L’energia idrica, cioè l’energia cinetica posseduta dall’acqua in movimento, è stata una delle prime fonti energetiche che l’uomo ha utilizzato per le proprie esigenze, in quanto è una risorsa abbondante, in costante rinnovamento grazie al ciclo dell’acqua. L’uomo si è accorto di poter sfruttare la forza dell’acqua in caduta, in quanto: le masse d’acqua immagazzinate a quote elevate sono dotate di energia potenziale; nel momento in cui l’acqua, per effetto della forza di gravità, precipita verso il basso, l’energia potenziale si trasforma in energia cinetica, cioè in energia di movimento. Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni prima che l’energia potenziale contenuta potenzialmente dall’acqua possa divenire elettricità. Gli elementi costituenti per una centrale idroelettrica sono: BACINO La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale. Il corso d’acqua di un fiume viene sbarrato e convogliato in un bacino artificiale a monte, realizzato attraverso la costruzione di una diga. Possiamo utilizzare anche invasi naturali (laghi) oppure, in alcuni casi, si sfrutta direttamente l’energia cinetica dell’acqua dei fiumi (centrali ad acqua fluente) La diga è l’opera che fa da sbarramento ad un corso d’acqua e consente di formare il bacino. CONDOTTA FORZATA L’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, costituita da tubazioni che possono essere in metallo o calcestruzzo armato, in modo che per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica. TURBINA E’ la macchina che converte l’energia cinetica di un fluido (acqua o vapore acqueo) in energia meccanica. È costituita da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Il movimento rotatorio del girante viene trasferito mediante un asse detto albero a un alternatore che produce energia elettrica. Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono costruiti 3 tipi di turbine idrauliche, a seconda dell’altezza e della portata (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo): Pelton: utilizzata con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Francis: utilizzata con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie Kaplan: utilizzata con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Dopo la turbina ci sono l’ALTERNATORE, che riesce a trasformare l’energia meccanica della turbina in energia elettrica, ed il TRASFORMATORE, che serve a innalzare la tensione della corrente elettrica prodotta dall’alternatore, prima di immetterla nelle reti di distribuzione. OPERE DI RESTITUZIONE Sono costituite da un canale o galleria, che attraverso uno sbocco, restituiscono le portate utilizzate al corso d’acqua. Dopo aver messo in azione le turbine, l’acqua può seguire due percorsi: viene restituita al fiume (centrale idroelettrica a bacino convenzionale);
viene rimandata al bacino a monte nelle ore notturne (quando la richiesta di energia elettrica è minore), attraverso una centrale di pompaggio azionata dall’alternatore stesso (centrale idroelettrica di pompaggio). CENTRALE IDROELETTRICA – TRASFORMAZIONI ENERGETICHE
ENERGIA POTENZIALE
DELL’ACQUA NELLA DIGA SI TRASFORMA IN
ENERGIA CINETICA
QUANDO L’ACQUA SCENDE NELLE CONDOTTE FORZATE E SI TRASFORMA IN
ENERGIA MECCANICA
QUANDO L’ACQUA FA GIRARE LE PALE DELLE TURBINE E SI TRASFORMA IN
ENERGIA ELETTRICA
ALL’INTERNO DELL’ALTERNATORE
CENTRALE EOLICA – TRASFORMAZIONI ENERGETICHE
ENERGIA TERMICA
DEL SOLE GENERA IL VENTO E QUINDI SI TRASFORMA IN
ENERGIA CINETICA
DEL VENTO CHE FA MUOVERE LE PALE DEL ROTORE E SI TRASFORMA IN
ENERGIA MECCANICA
DELLE PALE CHE FANNO MUOVERE L’ALTERNATORE CHE LA TRASFORMA IN
ENERGIA ELETTRICA
Una centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori, sorta di mulini a vento progettati per sfruttare l’Energia Cinetica contenuta nel vento. Questo, impattando sulle pale del rotore, lo costringe a muoversi ruotando sul proprio asse. In questo modo l’energia cinetica del vento si trasforma in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che è collegato ad un generatore elettrico (alternatore). In questo modo, l’energia meccanica cambia il proprio stato e diventa Energia Elettrica. Un aerogeneratore può e funzionare già con un vento di circa 3m/s (10km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17m/s (50÷60km/h). Un aerogeneratore è costituito dai seguenti elementi:
TORRE È la struttura metallica di sostegno che porta alla sua sommità la gondola o navicella. Nei grandi e medi impianti la torre ha al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori) per l’ispezionabilità e la manutenzione. L’altezza media di una torre è compresa tra i 40 e i 60 metri.
