Reggio Emilia
BICICLETTA
SOLA-RE
Classi partecipanti:5°L-5°M I.T.I.S. L.Nobili
Docente referente: Elena M. Pandini
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INTRODUZIONE .......................................................................................................... 5
Le fonti rinnovabili di energia ................................................................................. 5
L’energia fotovoltaica ............................................................................................. 6
Un impianto fotovoltaico ........................................................................................ 6
IL GENERATORE FOTOVOLTAICO ................................................................................ 7
IL SISTEMA DÌ CONDIZIONAMENTO E CONTROLLO DELLA POTENZA .......................... 9
I benefici ambientali ............................................................................................. 10
La situazione mondiale ......................................................................................... 10
LA RADIAZIONE SOLARE ........................................................................................... 14
EFFETTO FOTOELETTRICO ........................................................................................ 18
EFFETTO FOTOVOLTAICO ......................................................................................... 19
La cella fotovoltaica .............................................................................................. 19
Illuminazione del diodo ......................................................................................... 19
Caratteristica elettrica della cella fotovoltaica ...................................................... 20
LE BATTERIE RICARICABILI ........................................................................................ 21
Batteria al piombo ................................................................................................ 21
Batteria Nichel-Cadmio ......................................................................................... 23
Batteria agli ioni di litio ......................................................................................... 25
SEMICONDUTTORI E CELLE FOTOVOLTAICHE ........................................................... 28
Tecnologie delle celle fotovoltaiche ...................................................................... 28
Proprietà elettroniche del Silicio ........................................................................... 30
La fisica del processo fotovoltaico ........................................................................ 31
Il Silicio amorfo ..................................................................................................... 34
Tecnologia dell’eterogiunzione Silicio amorfo / Silicio cristallino .......................... 35
LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI .......................................................................... 37
Storia delle biciclette elettriche ............................................................................ 38
IL NOSTRO ESPERIMENTO ........................................................................................ 40
CARATTERISTICHE TECNICHE DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI .................................... 42
Pannello fotovoltaico ............................................................................................ 42
Convertitore DC\DC .............................................................................................. 43
Batteria della bicicletta (al litio) ............................................................................ 44
3
CONCLUSIONI ........................................................................................................... 45
RINGRAZIAMENTI ..................................................................................................... 46
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INTRODUZIONE
È ormai accertato che è soprattutto dall’esigenza di disporre di grandi quantità di
energia che nascono i principali fenomeni che danneggiano l’ambiente.
Oggi l’energia viene prodotta essenzialmente bruciando combustibili fossili quali
petrolio, carbone e metano, anche se negli ultimi anni si è registrato un aumento
dell’utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili.
Le fonti rinnovabili di energia
Le fonti rinnovabili di energia sono quelle che, a differenza dei combustibili fossili,
possono essere considerate virtualmente inesauribili e che hanno un impatto
sull’ambiente trascurabile.
Comprendono l’energia solare e quelle che da essa derivano: l’energia idraulica,
eolica, delle biomasse, delle onde e delle correnti. Inoltre, sono considerate tali
anche l’energia geotermica, i rifiuti e l’energia dissipata sulle coste dalle maree.
Con opportune tecnologie le fonti rinnovabili di energia possono essere convertite in
energia secondaria utile che può essere termica, elettrica, meccanica e chimica.
Le fonti rinnovabili di energia sono uno degli strumenti individuati a livello
internazionale sia per raggiungere l’obiettivo di riduzione delle emissioni di gas serra
previsto dal Protocollo di Kyoto che per ridurre la dipendenza economica dai paesi
produttori di petrolio. Per promuoverne la diffusione, l’Unione Europea ha fissato
l’obiettivo, da raggiungere entro il 2010, di una produzione di energia elettrica da
fonti rinnovabili pari al 22% del consumo totale.
L’Italia, come Stato membro, ha adottato le direttive europee e a partire dagli anni
’90 promuove sistemi di incentivazione economica.
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Figura 1: Produzione di energia (sx) ed elettricità (dx) per fonte rinnovabile, Italia 2004.
Prime stime indicano che l’annuale capacità fotovoltaica installata nel Mondo è più
che raddoppiata nel 2008 (+119%, da 2,65 GWp a 5,8 GWp). L’Unione Europea è
ancora il principale motore nel mercato fotovoltaico mondiale con circa 80% della
capacità mondiale installata.
L’energia fotovoltaica
Energia Fotovoltaica (FV) significa letteralmente “elettricità prodotta dalla luce”;
“foto” deriva dal greco “phos” che significa “luce”, e “Volt” dallo scienziato italiano
Alessandro Volta inventore della pila.
Gli
impianti
fotovoltaici
consentono
di
trasformare,
direttamente
e
istantaneamente, l’energia solare in energia elettrica senza l’uso di alcun
combustibile. Producono elettricità là dove serve, non richiedono praticamente
manutenzione, non danneggiano l’ambiente e offrono il vantaggio di essere costruiti
“su misura”, secondo le reali necessità dell’utente.
