3 Professori geniali di

3 Professori geniali di ..
Professore Kaizen
Dottora Query
Professore Challenge
Pannelli solari
Le celle fotovoltaiche sono "individui"
che possono transformare l'energia solare
in corrente elettrica. Le celle fotovoltaiche
furono principalmente sviluppate nei progetti
di recerca spaziale. Quindi, la sua prima utilità
pratica fu quella di fornire energia ai satelliti e ad
altre navi, come le sonde spaziali, che furono inviate
per studiare altri pianeti. Se osservi diverse fotografie
di satelliti, comproverai che ci sono due placche grande e
brillante che "nascono" del corpo della nave come se fossero
le sue ale. Queste ale si chiamano pannelli solari. La funzione
principale dei pannelli solari è quella di ornire energia al satellite.
CALCOLATRICE
Satellite
solare
Pannello solare
Pannelli solari
Veicolo di
esplorazione
marziana
Pannelli solari
Attualmente, i pannelli fotovoltaici
sono presenti in diversi apparecchi,
come per esempio nelle calcolatrici,
nelle radio, nei segnali di emergenza
nella strada ed in altri sisteme e
dispositivi che hanno bisogna di
corrente elettrica e dove non arriva
la rete elettrica.
Pannello solare
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Energia, luce e corrente.
Basta passeggiare in un giorno assolato per scoprire che il sole trasmette energia. La
sensazione che sentiamo sotto il sole è differente a quella che sentiamo nell'ombra.
Non c'è dubbio che la luce che arriva al nostro corpo si trasforma in calore. Altra
maniera di comprovare che i raggi del sole trasmettono energia è quella di utilizzare
una lente d'ingrandimento. Prendi una lente d'ingrandimento e mettila in modo
che i raggi del sole attraversino la lente d'ingrandimento. Di seguito, osserverei che
la lente d'ingrandimento concentra tutti i raggi su un punto. La temperatura di questo
punto può accendere fogli di carta o foglie secche. Realizza sempre quest'esperimento
in compagnia di un adulto.
L'energia della luce non arriva in modo
continuo, bensì che arriva in forma di
piccole particelle o di pacchi di energia
chiamati fotoni. I fotoni non
trasmettono sempre la stessa
quantità di energia
Si può realizzare quest'esperimento
con foglie secche o fogli di carta, ma
solo se è l'ora della merenda...
Fotoni
Cristalli di silicio
D'altronde, la corrente elettrica che
fluisce per i cavi è formata da piccole
particelle chiamate elettroni. Di solito,
gli elettroni non fluiscono da parte a
parte del cavo spontaneamente, perciò
devono essere spinti in un certo qual
modo. Come può un cella fotovoltaica
mouvere gli elettroni da parte a parte del
cavo? La risposta è: i cristalli di silicio.
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Cristalli di silicio
Di solito si costruiscono le celle fotovoltaiche con cristalli di silicio grandi. Per poter
capire come funziona una cella fotovoltaica, è necessario capire come sono collocati
gli atomi di un cristallo di silicio.
.
Se con l'aiuto di un microscopio immaginario di potenza illimitata potessimo osservare
l'interiore di un cristallo di silicio, troveremmo un reticolato di piccole palle
perfettamente ordinate per rivestimenti. Questo reticolato sarebbe come un'insieme
di bilie in un barattolo.
.
Cristallo di silicio
Atomi
Nucleo +
Elettroni Ciascuna delle palle è un'atomo. Ciascuno degli atomi è come un piccolo sistema
solare formato da un sole che si chiama nucleo atomico. Intorno a questo nucleo
atomico girano 14 pianeti leggeri che si chiamano elettroni. Il nucleo atomico ha
carica positiva e attrae gli elettroni che hanno carica negativa. Gli elettroni girano
intorno all'atomo in orbite raggruppate in diversi rivestimenti. L'ultimo rivestimento
ha quattro elettroni ed è molto importante per conservare gli atomi insieme.
Ma, perché sono gli atomi uniti ed ordenati? La risposta è che i nuclei degli atomi
non solo attragono loro elettroni, ma anche gli elettroni del rivestimento esterno
di altri atomi. È come se ciascuno degli atomi di silicio dessi la mano ai vicini di casa.