NAVICELLA o GONDOLA È il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aerogeneratore. È montato sopra la torre e può ruotare su di essa grazie ad un dispositivo di orientamento, un meccanismo che consente di seguire la direzione del vento. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All’estremità dell’albero lento e all’esterno della gondola è fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale.
ROTORE Le pale della macchina (di norma tre) collegate a un mozzo, formano il rotore. Le pale sono realizzate solitamente in fibra di vetro o di carbonio. Il diametro del rotore può andare da un minimo di circa 1 metro, per i generatori di taglia inferiore a 1 kW, fino a oltre 120 metri nel caso di turbine da molti megawatt di potenza e le pale possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero di trasmissione lento, che ruota alla stessa velocità del rotore. MOLTIPLICATORE DI GIRI Serve ad aumentare i giri di rotazione che vengono trasmessi al generatore. Tramite un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), l’albero di trasmissione lento, direttamente connesso al rotore, trasmette questa rotazione, accelerandola, all’albero veloce che è direttamente collegato con il generatore. GENERATORE È collegato all’albero veloce e si tratta di un alternatore collegato attraverso cavi elettrici che, scorrono dentro la torre fino a terra dove, prima di essere collegati alla rete elettrica, entrano in un TRASFORMATORE. ANEMOMETRO È lo strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” il vento. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo. SISTEMA DI CONTROLLO È formato da una serie di strumenti elettronici controllati da un computer che hanno la funzione di monitoraggio di tutte le parti dell’aerogeneratore e del supporto-cuscinetto. Il sistema registra in ogni momento la piena funzionalità del sistema ed in caso di malfunzionamento blocca l’aerogeneratore e invia un avviso di intervento ai tecnici della centrale.
S
Il sistema fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici che permettono di captare l’Energia Solare e di trasformarla in Energia Elettrica. Questo avviene sfruttando un fenomeno fisico, noto come effetto fotovoltaico, cioè la capacità di alcuni materiali semiconduttori (normalmente silicio) di generare elettricità quando esposti alla Radiazione Luminosa. Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in un impianto fotovoltaico? Quando i fotoni (unità elementare, priva di carica elettrica e di massa, che si propaga esattamente alla velocità della luce) colpiscono una cella fotovoltaica, una parte di energia è assorbita dal materiale (silicio drogato) e alcuni elettroni scorrono attraverso il materiale producendo una corrente continua. Gli impianti fotovoltaici possono essere suddivisi in due categorie: Impianti grid-connected: la corrente generata viene inviata ad un convertitore (inverter) dal quale esce sotto forma di corrente alternata, tale da poter essere poi trasformata in corrente a media tensione dal trasformatore, prima di essere immessa nella linea di distribuzione.
Schema di Impianto Fotovoltaico
Impianti stand-alone: sono in genere dotati di accumulo e possono essere senza o con inverter. Il sistema di immagazzinamento è necessario per garantire la continuità dell’erogazione anche nei momenti in cui non viene prodotta. Questo avviene mediante accumulatori elettrochimici (batterie). Nel sistema grid-connected non è previsto un sistema di accumulo in quanto l’energia prodotta durante le ore di insolazione viene immessa nella rete elettrica; viceversa, durante le ore di insolazione scarsa o nulla il carico viene alimentato dalla rete. Un Impianto Fotovoltaico è costituito dai seguenti elementi: 1. 2. 3. 4.
Celle, moduli e campi fotovoltaici; inverter; contatore energia prodotta (GSE); contatore energia scambiata (bidirezionale)
.