Un impianto fotovoltaico
Un impianto fotovoltaico è essenzialmente costituito da un “generatore”, da un
“sistema di condizionamento e controllo della potenza” e da un eventuale
“accumulatore” di energia, la batteria, e naturalmente dalla struttura di sostegno.
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IL GENERATORE FOTOVOLTAICO
Il componente elementare di un generatore fotovoltaico è la cella.
È lì che avviene la conversione della radiazione solare in corrente elettrica ed è
costituita da una sottile “fetta” di un materiale semiconduttore, quasi sempre silicio,
(l’elemento più diffuso in natura dopo l’ossigeno) di spessore pari a circa 0,3 mm.
Può essere rotonda o quadrata e può avere una superficie compresa tra i 100 e i 225
cm2.
Il silicio che costituisce la fetta viene “drogato” mediante l’inserimento su una
“faccia” di atomi di boro (drogaggio p) e sull’altra faccia con piccole quantità di
fosforo (drogaggio n). Nella zona di contatto tra i due strati a diverso drogaggio si
determina un campo elettrico; quando la cella è esposta alla luce, per effetto
fotovoltaico, si generano delle cariche elettriche e, se le due facce della cella sono
collegate ad un utilizzatore, si avrà un flusso di elettroni sotto forma di corrente
elettrica continua.
Attualmente il silicio, mono e policristallino, impiegato nella costruzione delle celle è
lo stesso utilizzato dall’industria elettronica, che richiede materiali molto puri e
quindi costosi. Tra i due tipi di silicio il policristallino è il meno costoso, ma ha
rendimenti leggermente inferiori del monocristallino.
Per ridurre il costo della cella sono in studio nuove tecnologie che utilizzano il silicio
amorfo e altri materiali policristallini, quali il Seleniuro di Indio e Rame e il Tellurio di
Cadmio. Una cella fotovoltaica di dimensioni 10x10 cm si comporta come una
minuscola batteria, e nelle condizioni di soleggiamento tipiche dell’Italia (1 kW/m2),
alla temperatura di 25°C fornisce una corrente di 3 A, con una tensione di 0,5 V e
una potenza pari a 1,5 - 1,7 Watt di picco. L’energia elettrica prodotta sarà,
ovviamente, proporzionale all’energia solare incidente, che come sappiamo varia nel
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corso della giornata, al variare delle stagioni, e al variare delle condizioni
atmosferiche, ecc.
In commercio troviamo i moduli fotovoltaici che sono costituiti da un insieme di
celle. I più diffusi sono costituiti da 36 celle disposte su 4 file parallele collegate in
serie. Hanno superfici che variano da 0,5 a 1 m2 e permettono l’accoppiamento con
gli accumulatori da 12 V cc nominali.
Più moduli collegati in serie formano un pannello, ovvero una struttura comune
ancorabile al suolo o ad un edificio. Più pannelli collegati in serie costituiscono una
stringa. Più stringhe, collegate generalmente in parallelo per fornire la potenza
richiesta, costituiscono il generatore fotovoltaico.
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IL SISTEMA DI CONDIZIONAMENTO E CONTROLLO DELLA
POTENZA
È costituito da un inverter, che trasforma la corrente continua prodotta dai moduli
in corrente alternata; da un trasformatore e da un sistema di rifasamento e filtraggio
che garantisce la qualità della potenza in uscita. Trasformatore e sistema di filtraggio
sono normalmente inseriti all’interno dell’inverter.
È chiaro che il generatore fotovoltaico funziona solo in presenza di luce solare.
L’alternanza giorno/notte, il ciclo delle stagioni, le variazioni delle condizioni
meteorologiche fanno sì che la quantità di energia elettrica prodotta da un sistema
fotovoltaico non sia costante né al variare delle ore del giorno, né al variare dei mesi
dell’anno. Ciò significa che, nel caso in cui si voglia dare la completa autonomia
all’utenza, occorrerà o collegare gli impianti alla rete elettrica di distribuzione
nazionale o utilizzare dei sistemi di accumulo dell’energia elettrica che la rendano
disponibile nelle ore di soleggiamento insufficiente.
Figura 2: Schema di funzionamento di un generatore fotovoltaico.
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I benefici ambientali
L’energia elettrica prodotta con il fotovoltaico ha un costo nullo per combustibile:
per ogni kWh prodotto si risparmiano circa 250 grammi di olio combustibile e si
evita l’emissione di circa 700 grammi di CO2, nonché di altri gas responsabili
dell’effetto serra, con un sicuro vantaggio economico e soprattutto ambientale per
la collettività.
