Tesina Introini

TESI D’ ESAME
Alunno: Introini Francesco
Anno Scolastico: 2014/2015
Classe: 5°A sez. Elettrotecnica
Istituto: IIS E. Mattei San Donato Milanese
LE POTENZIALITA’ DELL’ ENERGIA RINNOVABILE
Il fotovoltaico : Energia del futuro
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
INDICE
• Pag. 3 : Il Diodo e la sue caratteristiche
• Pag. 4 : Giunzione P-N, polarizzazione diretta ed inversa
• Pag. 5 : Utilizzo del diodo nel fotovoltaico
• Pag. 6 : Introduzione all’ impianto fotovoltaico
• Pag. 7 : calcolo della producibilità annua
• Pag. 8: Materiale utilizzato per il modellino
• Pag. 9: Specifiche tecniche modulo solare
• Pag. 10: Cablaggio modellino
• Pag. 11: Caratteristiche del regolatore di carica
• Pag. 12: Controller di comando
• Pag. 13: Strumenti di misura
• Pag. 14 : Crazy use of the electricity
• Pag. 15 : Poesia “ Se questo è un uomo”
• Pag. 16 : Biografia Primo Levi
• Pag. 17 : Un mondo nuovo
• Pag. 18 : Sitografia e bibliografia
2
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Il diodo e le sue caratteristiche:
Con il termine diodo, indichiamo un dispositivo elettrico bipolare, il quale presenta la particolare
caratteristica di far fluire una corrente all’ interno di esso , solamente in una direzione.
Indicando con A (Anodo) il polo positivo e con K (catodo) il polo negativo del diodo, possiamo
notare che se una tensione viene applicata connettendo il polo positivo dell’ alimentazione all’
anodo ed il negativo al catodo, il diodo presenta una resistenza molto bassa mentre al contrario,
applicando una tensione di polarità inversa, quindi con il polo positivo dell’ alimentazione collegato
al catodo, la resistenza presenta un valore molto alto..
In questo modo il passaggio di corrente può avvenire solamente in un senso, cioè con la
applicazione di tensione con il polo positivo all’ anodo.
Questa particolarità del dispositivo è dovuta alla composizione chimica del materiale di cui è
costituito. Ogni diodo è composto internamente da atomi di silicio purissimo, il quale però da solo
non è in grado di operare nessun lavoro se non quello di condurre elettricità.
Quindi le lastre di Silicio impiegate nella costruzione del diodo, vengono drogate con altri atomi di
Boro e Arsenico, iniettati separatamente ed in due sezioni diverse, da macchine particolari.
Se si analizza la struttura atomica del Silicio si nota che l’ orbita esterna (banda di valenza) presenta
4 elettroni liberi.
Gli atomi di Boro ed Arsenico invece nella banda di valenza,
presentano rispettivamente 3 e 5 elettroni liberi.
In seguito all’ immissione di Boro e Arsenico nelle lastre di Silicio, gli atomi si uniranno con un
legame covalente, dove gli elettroni esterni vengono condivisi da due atomi fino a raggiungere l’
ottetto.
Nella sezione drogata con Boro, che presenta 3 elettroni liberi si otterrà cosi una mancanza di un
elettrone chiamata “ lacuna” (Boro: atomo accettore).
Nella sezione drogata con Arsenico, che presenta 5 elettroni liberi si otterrà invece un’ eccesso di
un elettrone (Arsenico: atomo donatore).
3
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Giunzione P-N:
Gli atomi di Boro ed Arsenico vicini, tendono a complementarsi, colmando le lacune con gli eccessi
di elettroni, questo fenomeno è detto giunzione P-N, si crea quindi nel diodo una zona neutra e
quindi isolante, che limita il passaggio di corrente (depletion layer)
POLARIZZAZIONE DIRETTA:
Applicando una tensione con il polo positivo dell’ alimentazione connesso all’ anodo, si agisce
sulla depletion layer che viene ridotta di molto. Il diodo così diventa conduttore di corrente elettrica.
Il diodo in particolare,inizia a condurre quando la tensione applicata supera la tensione di soglia
(Vr ,dipende dal materiale di cui è composto il diodo, in particolare per il silicio vale 0,6/0,7 v)
POLARIZZAZIONE INVERSA:
Se la tensione viene applicata connettendo il positivo al catodo, la deplection layer si espande di
molto. In questo modo si rende il diodo un isolante.