Una caratteristica importante è che gli atomi di silicio hanno quattro "mani" per
stringere le mani dei vicini di casa .
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I cristalli di silicio non sono buon conduttori di elettricità. Gli elettroni sono troppo
uniti agli atomi e non possono mouversi bene. È come se vuoi uscire dal cinema dopo
un film e la sala del cinema è completamente piena, bisogna aspettare che i posti
attigui siano liberi per poter muoversi .
.
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Semiconduttori
Affinché i cristalli di silicio siano utili, bisogna introdurre altri attori in scena. Questi
personaggi sono gli atomi di fosforo e gli atomi di boro. Immagina che hai un
cristallo di silicio con qualche atomi di fosforo.Gli atomi di fosforo possiedono 5
elettroni, di cui quattro sono legati agli atomi di silicio vicini, ma c'è un' elettrone
che resta libero e gira "solitario" nella sua orbita e che ha più mobilità. Questo tipo
di elettroni permettono che il silicio sia un migliore conduttore di elettricità. Questo
tipo di silicio si chiama silicio-N .
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Silicio-N
Silicio-P
Elettrone
libero
Atomi
di silicio
Atomo
di boro
Buco
libero
Atomi
di fosforo
Atomi
di silicio
Per poter costruire una cella fotovoltaica, bisogna avere altro tipo di silicio che si
chiama silicio-P. I cristalli di silicio-P hanno sparsi qualche atomi di boro. Gli
atomi di boro solo possiedono 3 elettroni nel rivestimento esterno. La sensazione
che provoca è come se avessi un buco nel rivestimento esterno. Questi buchi
permettono il flusso di corrente .
.
Cosa succede se leghiamo silicio-N con silicio-P ?
....................................
Ecco, che gli elettroni liberi del silicio-N si mouvono per occupare i bucchi liberi
che sono nel silicio-P.
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Silicio-N
Elettroni liberi
Silicio-P
Buchi liberi
Unione N-P
Corrente elettrica
Separatamente, il silicio-N ed il silicio-P non sono capaci di generare corrente,
ma se leghiamo questi due silici e vengono stimolati dai fotoni della luce solare,
accade il miracolo: corrente elettrica.
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Panello solare reale
Dopo aver costruito la cella fotovoltaica bisogna fare ancora altre cose prima di
usarla.
.
La superficie dei cristalli di silicio è molto brillante, dunque si riflettono e non
penetrano nella parte interna. Perciò, la superficie di silicio si copre con un
rivestimento di materiale antiriflettente. Alla fine, tutta la cella si copre di un
materiale protectivo, come per esempio il vetro. Pensa, che la maggioranza dei
pannelli solari vengono istallati all'esterno e si espongono alla pioggia, alla
grandine, ai forti venti, ecc.
.
I pannelli più complessi hanno una struttura di rivestimenti come questa.
Pannello solare
Rivestimento
Cobertura di vetro antiriflettente
Griglia metallica
Silicio- N
Silicio- P
Base metallica
Generalmente, ciascuna delle calle fotovoltiche forniscono un voltaggio di 1.5 v.
Per ottenere più voltaggio ed intensità si collegano diverse celle formando pannelli.
Di solito, un pannello solare è composto da 36 celle fotovoltaiche.
La maggiore centrale fotovoltaica del mondo ha 33.500 pannelli solari, 5 MW di
potenza e si trova in Germania.
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Perdite di energia
Malaugratamente, non tutta l'energia della luce del sole si converte in energia
elettrica. Di solito, le celle fotovoltaiche solo convertono in corrente elettrica
circa di un 15 % della luce che ricevono.
.
Se un raggio di luce solare attraversa un prisma, osserveremo come la luce si
"dicompone" in un ventaglio di colori. Non tutti i fotoni trasmettono la stessa
energia, un fotono rosso ha meno quantità di energia che un fotote azurro. I
fotoni con meno quantità di energia non sono capaci di estrarre un'elettrone
de la sua orbita. Questi fotoni attraversano la cella senza fare nessuna funzione.
Invece, altri fotoni hanno più energia di quella che bisognano per estrarre
l'elettrone. Questo eccesso di energia si perde. L'unico vantaggio di questo
eccesso di energia è l'aumento di velocità con cui l'elettrone esce dell'atomo.