Si può valutare in 30 anni la vita utile di un impianto (ma molto probabilmente essi
dureranno molto di più), il che significa che un piccolo impianto da 1,5 kWp, in grado
di coprire i due terzi del fabbisogno annuo di energia elettrica di una famiglia media
italiana (2.500 kWh), produrrà, nell’arco della sua vita efficace, quasi 60.000 kWh,
con un risparmio di circa 14 tonnellate di combustibili fossili, evitando l’emissione di
circa 40 tonnellate di CO2.
La situazione mondiale
A fine 2006 la potenza fotovoltaica mondiale, secondo il programma PVPS della IEA,
superava i 5,7 GW: Germania e Giappone, rispettivamente con 2500 MW e 1700
MW installati, occupano la prima e la seconda posizione della classifica. Le previsioni
per il Giappone sono di raggiungere nel 2010 la quota di 4,8 GW e nel 2020 una
potenza cumulativa di 28,7 GW, con un incremento annuo di 4300 MW di potenza
installata e l’obiettivo al 2030 di realizzare quasi 83 GW.
La previsione della European Photovoltaic Industry Association (EPIA) per il 2025 è di
avere una potenza fotovoltaica mondiale installata di 433 GW con una produzione di
energia elettrica pari a 589 TWh, corrispondente a circa il 3% della stima di consumo
mondiale di energia elettrica. Per quanto riguarda la situazione italiana, fino al 2005
la presenza del fotovoltaico, in termini di potenza installata e tassi annui di crescita,
è stata piuttosto modesta: a fine 2005 si censivano 13 grandi impianti per un totale
di 7,1 MW a cui andavano aggiunti circa 27 MW relativi ad impianti fotovoltaici di
10
piccola taglia, prevalentemente connessi con la rete di distribuzione, che
complessivamente nel 2005 hanno prodotto 31 GWh di energia elettrica.
Sebbene in fortissimo aumento negli ultimi due anni, il settore fotovoltaico italiano
contribuisce ancora in misura assai ridotta alla produzione di energia elettrica
nazionale. Tuttavia, la spinta dei meccanismi di incentivazione, introdotti a partire
dal 2005, ha dato grande vigore allo sviluppo del mercato italiano avvicinandolo a
quello delle nazioni più virtuose, con un grande interessamento di soggetti privati e
di società di ingegneria.
È parere comune che il fotovoltaico rappresenti, attualmente, la tecnologia capace
di condurre agli obiettivi di lungo termine previsti dalla politica energetica della
Commissione Europea, che punta, come da tempo avviene in Giappone, proprio sul
fotovoltaico per la produzione di energia elettrica. In ambito comunitario, infatti, si
ritiene che il fotovoltaico possa contribuire all’approvvigionamento elettrico in una
prospettiva di lungo periodo, anche se il suo contributo non sarà apprezzabile fino al
2030, data in cui si valuta un’incidenza non superiore all'1% della domanda elettrica
europea.
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Lo sviluppo del fotovoltaico è legato non solo a uno sviluppo tecnologico che
consenta l’aumento del rendimento energetico unitario ma anche all’allargamento
dei suoi ambiti di applicazione: dal residenziale, al contesto urbano, ai campi solari.
Occorre in ogni caso che sul fotovoltaico si integrino le competenze tecnologiche
con quelle attente al paesaggio e al contesto urbano affinché diventi un elemento di
arredo del territorio. In ambito fotovoltaico, le attività di ricerca, sviluppo e
prototipazione si sono diversificate molto, definendo una suddivisione preliminare
in celle e/o moduli, da un lato, e sistemi ed applicazioni, dall’altro. Le attività di
ricerca su celle e moduli per usi terrestri variano dallo studio dei materiali ai processi
di laboratorio scalabili per l’industria, con i maggiori sforzi concentrati sulle
tecnologie
di
fabbricazione
del
dispositivo
fotovoltaico
dell’automazione dei processi mirati a ridurre il consumo di Silicio.
12
e
l’ottimizzare
Figura 3: Situazione europea di capacità installata.
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LA RADIAZIONE SOLARE
L’energia solare è una delle fonti di energia primarie, non è esauribile (5 mld di anni)
e soprattutto non inquina.
L’energia irradiata dal Sole deriva dai processi di fusione (termo) nucleare
dell’idrogeno al suo interno e si propaga simmetricamente nello spazio fino ad
investire la terra, in particolare la fascia esterna della atmosfera terrestre.
La potenza irradiata complessivamente è pari ad oltre 60.000 KW per metro
quadrato.
La potenza disponibile decresce man
mano che aumenta la distanza e
dopo aver percorso i circa 150 milioni
di km che separano la Terra dal Sole,
assume
un
valore
sensibilmente
ridotto, di poco superiore ad 1.35
KW/m2.
L’orbita della Terra ha forma ellittica: nei mesi di giugno e luglio la distanza Terra Sole è massima.
Il motivo per cui alle nostre latitudini le temperature sono più elevate nei mesi in cui
la radiazione solare è minima dipende dal fatto che nei mesi estivi si ha un angolo di
incidenza dei raggi solari sfavorevole.
