato un pericoloso controflusso d’aria. Sottolineiamo che l’accelerazione termica della macchina é molto bassa. Segnaliamo episodi in cui l’apertura dell’essiccatore nella mattina ha compromesso l’efficenza dell’intera giornata nonostante le condizioni metereologiche ideali (3103-08). D’altra parte, l’inerzia dell’essiccatore é piu bassa rispetto ai forni solari. Il fatto che l’unico vettore energetico sia l’aria fa sì che le mancanze momentanee di radiazione (nuvole, ad esempio) si percepiscano quasi istantaneamente. Come ultimo spunto vogliamo sottolineare che la differenza di temperatura tra la lamina calda e il flusso d’aria é troppo grande: lo scambio d’energia avviene con una troppo bassa efficienza.

Use the sun 2.indb 402

09/09/2008 23:59:36

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PROVE DI SECCATO_1 temperature all’interno dell’essiccatore

RADIAZIONE: Gradi Celsius RADIAZIONE: Gradi Celsius

INTRATA ARIA / LAMINA AMBIENTE OMBRA

00 18 :

00 17 :

00 16 :

0 15 :0

0 13 :0

0 12 :0

0 11 :0

0 10 :0

00 9:

00 8:

7: 00

TEMPERATURA: Gradi Celsius

Use the sun 2.indb 403

USCITA CAMERA

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

1-04-2008 BANANA NORMAL 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

ENTRATA CAMERA

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 :0

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 18 :0

0 17 :0

0 16 :0

15 :0

13 :0 0

12 :0 0

11 :0 0

10 :0 0

0 9: 0

8: 00

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

31-03-2008 BANANA MACHO 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

RADIAZIONE

0 :0

0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 :0

0 :0 13

0 12

0 :0 11

0 :0 10

00 9:

00 8:

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

28-03-2008 BANANA MACHO 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

CAMINO

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

:0 13

0 12

0 :0 10

00 9:

00 8:

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

27-03-2008 BANANA MACHO 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

09/09/2008 23:59:41

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PROVE DI SECCATO_2 temperature all’interno dell’essiccatore

RADIAZIONE CAMINO

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 :0

0 18

:0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 :0

:0 13

0 12

0 11

:0 10

00 9:

00 8:

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

2-04-2008 BANANA NORMAL 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

RADIAZIONE: Gradi Celsius

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

RADIAZIONE: Gradi Celsius

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Use the sun 2.indb 404

0 18 :0

0 17 :0

0 16 :0

15 :

0 13 :0

00 12 :

00 11 :

00 10 :

0 9: 0

8: 00

7: 00

TEMPERATURA: Gradi Celsius

9-04-2008 BANANA TRATATA 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

AMBIENTE OMBRA

INTRATA ARIA / LAMINA

18 :0

0 17 :0

0 16 :0

:0 0

13 :0 0

00 12 :

00 11 :

00 10 :

0 9: 0

8: 00

7: 00

TEMPERATURA: Gradi Celsius

7-04-2008 MELA 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

USCITA CAMERA ENTRATA CAMERA

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 :0 18

0 :0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 :0

0 :0 13

0 12

0 :0 11

0 :0 10

00 9:

00 8:

75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

TEMPERATURA: Gradi Celsius

3-04-2008 BANANA NORMAL

09/09/2008 23:59:44

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PROVE DI SECCATO_3 temperature all’interno dell’essiccatore

RADIAZIONE CAMINO

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 18

0 :0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 :0

0 :0

0 12

:0 11

00 9:

00 8:

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

10-04-2008 BANANA TRATTATA 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

RADIAZIONE: Gradi Celsius

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

RADIAZIONE: Gradi Celsius

Use the sun 2.indb 405

:0 0 18

:0 0 17

:0 0 16

15 :

00 13 :

00 12 :

00 11 :

00 10 :

0 9: 0

8: 00

0 7: 0

TEMPERATURA: Gradi Celsius

9-5-2008 QUELITE 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

AMBIENTE OMBRA

INTRATA ARIA / LAMINA

:0 0

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 18

0 17 :0

:0 0 16

:0 0

00 13 :

00 12 :

00 11 :

00 10 :

9: 00

00 8:

7: 00

TEMPERATURA: Gradi Celsius

11_16-04-2008 MACCHINA VUOTA 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

USCITA CAMERA ENTRATA CAMERA

RADIAZIONE: Gradi Celsius

0 :0 18

0 :0 17

:0 16

750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 :0

0 13

0 :0 12

0 :0 11

00 9:

00 8:

00 7:

TEMPERATURA: Gradi Celsius

10_15-04-2008 MACCHINA VUOTA 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

09/09/2008 23:59:48

I forni solari sono comparabili tra di loro attraverso il calcolo della loro potenza di funzionamento. Abbiamo voluto testare per 2 settimane il nostro forno per conoscerne pi첫 a fondo comportamento e funzionamento, e provare, infine, a calcolarne la potenza. Abbiamo misurato la radiazione solare con un piranometro. Abbiamo posto nel forno un recipiente nero contenente 100g di acqua. Le temperature sono state misurate in 3 punti chiave: ambiente esterno, acqua e lamina accumulatrice di calore.

Use the sun 2.indb 406

09/09/2008 23:59:48

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FORNO SOLARE misurazioni sperimentali (1/3)

MISURA RADIAZIONE il piranometro

cita da ti

o t sens erm or op e ila

W/m² Per calcolare l’efficienza di un forno é necessario misurare la quantitá di radiazione di cui esso puó usufruire nel momento del test.

600

pro te in ttiva ve tro

500

Watt/m2

700

400 300 200 100 0 10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

16:00

17:00

Ora Civile

siz indic ion ato am re en to

MISURA TEMPERATURA

Gradi Celsius Il secondo parametro che determina l’efficienza é la temperatura che esso puó raggiungere quando in funzione.

100

il termopar

Temperatuta (C°)

80 70 60 50 40 30 20 10 0

10:00

cavo di rame estremo misurazione

C° cavo di constantan (Cu + Sn)

so elettroni flus

crea una microtensione elettrica proporzionale alla differenza di temperatura tra i 2 estremi (effetto Seebeck).

+ -

Luoghi delle misurazioni

1011011100110110101011010110 1011001001100010110101011001 0110011011010001100110001110 0011001101101001101101100111 0001001110110011101001101010 1010101011011101101110011011 0101011010110101100100110001 0110101011001011001101101010 0110011000111000110011011010

cavo di ra m e

acqua

Watt Per calcolare l´efficienza di un forno solare, e poterlo comparare ad altri o con una macchina elettrica, calcoliamo la POTENZA DI FUZIONAMENTO. In questo esempio, la potenza e´ di 28 Watt. La misura si effettua a ∆t=500C

Potenza Standard:

proporzionale ad una radiazione di 700 watt/m2 watts m2

40 30

Watt

m c [ Δ temp° ] = Pn Δt

20 10 0

10 20 30 40 50 60 70 80 Differenza Temperatura Acqua-Ambiente (ºC)

ambiente lamina

Utile (∆t=40-800C)

calcolata con radizione reale.

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