Affinché le celle fotovoltaiche siano
più utili, bisogna collegare ciascuna
delle loro facce a un circuito elettrico.
Si può coprire la base della cella con un
rivestimento di rame, ma la parte
superiore si deve coprire con una griglia
metal lica. Questa grigl ia metal lica
permetterà un passo parziale della luce.
Qu estoprovoca una riduzione di
rendimento per due ragioni. Da una
parte, la griglia ostacola il passo della
luce. D'altra parte, gli elettroni devono
muoversi verso la griglia percorrendo
un tragitto più lungo, ma il silicio è
un semiconduttore, cioè, gli elettroni
hanno una resistenza maggiore al
movimento che se percorresse per
un metallo.
Luce bianca Prisma di vetro
Rifrazione
della luce Arcobaleno
Kaizen e Challenge si sono mascherati da
"Capitano Fotote" per ricordarti che
anche fra i supereroi ci sono alcuni
che sono più forti di altri.
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Energia per una casa
Dopo la costruzione di un pannello solare, devi
decidere quanti pannelli dobbiamo istallare e
come dobbiamo fare l'istallazione.
sole
I pannelli solari si orientano in modo che
ricevano la massima quantità possibile di
luce durante tutto l'anno. L'ideale è che
tutti i pannelli siano verticali se si trovano
al nord.
,
nord
o
e
La posizione del sole dipende dall'ora e dal
giorno del anno. Sicuramente hai osservato
che la traiettoria del sole cambia nel corso
dell'anno. Perciò, l'orientazione del pannello
solare dipenderà dalla necessità di fornitura
per la mattina o per il pomeriggio.
s
È molto importante che si realizzi l'istallazione in modo che non si proiettino
ombre di alberi o edifici sui pannelli, perché se una ombra copre una
ella, il rendimeto del pannello se ridurrà a metà.
Dopo la scelta dell' orientazione che soddisfa meglio
le nostre necessità, dobbiamo decidire quanta pannelli
vogliamo istallare. È anche molto opportuno
sapere quanta giorni di pioggia
ci sono nella regione.
UPPPS!, AVREI DOVUTO PIANTARE
LA SEQUOIA GIGANTE IN
ALTRO LUOGO.
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E, se non brilla il sole?
In giorni assolati i nostri pannelli ci forniranno di tutta l'energia
che abbiamo bisogno, ma cosa succede se il sole non brilla?
Che possiamo fare i giorni nuvolosi o le notte.
Ci sono due soluzioni a questo problema. Prima soluzione: usare la rete di
energia elettrica. Quando i pannelli solari non forniscano sufficiente energia,
utilizzeremo l'energia della rete elettrica. D'altra parte, se generiamo più
quantità di energia di quella che abbiamo bisogno, possiamo dare questo
eccedente alla rete. Questo, logicamente, comporta arrivare ad un'accordo
con la compagnia elettrica.
.
Seconda soluzione: immagazzinare più energia di quella che consumismo
in batterie elettriche. La quantità di energia che dobbiamo immagazzinare
sarà sufficiente per poter passare il periodo di tempo più lungo che dobbiamo
essere senza luce solare.
.
Le batterie sono una opzione cara e richiede più mantenimento e misure di
sicurezza, perché contengono prodotti chimichi che hanno bisogno di un
immagazzinamento sicuro e ventilato. D'altra parte, le istallazioni solari che
utilizzano batterie hanno bisogno di sisteme di controllo di carica che
impedono che la batteria si sovraccarichi o si scarichi totalmente. Così, si
prolunga la vita della batteria.
.
Pannello solare
I tre scienziati si domandano se la loro
invenzione, il pannello solare
telescopico stratosferico, sarà
una migliore soluzione che
quella di trasferire il laboratorio
in un altro luogo più soleggiato.
Batteria di
immagazzimento
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Automobili solari
Una delle applicazione più curiose dell'energia solare sono gli automobili solari
alimentati con pannelli solarei. Forse non vedremo mai questi automobili solari
per le strade, ma sono un punto di partenza molto importante per cercare
soluzioni agli automobili attuali che funzionano con combustibili fossili
(petrolio e derivati). Gli automobili attuali sono altamente contaminanti.
Gli automobili solari non contaminano affatto. Alcuni di questi automobili
possono superare i 100 km/h. Inoltre, loro hanno un'autonomia
incredibile perché solo hanno bisogno del sole per funzionare.