Lungo il percorso attraverso l’atmosfera, il valore della potenza diminuisce a causa
dei fenomeni di assorbimento e riflessione.
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La radiazione solare che raggiunge la
superficie terrestre si distingue in:
- Radiazione diretta;
- Radiazione diffusa;
- Radiazione riflessa;
Le proporzioni di radiazione diretta, diffusa e
riflessa ricevuta da una superficie dipendono
da:
a) condizioni meteorologiche;
b) inclinazione e orientamento della
superficie;
c) presenza di elementi riflettenti;
La radiazione diretta colpisce una qualsiasi
superficie con un unico e ben definito angolo di incidenza.
La radiazione diffusa incide invece su tale superficie con vari angoli (i dispositivi FV
possono operare anche in presenza di sola radiazione diffusa).
Una superficie inclinata, può ricevere, inoltre, la radiazione riflessa dal terreno o da
specchi d'acqua o da altre superfici (es: pareti di edifici adiacenti).
Tale contributo si chiama ALBEDO e deve essere valutato con attenzione.
Se chiamiamo ID la radiazione diretta, IS quella diffusa ed R l’albedo, allora si ha che
la radiazione solare totale che incide su una superficie è:
=
+
+
Analizziamo più in dettaglio come la radiazione è influenzata dalle condizioni
metereologiche.
In una giornata nuvolosa la radiazione è pressoché totalmente diffusa;
in una giornata serena con clima secco, viceversa, predomina la componente diretta,
che può arrivare fino al 90% della radiazione totale.
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L'intensità della radiazione solare incidente su una superficie al suolo è influenzata
dall'angolo di inclinazione della radiazione stessa.
Più piccolo è l'angolo che i raggi del sole formano con una superficie orizzontale e
maggiore è lo spessore di atmosfera che essi devono attraversare, e
conseguentemente minore è la potenza della radiazione che incide sulla superficie.
L’angolo di inclinazione della radiazione è una quantità che varia durante il giorno.
Per un osservatore che dalla Terra osserva il cielo, il percorso del Sole sulla volta
celeste assume la forma di un arco che varia sia durante il giorno in corso che con la
latitudine del luogo.
Durante il corso dell’anno la durata delle ore di luce ed il percorso del Sole
subiscono delle modifiche al variare delle stagioni.
La durata di luce è massima al solstizio d’estate (21 giugno) giorno in cui, alle ore 12,
il Sole raggiunge il punto più alto nel cielo nel corso di tutto l’anno;
il caso opposto si verifica al solstizio d’inverno (21 dicembre), mentre ai due
equinozi, di primavera (21 marzo) e d’autunno (21 settembre), l’altezza del Sole è
intermedia tra la massima e la minima e le durate del giorno e della notte sono
esattamente pari a 12 ore in tutto il globo.
Scopo fondamentale dell’analisi della radiazione solare ai fini della progettazione di
sistemi FV è:
a) determinare le modalità ottimali di orientazione dei pannelli;
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b) predisporre una accurata analisi di producibilità dell’impianto.
E un ultimo dato: sarebbe sufficiente una superficie di 380 Km2 per il fabbisogno
mondiale di energia elettrica.
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EFFETTO FOTOELETTRICO
La radiazione solare è una radiazione elettromagnetica. La particella fondamentale
che si prende in esame è il fotone o quanto di radiazione solare.
Il dualismo onda-corpuscolo ci consente di mettere in relazione l’onda alla particella.
La luce è composta da fotoni di energia differenti:
=
Energia [
∙
]
=ℎ∙
Lunghezza d’onda [
]
Figura 4: Spettro luce solare.
Lo spettro solare può essere così rappresentato:
UV (ultra violetto) = 0.20 < λ < 0.38 μm
VIS (visibile) = 0.38 < λ < 0.78 μm
IR (infrarosso) = 0.78 < λ < 1.00 μm
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EFFETTO FOTOVOLTAICO
L’effetto fotovoltaico fu osservato per la prima volta da E. Becquerel nel 1839 ma
solo nel 1905 fu formulata la prima teoria riguardante quest’effetto da A. Einstein.
L’effetto fotovoltaico: l’elettrone presente nella banda di valenza di un materiale
(semiconduttore) passa alla banda di conduzione a causa dell’assorbimento di un
fotone.
Figura 5: Effetto fotovoltaico.
La cella fotovoltaica
Per costruire una cella fotovoltaica dobbiamo avere chiaro il discorso che le cariche
devono rimanere separate:
da una parte gli elettroni e dall’altra le lacune e+
Un diodo è costituito dall’accoppiamento di due parti di materiale semiconduttore,
in genere silicio, drogato di tipo n (portatori di carica negativa) e di tipo p (portatori
di carica positiva).
Illuminazione del diodo
A causa della radiazione luminosa che colpisce la superficie, si generano coppie e- /
e+ in entrambe le zone n e p del semiconduttore drogato creando un campo
elettrico in cui devono essere separate le cariche generate in direzioni opposte.