All’ interno del diodo si crea una corrente di reazione inversa (Id) che è prossima a 0A.
Oltre un certo valore di tensione inversa ( Vb = break down) il diodo subisce l’ aumento
esponenziale di corrente inversa che porta alla rottura del diodo.
4
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Utilizzo dei diodi nel fotovoltaico:
I diodi utilizzati per la produzione dei moduli fotovoltaici sono in grado di sfruttare l’ energia del
sole per creare una differenza di potenziale tra anodo e catodo:
Considerando quindi un insieme di diodi che compongono una cella fotovoltaica,
I diodi saranno orientati in modo che tutti gli anodi siano dallo stesso lato ed equivalentemente, tutti
i catodi orientati dal lato opposto.
I fotoni, che costituiscono l’ irraggiamento solare, vengono proiettati sulla superficie superiore della
cella o del modulo fotovoltaico, costituita dalla parte catodica della giunzione.
L’ energia cinetica dei fotoni crea un flusso di elettroni nella parte catodica, contemporaneamente
un flusso di lacune nella parte anodica.
Gli elettroni in eccesso nella zona N superano la depletion layer e non possono invertire la direzione
del loro flusso perché il campo elettrico che si crea nella regione di svuotamento (o depletion layer)
lo impedisce.
Connettendo quindi un conduttore alla giunzione si ottiene un circuito che presenta una differenza
di potenziale tra il polo positivo e negativo e di conseguenza un flusso di elettroni, fin tanto che la
cella rimane esposta alla luce.
.
5
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Introduzione all’ impianto fotovoltaico
Un impianto fotovoltaico è un particolare sistema di apparecchiature elettriche, che permettono di
utilizzare l’ energia che il sole rilascia sulla superficie terrestre ogni giorno.
Questa energia, chiamata irraggiamento solare (fasci di fotoni), viene raccolta da un insieme di
moduli solari : pannelli con un rivestimento di diodi fotosensibili che permettono una creazione di
differenza di potenziale (tensione) quando sono sottoposti ad irraggiamento solare.
La tensione prodotta dai moduli è continua.
Connettendo quindi vari moduli in serie possiamo
ottenere la tensione desiderata.
Per aumentare la potenza complessiva dell’ impianto
è sufficiente aumentare il numero di moduli.
Ogni serie di moduli è chiamata stringa.
L’ insieme delle stringhe sarà poi connesso ad un
inverter solare:
L’ inverter è un particolare dispositivo in grado di commutare una tensione continua ricevuta dalle
stringhe in una tensione alternata, cioè la classica forma di tensione che si trova in tutte le abitazioni
e industrie. La tensione è poi regolata a 230/400V con un trasformatore interno all’ inverter.
Esistono tre principali tipi di impianto fotovoltaico:
• Stand Alone: l’energia prodotta dai moduli viene sfruttata direttamente sul posto, l’
eccesso di energia viene immagazzinato tramite sistema di accumulo di energia (batterie).
• Grid connected: l’ impianto è connesso alla rete elettrica nazionale. Grazie ad un contatore
bidirezionale, l’ energia non consumata viene immessa nella rete con un risparmio da parte
del proprietario dell’ impianto. L’ inverter oltre a trasformare la tensione in alternata, ha il
compito di sincronizzare perfettamente la frequenza a 50Hz con la frequenza della rete Enel.
• Ibrido: è un impianto connesso alla rete elettrica che sfrutta principalmente l’energia solare
grazie all’accumulatore che,nel caso fosse scarico,viene collegato attraverso una centralina
caricando l’impianto con la rete elettrica.
6
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Relazione tecnica impianto fotovoltaico in scala
Scopo del progetto: Simulazione del funzionamento di un impianto fotovoltaico ad uso civile
(potenza in rapporto 1:1000) applicato a modellino di villetta
Descrizione: Realizzazione di un modellino di villetta al fine di mostrare il funzionamento di un
impianto fotovoltaico ( stand-alone). Il modellino rappresenta, in scala 1: 200 , un impianto
elettrico ad uso civile di una villetta di 300 mq circa di cui è realizzato il seguente progetto tecnico.