Mentre il sole brilla, loro funzionano senza probleme. Perciò,
questi automobili non sono raccomandabile per paesi,
Partenza
dove non brilla molto il sole. Altro problema è
loro design. Normalmente gli automobili
solari sono monoposti, di modo che
non possono essere usati per andare
con tutta la famiglia in spiaggia.
Traguardo
Gli appassionati degli automobili solari si danno un appuntamento in Australia,
dove ha luogo la gara più famosa di automobili solari. Questa gara si chiama
World Solar Challenge e riunisce i prototipi più veloci e resistenti del mondo.
La World Solar Challenge è una gara durissima, per gradi, che attraversa il paese
da nord a sud. In Australia praticamente sempre brilla il sole, perciò è il luogo
ideale per realizzare questa gara. In ciascuna delle edizioni superano la media di
velocità. L'ultima gara fu guadagnata da un team olandese che attraversò il
continente australiano in 30 ore e la media di velocità fu 97 km/h. Non è niente
Challenge e Kaizen partecipano ad una
male, non credi?
.
gara di automobili solari. Come potete
comprovare, loro non hanno lo stesso
atteggiamento nella competizione.
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Le domande della
Dottora Query
PERCHÉ NON È L'ENERGIA SOLARE LA ´
FONTE ENERGETICA PRINCIPALE DEL MONDO?
Possiamo trovare la risposta nella sua più recente
applicazione che è, inoltre, il suo maggior difetto:
i pannelli solari solo funzionano correttamente in
luoghi soleggiati. Inoltre, si deve continuare a ricercare
per migliorare l'utilizzazione dei pannelli solari. Forse tu
trovi la soluzione definitiva per fare che l'energia più pulita
sia l'energia più utilizzata.
QUANTO TEMPO SI POTREBBE UTILIZZARE?
Sempre. Il sole è una fonte di energia inesauribile. Il sole brillerà al di sopra di
noi durante milioni di anni. Perciò, non dobbiamo preocuparci della mancanza
di petrolio,gas o carbone.
QUANTO TEMPO HANNO BISOGNO I RAGGI DEL SOLE
PER ARRIVARE ALLA TERRA?
I raggi del sole si muovono alla velocità della luce: 300.000 km al secondo. In 8
minuti, i raggi del sole percorrono la distanza fra il sole e la terra.
Sole
Raggi del sole
Terra
POTREBBERO ESSERE PERICOLOSI I
RAGGI DEL SOLE?
.
Sì, certo! I raggi del sole sono una fonte di calore e radiazione
diretta. Devi avere molta cura sempre che ti esponga al sole.
Non guardare mai il sole direttamente e porta occhiali da sole
e cappello se seiin campagna o in spiaggia. Utilizza crema di
protezione solare se sei molto tempo sotto il sole e non vuoi
che la tua pelle si bruci. La bruciatura della pelle è molto
dolorosa e può avere conseguenze gravi. Non prendi questi
consigli in scherz.o
.!
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Pro
f
È sempre pronto per provare ed esperimentare.
Il professore Challenge è iperattivo e distratto.
Solo smette di lavorare alle cinque per prendere
il tè. Gli piace moltissimo la musica popolare,
specialmente le polke.
ge
en
ore Chall
s
s
e
ttora Query
o
D
ssore Kaiz
e
f
e
ro
n
Il professore Kaisen è un lavoratore
infaticabile e sempre ha voglia di superarse
sé stesso. Lui è metodico, esauriente e molto
paziente. Gli piace molto fare scherzi i suoi
compagni.
P
Se c'è qualcuno che non smette mai di
domandare, lei è la Dottora Query. Le piace
moltissimo gli enigma ed è una appassionata
delle torte e dei cioccolatini.
Ci vediamo nella prossima avventura!
MINI LAND S. A.
Oni l - Al ica nt e - SPAIN
C/ L a Pa tro nal s /n 0343 0
P. I nd . La Ma rj al I
m i n il and@ min il and. es www. mi nil an d.es TEL. : +34 966 557 775
Design, creatività e testi: Sieteleguas Ediciones S.L. Dottora Query
Consulente scientifico: Obdulio Serrano. Laureato in Scienze Fisiche.