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Figura 6: Schema di un fotodiodo.
Caratteristica elettrica della cella fotovoltaica
Modello semplificato:
( )=
−
( )
Diodo ideale:
( )=
−
∙(
20
∙
∙
− 1)
LE BATTERIE RICARICABILI
Nella vita di tutti i giorni utilizziamo solo alcuni tipi di batterie ricaricabili,
generalmente nei formati standard AAA, AA, C, D. I notebook, i telefoni cellulari, i
lettori musicali etc. utilizzano più spesso batterie in formati non standard e
tecnologicamente più evolute.
Batteria al piombo
Le batterie al piombo vengono comunemente utilizzate per esempio per alimentare
l’impianto elettrico delle automobili a 14,4 V (12 V nominali).
Ciascun elemento della batteria è costituito da una “cella galvanica” in cui avviene
una reazione “reversibile” di ossidoriduzione attraverso la quale è possibile,
alternativamente accumulare e prelevare energia elettrica (da cui il termine
“accumulatore”).
La cella galvanica di un accumulatore al piombo, è costituita da un recipiente al cui
interno si trova un elettrolita formato da una soluzione acquosa di acido solforico
H2SO4 (1,32 g/cm3) in cui sono immersi due elettrodi posti parallelamente a breve
distanza l’uno dall’altro.
L’ elettrodo positivo è costituito da una lastra di diossido di piombo (PbO2) mentre
l’elettrodo negativo è costituito da una lastra di piombo metallico (Pb).
Immergendo in una soluzione elettrolita una lamina metallica si genera sulla
superficie di contatto tra elettrodo ed elettrolita una reazione di ossidazione e/o di
riduzione che determina all’equilibrio una differenza di potenziale (d.d.p.), in
prossimità della superficie di contatto, che provoca un movimento di cariche
elettriche.
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Nel caso specifico di un accumulatore al piombo all’elettrodo positivo e all’elettrodo
negativo si hanno le seguenti reazioni:
-Reazione chimica all'anodo (ossidazione): Pb + HSO4- -> PbSO4 + H+ + 2e-Reazione chimica al catodo (riduzione): PbO2 + 3H+ + HSO4- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O
La reazione totale che si ottiene è la seguente:
-Reazione completa: PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O
Come già detto la reazione è reversibile e avviene spontaneamente da sinistra verso
destra (scarica) e fornendo energia (carica) da destra verso sinistra.
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Le caratteristiche base di una batteria sono le seguenti:
Tensione
Misurata in Volt è di regola 6-12 o 24V
Capacità
Si misura in ampere/ora e va da 5 a 150 o
più Ah
Corrente di spunto Si misura in ampere e può arrivare a oltre
1000 A
Tipo
Standard
sigillate
in
gel
senza
manutenzione ecc.
I vantaggi e svantaggi che deviano dall’utilizzo di questi tipi di batterie ricaricabili
sono i seguenti:
Vantaggi: Eroga correnti molto elevate, affidabile e di lunga vita, funziona
bene anche a basse temperature.
Svantaggi: Il piombo è un metallo pesante ed è tossico.
Batteria Nichel-Cadmio
La batteria nota come accumulatore nichel-cadmio (comunemente abbreviata NiCd)
è un tipo molto popolare di accumulatore ricaricabile, usato spesso in apparecchi
portatili dell'elettronica di consumo ed in giocattoli, ed impiega i metalli nichel (Ni) e
cadmio (Cd) come reagenti chimici.
Grazie al buon rapporto peso energia rispetto alle batterie basate sulla tecnologia al
piombo e alla buona durata, le batterie al nichel-cadmio di maggior capacità con un
elettrolita umido, sono usate per le macchine elettriche e come batterie per il
motore d'avviamento per gli aerei.
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Ogni cella è nominalmente di 1,2 volt (se non sono cariche, se a piena carica
arrivano a circa 1,25÷1,35 volt), perciò 10 celle sono nominalmente di 12 volt (se a
piena carica sono 12,5÷13,5 volt).
Le batterie NiCd contengono un elettrodo positivo di idrossido di nichel, un
elettrodo negativo di idrossido di cadmio, un separatore e un elettrolita alcalino.
Queste batterie di solito hanno un contenitore di metallo con una placca sigillante
con una valvola di sicurezza auto-sigillante.
Gli elettrodi, isolati da ogni altra cosa tramite il separatore, sono arrotolati a spirale
dentro al contenitore.
La reazione chimica che avviene in una batteria NiCd è:
Questa reazione va da sinistra a destra quando la batteria viene scaricata e da destra
a sinistra quando viene ricaricata. L'elettrolita alcalino (di solito KOH) non viene
consumato in questa reazione.
I vantaggi e svantaggi delle batterie al nichel-cadmio sono i seguenti:
Vantaggi
Richiedono meno cura e sono più difficili da danneggiare.