CELLA FOTOVOLTAICA La cella fotovoltaica è un componente elettronico che, esposto ai raggi del sole, converte la Radiazione Solare in elettricità. La cella si comporta come una minuscola batteria e produce una corrente di 3 Ampere con una tensione di 0,5 Volt, quindi una potenza che sfiora 1,5 Watt. Le celle fotovoltaiche sono di colore blu scuro a causa dell’ossido di titanio presente nel rivestimento antiriflettente, fondamentale per massimizzare la captazione dell’irraggiamento solare. La loro forma è quasi sempre quadrata o circolare e le misure variano dai 10cm x 10cm ai 15cm x 15cm. Sono costituite principalmente da silicio, arseniuro di gallio e tellurio di cadmio.
Cella fotovoltaica
Cella ultrasottile
Schema di funzionamento di una cella di silicio
Il fotovoltaico può essere usato anche per realizzare delle centrali per la produzione di energia elettrica. In questo caso, bisognerà collegare in serie o in parallelo, più celle fotovoltaiche tra di loro. Sapendo che ogni cella produce circa 1,5W di potenza elettrica, basterà conoscere il consumo dell’edificio o delle apparecchiature da servire per stabilire quante celle dovranno essere collegate tra loro per fornire l’energia necessaria. Per stabilire queste connessioni e renderle fattibili, le celle vengono combinate tra di loro in strutture regolari sempre più grandi che prendono i seguenti nomi (vedi schema):
MODULO I più comuni sono costituiti da 36 o 72 celle. Queste sono assemblate fra uno strato superiore di vetro e uno strato inferiore di materiale plastico (il tedlar) e racchiuse da una cornice di alluminio. Nella parte posteriore del modulo è collocata una scatola di giunzione in cui vengono alloggiati i contatti elettrici. Il modulo fotovoltaico ha una dimensione di circa mezzo metro quadro e le taglie normalmente in commercio vanno da 100 a 300 Watt di potenza.
Struttura di un modulo fotovoltaico La distanza minima fra le file di pannelli non è casuale ma deve essere fatta in modo da evitare che l’ombra della fila anteriore possa coprire quella immediatamente posteriore. È quindi necessario calcolare la distanza minima tra le file in funzione dell’altezza dei pannelli, della latitudine del luogo e dell’angolo di inclinazione dei pannelli. Si è constatato che, almeno alle nostre latitudini, considerando l’altezza del Sole nei giorni dell’anno, l’inclinazione dei pannelli e l’orientamento ideale dei pannelli fotovoltaici è Sud, Sud-Est, con un’inclinazione di circa 30° - 40 °.
INVERTER
I pannelli fotovoltaici generano corrente di tipo continuo. Il sistema di distribuzione dell’energia nazionale avviene, invece, in corrente alternata. Per questo motivo, viene installato un dispositivo elettronico chiamato inverter, capace di trasformare l’energia elettrica da continua ad alternata.
CONTATORE ENERGIA PRODOTTA (GSE) Serve a misurare l’energia prodotta giornalmente dall’impianto. Questo dispositivo è essenziale per capire quanto si sta guadagnando dalla produzione di energia del proprio impianto fotovoltaico. I dati di questo contatore vengono periodicamente trasmessi al Gestore dei Servizi Elettrici (GSE) il quale li elabora e calcola il risparmio sulla bolletta.
CONTATORE ENERGIA SCAMBIATA (bidirezionale) Questo strumento elettronico, serve nel momento in cui il nostro impianto fotovoltaico produce più energia di quanto l’utenza ne possa consumare. Allora serve un secondo contatore che consenta il passaggio di un flusso di energia elettrica dall’impianto fotovoltaico verso la rete pubblica (flusso uscente). Tale contatore garantisce, inoltre, il flusso di corrente in senso opposto (flusso entrante) nei momenti in cui l’impianto fotovoltaico non è in grado di sopperire alle esigenze dei carichi elettrici (ad esempio nelle ore notturne o in assenza di Sole).