Per motivi di praticità e sicurezza abbiamo optato per l’ utilizzo di apparecchiatura funzionante in
12 V DC.
Inoltre viene simulato il funzionamento degli apparecchi di protezione della linea, da cortocircuito e
sovraccarico(magneto-termico) tramite fusibili da 6A
Calcolo della producibilità annua:
Ipotesi di progetto:
a) Villetta situata a Milano
b) Angolo Azimut = 0° sud
c) Angolo di tilt pannello = 30°
d) Realizzazione di impianto fotovoltaico da 5 kWp
•
•
•
•
Radiazione solare media annuale su Milano Rma= 1307 kWh/mq
Valore standard di irraggiamento = 1kWp/mq
Rendimento impianto η = 0.75
Coefficiente correttivo - 0° sud e 30° tilt K = 1.13 (da tabella ministeriale)
Energia prodotta annua = Rma * η * K * kWp = 1307 kWh/mq * 0.75 * 1.13 * 5 kWp =
[Analisi dimensionale dato irraggiamento standard di 1kWp/mq commutiamo la grandezza mq con
kWp => 1307Kwh/mq = 1307 kWh/kWp]
=5538 kWh prodotti in un anno
Dato il costo al kWh dell’energia elettrica = 0.15 € cent si può dedurre un risparmio annuo di
€ 1107
Per mantenere la proporzione in scala 1:1000, abbiamo utilizzato un modulo fotovoltaico da 5Wp
7
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Materiale utilizzato per la realizzazione del modello in scala:
N.1 Casa sezionata in scala 1/200
N.5 Luci led
N.1 Modulo fotovoltaico
N.1 Regolatore di carica
N.1 Batteria al piombo ermetica 6Ah
N.6 Interruttori (5 stanze +1generale)
N.1 Pulsante
N.1 Campanello
8
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Modulo fotovoltaico
Tensione
12 V
Potenza Nominale
5 Wp
Tensione a punto
massimo (Vmp)
18.36 V
Corrente a punto
massimo (Imp)
0.27 A
Tensione a circuito
aperto (Voc)
Corrente a corto
circuito (Isc)
Celle/Modulo
Dimensione
Peso
22 V
0.29 A
36
260 x 220 x 18 mm
0.8 Kg
9
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Descrizione del lavoro svolto
Cablaggio:
Il modellino acquistato presentava un basilare cablaggio elettrico delle stanze, collegate in serie.
La necessità di controllare singolarmente l’accensione di stringhe di led, da noi aggiunte al fine di
ottenere un illuminazione ottimale, ci ha portato ad effettuare un completo ricablaggio della
struttura.
• Il modulo solare produce una tensione di circa 12 V in condizioni standard di irraggiamento
solare.
• La tensione prodotta viene accumulata tramite l’utilizzo di una batteria al piombo anch’essa
da 12V per poter usufruire dell’ energia anche i condizioni di scarso o assente irraggiamento
solare.
• Il regolatore di carica ha lo scopo di regolare il parametro di corrente necessaria alla corretta
ricarica della batteria e di stabilizzare la tensione in uscita ai morsetti a cui vengono
collegati gli utilizzatori.
10
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Caratteristiche tecniche del regolatore di carica:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Selezione automatica della tensione (12 o 24V)
Funzione crepuscolare e timer regolabile
Protezione del sovraccarico (sia in ingresso
che in uscita)
Protezione dalla sovratemperatura
Protezione dalla polarità inversa (sia per i
moduli che per le batterie)
Pre-allarme di batteria scarica tramite LED
Protezione della batteria dall'eccessiva carica
(evita il sovraccarico della batteria che la
rovinerebbe)
Protezione della batteria dall'eccessiva scarica
(evita la scarica completa della batteria che ne
diminuirebbe la vita)
Indicazione stato di carica e malfunzionamenti
del sistema con LED
Modello
Tensione di sistema (V)
Corrente max ingresso (A)
Corrente max uscita (A)
Massimo autoconsumo (mA)
EP5
12/24
5
5
6
Coefficiente di compensazione
della temperatura
Tensione di uscita (V)
Umidità
Temperatura di funzionamento
(ºC)
Tipo di carica
Grado di protezione
Dimensioni (mm)
Peso (Kg)
-30mV/°C/12V
12/24
10%-90% NC
da -35º a +55º
Serie PWM (4 fasi)
IP 30
97 x 66 x 25
0.05
11
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Controller di comando:
Per controllare l’accensione singola di ogni stanza, abbiamo realizzato un controller di comando
adattando una scatoletta in plastica inserendovi 6 interruttori (1 per ogni stanza + 1 generale) e un
pulsante per azionare il campanello.