Di solito durano molto tempo (molti cicli carica-scarica).
Possono solitamente essere scaricate o caricate più velocemente rispetto alle
batterie piombo-acido.
Non vengono danneggiate se vengono lasciate scariche per molto tempo.
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Svantaggi
Gli accumulatori NiCd sono relativamente costosi. A confronto con gli
accumulatori al piombo i materiali e le lavorazioni sono più costose.
Possono sviluppare un falso effetto "fondo del barile", non accettando di
essere ulteriormente scaricate. Questo è ciò che viene definito con il termine
effetto memoria.
Batteria agli ioni di litio
La batteria ricaricabile nota come accumulatore agli ioni di litio (a volte abbreviato
Li-Ion) è un tipo di batteria comunemente impiegato nell'elettronica di consumo. È
attualmente uno dei tipi più diffusi di batteria per laptop e telefono cellulare, con
uno dei migliori rapporti potenza-peso, nessun effetto memoria ed una lenta perdita
della carica quando non è in uso.
Una reazione chimica tipica della batteria al Li-Ion è come segue:
Le batterie agli ioni di litio hanno una tensione di circuito aperto nominale di 3.6 V e
una tensione di ricarica tipica di 4.2 V. La procedura di ricarica è a tensione costante
con limite di corrente. Questo significa caricare con corrente costante finché una
tensione di 4.2 V viene raggiunta dalla pila e continua con tensione costante finché
la corrente diventa nulla o quasi.
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Specifiche accumulatore
Figura 7: Accumulatore al litio.
Energia/peso
160 Wh/kg
Energia/volume
270 Wh/L
Potenza/peso
1800 W/kg
Efficienza carica/scarica
99,9%
Energia/prezzo
2,8-5 Wh/US$
Velocità autoscarica
5%-10%/mese
Tempo di vita
(24-36) mesi
Cicli vita
1200 cicli
Tensione nominale cella
3,6 / 3,7 V
I vantaggi e svantaggi che derivano dall’impiego di questo tipo di batterie sono i
seguenti:
Vantaggi
Le batterie agli ioni di litio possono essere costruite in una vasta gamma di forme e
dimensioni, in modo da riempire efficientemente gli spazi disponibili nei dispositivi
che le utilizzano. Tali batterie sono anche più leggere delle equivalenti fabbricate
con altri componenti chimici questo perché il litio è un metallo leggerissimo che
possiede un'elevata densità di energia. Inoltre le batterie Li-ion non soffrono
dell'effetto
memoria
ed hanno
anche
approssimativamente del 5% mensile.
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un
basso
ritmo
di auto-scarica
Svantaggi
L'unico svantaggio della batteria al Li-Ion è che presenta un degrado progressivo
anche se non viene utilizzata e questo è uno degli svantaggi che non è molto
pubblicizzato.
Per esempio ad un livello di carica del 100%, una tipica batteria Li-Ion per
calcolatore portatile caricata al 25% e conservata a 25° C perderà irreversibilmente
circa il 20% della sua capacità all'anno. Per questo gli accumulatori Li-Ion non sono
adatti ad essere usati come fonte secondaria di energia: per questa applicazione
sono più indicati gli accumulatori al piombo. Inoltre un problema delle batterie a
base di Litio è l'approvvigionamento della materia prima: il litio è disponibile in
natura in quantità limitata e richiede processi di estrazione particolarmente
complicati e costosi.
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SEMICONDUTTORI E CELLE FOTOVOLTAICHE
Tecnologie delle celle fotovoltaiche
Nella tecnologia delle celle fotovoltaiche sono usati diversi tipi di semiconduttori:
Silicio monocristallino, in cui ogni cella è realizzata a partire da un wafer la cui
struttura cristallina è omogenea (costituita da un singolo cristallo di silicio, detto
monocristallo). In questo caso si ha la massima conducibilità dovuta al perfetto
allineamento degli atomi di silicio allo stato puro. Maggiore è la purezza del
materiale, maggiore è il rendimento, che nel caso di pannelli al silicio
monocristallino si aggira attorno al 15%. Le celle fotovoltaiche che vanno a
costituire il pannello in silicio monocristallino, sono di colore blu scuro a forma
ottagonale, come mostrato nell'immagine.
Silicio policristallino, in cui il wafer non è strutturalmente omogeneo ma
organizzato in grani localmente ordinati. Si ha perciò una minore purezza che va
ad influire sul rendimento del pannello stesso, che si aggira intorno all' 11%-14%.
I pannelli in silicio policristallino sono caratterizzati da un colore blu intenso.
Silicio amorfo, in cui gli atomi di silicio vengono deposti chimicamente in forma
amorfa, ovvero strutturalmente disorganizzata, sulla superficie di sostegno.
