ALLA LUCE DEL SOLE - INFN-LNL

SPERIMENTANDO 2011
“Sperimenta anche tu”
RELAZIONE
ALLA LUCE DEL SOLE
(pannello fotovoltaico sviluppato per uso didattico)
I.S.I.S.S. “GIUSEPPE VERDI” di VALDOBBIADENE (TV)
Area scientifica individuata: fisica-elettrotecnica
GRUPPO DI LAVORO:
Classi:
3^A e 4^A – ITIS
Studenti tutor:
Denis Pilla (3^A ITIS), Carmelo Mastrogiacomo (4^A ITIS)
Docente referente:
Giorgio De Conto
Docente ITP:
Carmelo Leone
Assistente Tecnico:
Andrea Gazzola
Sperimentando 2011
Sperimenta anche tu
ALLA LUCE DEL SOLE
RELAZIONE
(pannello fotovoltaico sviluppato per uso didattico)
INDICE:
1. PREMESSA ..............................................................................................................................................................................3
2. STUDIO DEI PRINCIPI FISICI ............................................................................................................................................3
LE VARIABILI NATURALI E DI POSIZIONE ....................................................................................................................................4
3. DAL PROGETTO AL PRODOTTO......................................................................................................................................5
FASE PROGETTUALE ...................................................................................................................................................................5
FASE ESECUTIVA ........................................................................................................................................................................5
MATERIALI UTILIZZATI ..............................................................................................................................................................5
MACCHINE, ATTREZZATURE E STRUMENTI UTILIZZATI ...............................................................................................................5
4. DESCRIZIONE DELL’ESPERIMENTO .............................................................................................................................6
5. CONCLUSIONI E RISULTATI FINALI..............................................................................................................................7
RINGRAZIAMENTI ...................................................................................................................................................................7
BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................................................................................7
ISISS “G. Verdi” – Valdobbiadene (TV)
Dipartimento di Meccanica e Tecnologia
Classi 1^A ITIS e 1^B ITIS
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(pannello fotovoltaico sviluppato per uso didattico)
1. Premessa
L’istituto “Giuseppe Verdi” di Valdobbiadene che frequentiamo è sempre stato molto attivo nell’ambito
dell’energia, del risparmio energetico e dell’utilizzo delle fonti rinnovabili, sviluppando progetti di vario
tipo con le classi del triennio, che spesso si sono ben difesi ai concorsi regionali e nazionali a cui hanno
partecipato. Nell’anno scolastico 2008/2009, infatti, una classe del corso I.T.I.S. ha partecipato ad un
concorso organizzato dall’ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l’Energia e l’Ambiente) con un progetto
dal titolo “A scuola di… Risparmio Energetico”; il risultato di tale
progetto è stata una menzione speciale per l’applicabilità e la
replicabilità del progetto ottenendo in premio anche un pannello
fotovoltaico completo di tutti gli accessori per riuscire ad
accendere una lampadina.
Per questa edizione di Sperimentando abbiamo pensato di
sviluppare questo pannello, per permetterne un uso didattico
molteplice: dalla misura della potenza elettrica prodotta per effetto
fotovoltaico, alla verifica dell’efficienza di lampade ad
incandescenza e a basso assorbimento, ribattezzate ad alta
luminosità. Si è inoltre pensato di realizzare una struttura di
supporto che permettesse l’orientamento del pannello e che
risolvesse inoltre il problema del trasporto e della manovrabilità
del pannello stesso, che così come si trovava non era per niente
agevole.
2. Studio dei principi fisici
L’effetto fotovoltaico consiste nella conversione dell’energia solare in energia elettrica. Questo processo
è possibile grazie a specifiche proprietà fisiche di alcuni materiali, detti semiconduttori, il più conosciuto
dei quali è il silicio. Quando un raggio luminoso raggiunge un sottile strato di tale materiale, l’energia
della sua radiazione viene trasferita agli elettroni del materiale, che, in funzione del livello della
radiazione, si spostano, creando un campo elettrico. La chiusura del circuito elettrico determina una
corrente elettrica continua.