Ogni interruttore interrompe il positivo della striscia di led attaccata al soffitto della stanze in modo
da poter scegliere quante e quali stanze accendere.
12
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Strumenti di misura:
Abbiamo voluto applicare al nostro impianto un
voltmetro e un amperometro per poter controllare
i valori di tensione prodotta dal pannello e la
quantità di corrente assorbita dagli utilizzatori
installati.
Avendo a disposizione un amperometro di portata
100mA ed avendo un assorbimento massimo di
circa
300
mA,
abbiamo
modificato
l’amperometro installando ai suoi capi una
resistenza in parallelo del valore di 2/3 della
resistenza interna all’ amperometro.
In questo modo, la corrente si distribuisce per 1/3
nell’amperometro e per 2/3 viene assorbita dalla
resistenza.
Il valore reale di corrente sarà quindi
interpretabile moltiplicando X3 il valore di lettura
dell’ amperometro
13
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Crazy use of electricity
It’s the 1944, the world war II is everywhere in Europe.
Adolf Hitler is bringing his Reich in all parts of Europe, the Allied Forces are
organizing to defeat him, and in Germany, the Nazist have built some prisons called
“concentration camps” where most of the prisoners are Jews together with Gypsies,
Communists, and other people not accepted by the Nazist Dictatorship.
Inside this camps, the millions of prisoners were kept in very poor conditions and in
addition, they were used to make a lot of very hard and bad works, needed by
Germany during the war. The Prisoners were forced to work inside and outside the
caps for the manufacturing of weapons and other war machines and for the building
of structures, railways and everything else needed.
During the war, Hitler with the foolish plan to exterminate all the Jewish, decided to
allow his Scientists ,(if so they can be called), to make lethal experiments on the
prisoners with the scope to verify the capacity of survival of human being under
torture.
So some teams of German scientists, conducted experiments with the electricity with
the purpose to build lethal electric equipments.
In this times the effects that the electricity could create on a human body were not
known yet.
So it was discovered that the limit of electrical shock that an adult man can sustain is
more or less 50V before to die, and this information was used for the manufacture of
electrical instrumentations utilized to force enemy war prisoners to tell important
information under torture without causing the death.
We can conclude that a very important discover for humanity as he electricity can
also be used with negative purposes.
Anyhow all the information obtained by this macabre experiments and very well
described by those fool scientists, after the war, has been utilized to study and limit
the damages produced by electricity on human beings.
14
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Poesia “Se questo è un’ uomo”
(Primo Levi)
Voi che vivete sicuri
Nelle vostre tiepide case,
Voi che trovate tornando a sera
Il cibo caldo e visi amici
Considerate se questo è un uomo
Che lavora nel fango
Che non conosce pace
Che lotta per mezzo pane
Che muore per un sì o per un no.
Considerate se questa è una donna,
Senza capelli e senza nome
Senza più forza di ricordare
Vuoti gli occhi e freddo il grembo
Come una rana d’inverno.
Meditate che questo è stato:
Vi comando queste parole.
Scolpitele nel vostro cuore
Stando in casa andando per via,
Coricandovi alzandovi;
Ripetetele ai vostri figli.
O vi si sfaccia la casa,
La malattia vi impedisca,
I vostri nati torcano il viso da voi.
15
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Biografia di Primo Levi
Primo Levi nasce il 31 luglio del 1919 a Torino, da genitori di religione ebraica.
Nel 1937 si diploma al liceo classico, per poi iscriversi al corso di laurea in chimica presso la
facoltà di Scienze dell’Università di Torino.
Dopo la promulgazione delle leggi razziali, Levi incorre in molte difficoltà nel riuscire ad esporre la
propria tesi, ma riesce a laurearsi nel 1941, a pieni voti e con lode.
Sul diploma di laurea viene riportata la precisazione: «di razza ebraica».
Levi si trasferisce a Milano dove inizia la sua carriera di chimico. Frequenta amici ed ambienti
antifascisti, e durante la guerra si unisce ai partigiani sulle montagne della Valle D'Aosta.
Durante l’occupazione tedesca, il 13 dicembre del ’43 viene catturato a Brusson in Trentino, viene
poi trasferito al campo di raccolta di Fossoli, dove comincia la sua odissea.