Questa tecnologia impiega quantità molto esigue di silicio (spessori dell'ordine
del micron). I moduli in silicio amorfo mostrano in genere una efficienza meno
28
costante delle altre tecnologie rispetto ai valori nominali: infatti la scarsa
omogenità di tali celle implica una semplice realizzazione, ma ciò influisce sul
rendimento, che per tali pannelli si aggira attorno al 6%. Spesso i pannelli di
silicio amorfo vengono fatti depositare su materiali plastici e flessibili in modo da
plasmare il pannello adattandolo, eventualmente alla superficie disponibile,
ottenendo dei fogli sottili. Generalmente essi vengono identificati come moduli a
"film sottile". Sono quindi adatti per superfici da ricoprire che non sono regolari
nella forma, come mostrato nell’immagine.
Arseniuro di gallio (GaAs), una lega binaria con proprietà semiconduttive, in
grado di assicurare rendimenti elevatissimi, dovuti alla proprietà di avere un gap
diretto (a differenza del silicio). Viene impiegata soprattutto per applicazioni
militari o scientifiche avanzate (come missioni automatizzate di esplorazione
planetaria o fotorivelatori particolarmente sensibili). Tuttavia il costo proibitivo
del materiale monocristallino a partire dal quale sono realizzate le celle, lo ha
destinato ad un impiego di nicchia.
Solfuro di cadmio (CdS) microcristallino, che presenta costi di produzione molto
bassi in quanto la tecnologia impiegata per la sua produzione non richiede il
raggiungimento delle temperature elevatissime necessarie invece alla fusione e
purificazione del silicio.
29
Esso viene applicato ad un supporto metallico per spray-coating, cioè viene
letteralmente spruzzato come una vernice. Tra gli svantaggi legati alla
produzione di questo genere di celle fotovoltaiche vi è la tossicità del cadmio ed
il basso rendimento del dispositivo.
Altri, ma meno usati, sono:
Diseleniuro di indio rame (CIS), con opacità variabile dal 100% al 70% ottenuta
mediante fori ricavati direttamente nel film.
Tellururo di cadmio (CdTe)
Diseleniuro di indio rame gallio (CIGS)
Proprietà elettroniche del Silicio
Nella struttura cristallina ogni atomo di silicio (Si) possiede 4 elettroni di valenza che
possono partecipare all’interazione con altri atomi sia di silicio sia di altri elementi.
Se si avvicinano 4 atomi di silicio, gli elettroni di valenza sono i primi a risentire della
presenza gli uni degli altri e i livelli energetici, che nel caso isolato erano uguali, ora
sono diversi tanto da formare bande di energia il cui numero è pari al numero dei
livelli che aveva il singolo atomo isolato. Aumentando il numero degli atomi
aumenta lo spessore della banda, infatti in ogni banda ci sono tanti livelli energetici
quanti sono gli atomi vicini che interagiscono, questo è quello che succede in un
cristallo. Gli elettroni occuperanno i livelli energeticamente permessi dalle bande in
ordine crescente di energia; poiché il numero di elettroni è inferiore al numero di
livelli energetici permessi, ci saranno dei livelli disponibili non occupati da elettroni.
I semiconduttori, come il silicio, presentano tra l’ultimo livello occupato e il primo
non occupato un salto di energia non permessa: questa si chiama energia di
separazione o più conosciuta col termine inglese energy gap.
L’ultima banda in cui si trovano gli elettroni si chiama banda di valenza, la prima in
cui non ci sono elettroni banda di conduzione.
30
Il valore dell’energy gap (compreso tra qualche decimo e una decina di eV a seconda
del materiale) e il modo in cui le bande vengono riempite dagli elettroni
caratterizzano in maniera distintiva il comportamento di un materiale in fase solida:
si può allora distinguere un conduttore da un isolante o da un semiconduttore, vedi
figura riportata qui sotto:
Figura 8: Schema di un conduttore, isolante e semiconduttore.
La fisica del processo fotovoltaico
In un monocristallo di silicio ogni atomo è legato in modo covalente ad altri quattro
atomi: due atomi affiancati di un cristallo hanno in comune una coppia di elettroni,
uno dei quali appartenente ad un atomo e l’altro a quello vicino. Questo legame
elettrostatico, molto forte, può essere spezzato con una quantità di energia (per
l’atomo di silicio è di 1,08 eV) che permette all’elettrone di liberarsi dal legame
covalente con l’atomo, di superare la banda proibita (energy gap) e di passare quindi
dalla banda di valenza alla banda di conduzione dove è libero di muoversi generando
cosi’ una corrente elettrica e quindi una differenza di potenziale. Quando l’elettrone
passa nella banda di conduzione si lascia dietro una “buca” chiamata lacuna, che
viene facilmente occupata da un elettrone vicino.