La parte fondamentale di un impianto è la cella fotovoltaica, la cui fabbricazione inizia da un cristallo
cilindrico di silicio ottenuto da un bagno di silicio fuso, che viene contaminato mediante una piccola
concentrazione di impurità.
La tecnologia fotovoltaica si caratterizza, tra le fonti energetiche rinnovabili, per i seguenti particolari
vantaggi:
• Può essere utilizzata ovunque, quando ci sia irradiazione solare;
• Possono essere evitate le perdite di energia dovute al trasporto (nella maggior parte dei casi i
dispositivi fotovoltaici possono essere installati vicino agli apparecchi che ne utilizzano l’energia così
da ridurre le perdite dovute al trasferimento di energia lungo la linea elettrica);
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• E’ possibile stimare la produzione di energia annua, ammettendo un margine di errore,
indipendentemente dalla variabilità di richiesta;
• Copre una vasta gamma di potenze: da pochi mW, per il calcolatore tascabile, alle decine di MW per
le centrali;
• La potenza dell’impianto può essere modificata in qualsiasi momento;
• Non produce alcun genere di inquinamento durante la produzione di energia;
• La manutenzione è minima, non essendoci parti meccaniche in movimento.
Grazie a questi vantaggi, i dispositivi fotovoltaici sono particolarmente adatti ad essere installati nella
maggior parte delle costruzioni, per qualsiasi utilizzo (abitazioni, uffici, fabbriche, zone commerciali...).
Le variabili naturali e di posizione
La radiazione solare massima si ha quando il cielo è sereno o poco nuvoloso, mentre quella minima si
ha in condizioni di nebbia o cielo scoperto. Per stimare la potenza di un pannello bisogna considerare
quindi anche i fattori atmosferici, quali sole, nebbia, pioggia, ecc.
L’assorbimento di energia da parte di un impianto fotovoltaico dipende principalmente dal
posizionamento del pannello.
Si definiscono i seguenti due angoli fondamentali:
Tilt:
angolo di inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale.
Azimut:
angolo di orientamento del pannello rispetto al sud.
Impostare correttamente gli angoli di Tilt (inclinazione del pannello rispetto al piano orizzontale) e Azimut
(l’angolo di orientamento rispetto al sud) permette di sfruttare al massimo, in ogni momento, la
radiazione solare disponibile.
Il struttura di supporto è stata realizzata proprio per questo, cioè per poter mettere il pannello in diverse
posizioni e quindi, nell’arco di poco tempo, si può rilevare il suo rendimento nelle diverse inclinazioni in
cui è stato posizionato.
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3. Dal progetto al prodotto
Fase progettuale
La fase progettuale ha riguardato principalmente gli aspetti relativi al supporto.
Come la maggior parte delle idee da sviluppare, su un foglio abbiamo preliminarmente riportato uno
schizzo a mano libera per la messa a punto delle dimensioni ottimali del supporto; le dimensioni sono
state scelte in base anche ai materiali a disposizione nella nostra officina.
Dopo l’analisi preliminare, è iniziato il dimensionamento e la rappresentazione grafica a mezzo
computer, utilizzando il software AutoCAD® .
Ciascun componente della struttura è stato disegnato singolarmente, per poi procedere alla
realizzazione del disegno complessivo, dove si sono assemblati i singoli disegni, verificandone la
reciproca correttezza dimensionale.
Successivamente si sono compilati i fogli di lavoro per la produzione della struttura, la lista materiali per
la realizzazione del progetto ed i macchinari da utilizzare.
Fase esecutiva
La struttura del pannello fotovoltaico ha richiesto qualche decina di ore di lavoro all’interno dell’officina
della scuola.
Materiali utilizzati
- 9 pezzi di tubolare quadro
- 1 pezzo di tubolare tondo
- 4 pezzi di tubolare angolare
- 4 piastre
- 2 supporti lampade
- viti M6 X 16
- Goniometro ad asta
- 2 pomelli
- 4 ruotine
- bussola
- 4 interruttori
Macchine, attrezzature e strumenti utilizzati
Tornio parallelo;
Fresa;
Trapano a colonna;
Saldatrice a filo (MIG);
Mola a disco e smerigliatrice;
Levigatrice.