L’autore è successivamente deportato a Monowitz, vicino Auschwitz, in un campo di lavoro in cui i
prigionieri sono al servizio di una fabbrica di gomma. Al Lager, Primo Levi e tutti gli altri
prigionieri , si ritrovano in pochissimo tempo rasati, disinfettati spogliati dei propri averi e vestiti
con pantaloni e giacche a righe.
Su ogni casacca c’è un numero cucito sul petto. Dietro quel numero non c’è più un uomo, ma solo
un oggetto, un attrezzo : “ häftling”. Se funziona, va avanti. Se si rompe, è gettato via.
Levi è l’ häftling 174517. Funzionante.
Primo Levi è tra i pochissimi a far ritorno dai campi di concentramento. Ci riesce anche grazie al
lavoro da chimico per la gomma,svolto in un ambiente relativamente esterno alle atrocità del
campo. Dopo l’ ingresso dei soldati Russi ad Auschwitz e dopo un lungo girovagare nei paesi dell'
Est fa ritorno a casa
Quale testimone diretto di tante atrocità, sente il dovere di raccontare, affinché tutti sappiano, cosa
realmente accadde in questo periodo di storia
Nel 1947 pubblica il manoscritto “Se questo è un uomo”.
Vengono pubblicati altri libri, come “La Tregua”, “I Sommersi e Salvati”,“Storie naturali”, “Vizio
di forma”, “La chiave a stella” e altri ancora.
Alcuni sono incentrati sulla condizione ebraica durante la guerra, da lui steso vissuta; altri sono di
tipo scientifico, legati ai suoi studi di chimica..
L’11 aprile del 1987 Primo Levi muore cadendo per le scale. Alcuni pensano sia scivolato, altri
affermano che si sia gettato giù per le scale, per volersi suicidare.
16
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Un mondo nuovo
Il contesto in cui volge l’ Europa nei primi anni del dopoguerra è di apparente calma.
Il 26 Giugno 1945 , 51 paesi firmano a San Francisco, un trattato di pace e si
riuniscono sotto il nome di Organizzazione delle Nazioni Unite (ONU) ;
Dopo l’ assaggio, da parte di tutti i popoli del mondo, di due guerre mondiali,
l’ ONU si pone nel contesto sociale con lo scopo di preservare le generazioni future,
dal flagello dell’ umanità che è la guerra.
L’ ONU sostituisce così la vecchia e fallimentare società delle Nazioni che si era
formata alla fine del primo conflitto mondiale, riunendo sotto il proprio vessillo
anche gli Stati Uniti d’ America.
I 5 paesi vincitori del conflitto: USA, Gran Bretagna, Francia, Cina e Russia federale
(ex unione Sovietica ) entrano a far parte del Consiglio di sicurezza dell’ ONU, in
modo permanente e con diritto di veto sulle decisioni del consiglio. Assieme ad altri
dieci membri degli stati facenti parte del organizzazione, eletti ogni due anni,
costituiscono l’ organo a cui spettano le decisioni per il mantenimento della pace nel
mondo.
Gli Stati Uniti si affermano come linea guida per l’ intero occidente, diventando una
super potenza :
Il prodotto interno lordo raddoppiato grazie ai crediti verso le nazioni aiutate nel
conflitto ed il territorio che non era neppure stato sfiorato dalla guerra, la bomba
atomica ed il primato tecnologico in campo militare, rendevano gli Stati Uniti il
modello da seguire per tutti gli stati Europei che si stavano risollevando dalla guerra.
In delibera dell’ ONU, i popoli europei ottengono il Welfare State: obbligo
istituzionale, di ogni nazione, di garantire ad ogni cittadino un istruzione di base, l’
assistenza sanitaria, la sopravvivenza in caso di povertà, la difesa dell’ ambiente e
delle risorse culturali.
Inoltre il 10 dicembre 1948 l’ ONU approva la Dichiarazione dei diritti umani,
riconoscendo ad ogni uomo il diritto di vita in quanto tale.
17
Francesco Introini
Tesi d’esame 2014/2015
Bibliografia e sitografia
Nozioni sui diodi
Libro di testo : Corso di elettrotecnica ed elettronica HOEPLI
Manuale di elettrotecnica
Nozioni sul fotovoltaico
Libro di testo : Tecnologia e progettazione sistemi elettrici ed elettronici
TRAMONTANA
Manuale di elettrotecnica
Nozioni di storia
Libro di testo : L’ esperienza della storia MONDADORI
Digiland/Libero.it
Nozioni su Primo Levi
Digiland/Libero.it
18