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4. Descrizione dell’esperimento
Come accennato precedentemente, l’esperimento consiste nel calcolo della potenza elettrica generata
da un pannello fotovoltaico, con la possibilità di effettuare rilievi anche con diversi valori dell’angolo di tilt
e di azimut.
Per riuscirci è necessario effettuare due misure, entrambe con l’utilizzo di un tester.
Si procede nel seguente modo:
1.
Impostare l’angolo di azimut orientando
il pannello fotovoltaico con l’ausilio di
una bussola;
2.
Impostare l’angolo di tilt inclinando il
pannello fotovoltaico con l’ausilio del
goniometro ad asta mobile;
goniometro ad
asta mobile
Misura della tensione elettrica (V):
3.
impostare il tester (o multimetro) su volt
in corrispondenza del valore 700 V
4.
verificare che i connettori dei puntali
siano inseriti nel tester come segue:
il “nero” sul comune (COM)
il “rosso” su ingresso
tensione in regime continuo
misura
5.
inserire uno dei due puntali del tester
sul morsetto A
6.
inserire l'altro puntale del tester sul morsetto B
7.
verificare che il circuito sia chiuso, ovvero che l'interruttore sia sulla posizione “0”
8.
rilevare la misura della tensione a batteria scollegata
Misurazione dell’intensità elettrica (A)
9.
impostare il tester (o multimetro) su ampere in corrispondenza del valore 10 A
10. verificare che i connettori dei puntali siano inseriti nel tester come segue:
il “nero” sul comune (COM)
il “rosso” su ingresso misure corrente in regime continuo
11. inserire uno dei due puntali del tester sul morsetto B (preferibilmente il “nero”)
12. inserire l'altro puntale del tester sul morsetto D
13. verificare che il circuito sia chiuso, ovvero che l'interruttore sia sulla posizione “0”
14. rilevare la misura dell’intensità di corrente a batteria scollegata
Calcolo della potenza elettrica del pannello fotovoltaico [P]:
15. moltiplicare tra loro le due misure rilevate
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5. Conclusioni e risultati finali
L’esperienza di questo progetto è stata positiva in quanto abbiamo imparato a progettare, realizzare e
presentare il prodotto finito. La realizzazione pratica in officina è stata più coinvolgente ed interessante
perché man mano che si lavorava si vedevano ogni giorno dei piccoli risultati “concreti”.
Tutto il gruppo di lavoro è stato impegnato nelle varie attività e siamo rimasti soddisfatti dei risultati
ottenuti. In questa attività siamo riusciti a progettare, costruire e presentare il nostro progetto. Speriamo
di poter partecipare ancora a progetti simili riguardanti il campo scientifico-meccanico.
Ringraziamenti
Rivolgiamo un ringraziamento ai professori, ai tecnici e a tutto il personale scolastico che ci ha sostenuto
e ha collaborato al progetto e che si è adoperato per metterci a disposizione, nei tempi richiesti, le
attrezzature e i materiali necessari ai fini della realizzazione del nostro lavoro.
Ringraziamo inoltre i nostri colleghi di 5^A ITIS che, avendo vinto il pannello fotovoltaico ad un concorso,
hanno reso possibile la realizzazione dell’attrezzatura.
Bibliografia
C. Pidatella, M. Poggi – “Corso di meccanica razionale” – Zanichelli
G. Cornetti – “Unità di Macchine” – il capitello
L. Caligaris, S. Fava, C. Tomasello – “Manuale di meccanica” - HOEPLI
F. Calza (2009) – “Produrre, trasformare, utilizzare energia” Ed Sandit
Enel.si s.r.l, “Guida agli impianti fotovoltaici 2009”
http://www.enel.it/enelsi/offerta/doc/Guida_agli_Impianti_Fotovoltaici_2009.pdf - ultimo accesso 14-05 2010
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