31
Una radiazione elettromagnetica che investe il reticolo cristallino del silicio, ha
proprio la capacità di liberare un certo numero di elettroni al quale corrisponde un
ugual numero di lacune; nel processo di ricombinazione ogni elettrone libero in
prossimità di una lacuna la può occupare, restituendo una parte di energia cinetica
che possedeva sotto forma di calore. Per sfruttare l’elettricità è necessario creare un
moto coerente di elettroni (e di lacune), ovvero una corrente, mediante un campo
elettrico all’interno della cella. E’ necessario disporre di una cosiddetta giunzione pn, in cui si ha uno strato di atomi caricati positivamente in una parte del
semiconduttore ed uno strato di atomi caricati negativamente nell’altra. Occorre
perciò introdurre nel silicio una piccola quantità di atomi appartenenti al terzo o al
quinto gruppo del sistema periodico in modo da ottenere due strutture differenti,
una con un numero di elettroni insufficiente, l’altra con un numero di elettroni
eccessivo. Questo trattamento viene detto drogaggio e la quantità delle impurità
introdotte (droganti) è dell’ordine di una parte per milione (ppm). Generalmente
come elementi droganti si utilizzano il boro (appartenente al terzo gruppo) ed il
fosforo (appartenente al quinto gruppo) per ottenere rispettivamente una struttura
di tipo p (positiva, con un eccesso di lacune) ed una di tipo n (negativa, con un
eccesso di elettroni), vedi figura.
32
Figura 9: Cristallo di Silicio drogato con atomi di Fosforo e Boro.
Ponendo a contatto i due tipi di strutture, la cui zona di separazione è chiamata
giunzione p-n, tra i due strati si attiva un flusso elettronico dalla zona n alla zona p
dovuto alla differente concentrazione dei due tipi di carica libera (elettroni e
lacune); le lacune, che attraversano la giunzione dalla zona di tipo p, si ricombinano
con alcuni elettroni nella zona n e, viceversa, alcuni elettroni attraversando la
giunzione dalla zona di tipo n, si ricombinano con alcune lacune nella zona p. Queste
ricombinazioni determinano la formazione, immediatamente a cavallo della
giunzione, di due strati di cariche fisse e di segno opposto con un’assenza di cariche
libere, da qui il nome di zona di svuotamento o depletion layer.
33
Figura 10: Rappresentazione della regione di svuotamento.
Il Silicio amorfo
Negli ultimi anni, si nota un forte interesse, da parte di diverse aziende produttrici,
nella realizzazione di linee di produzione di moduli basati sul silicio amorfo (pannelli
solari a Film Sottile). Con l’amorfo, in realtà, non si può parlare di celle, in quanto si
tratta di deposizioni di silicio (appunto allo stato amorfo) su superfici che possono
anche essere ampie. Il silicio amorfo è presente sul mercato già da diversi anni, ma
fino ad ora non si era guadagnato una quota di mercato significativa, soprattutto a
causa dei dubbi esistenti sulla sua stabilità nel tempo poiché, col passare degli anni,
spesso si verificava una riduzione delle prestazioni. Per questa ragione l’amorfo
veniva (e viene ancora oggi) usato soprattutto per applicazioni “indoor”, cioè per
alimentare piccoli utilizzatori, come calcolatrici tascabili, orologi, gadget vari...
Di recente si è messa a punto una tecnologia produttiva che realizza più strati di
silicio amorfo, la cosiddetta “eterogiunzione”, che sembra risolvere i passati
problemi di stabilità. Per quanto riguarda il costo, il tradizionale silicio amorfo
presenta costi minori rispetto al silicio cristallino (mono o multi), mentre l’amorfo a
due o tre giunzioni necessita di ulteriori riduzioni di costo affinché possa diffondersi
su larga scala.
34
Tecnologia dell’eterogiunzione Silicio amorfo / Silicio cristallino
Recenti studi da parte di alcuni ricercatori hanno evidenziato la possibilità di
ottenere una eterogiunzione di silicio amorfo e silicio cristallino. La fabbricazione di
questa giunzione su silicio monocristallino a bassa temperatura è possibile
attraverso i processi di deposizione chimica da fase vapore assistiti da plasma (PECVD), già largamente utilizzati in diversi campi tecnologici. Utilizzando la deposizione
da fase plasma, la formazione della giunzione avviene con la deposizione di uno
strato di silicio per dissociazione del gas precursore, mentre la temperatura del
substrato può restare limitata su valori che possono essere di poco superiori ai
100°C. Questa tecnologia prevede anche un trattamento iniziale antiriflettente della
superficie, la formazione dei contatti sul retro e sul fronte e la deposizione di un
ulteriore strato antiriflettente sul fronte del dispositivo. Gli studiosi hanno
evidenziato che un passaggio fondamentale nella realizzazione del dispositivo
descritto è il controllo della deposizione da fase plasma sin dalle primissime fasi
della crescita su silicio cristallino: infatti dalla qualità dell’interfaccia fra lo strato p
amorfo e lo strato n cristallino deriva la massima tensione ottenibile a circuito
aperto. A questo risultato si è arrivati lavorando sia sulla preparazione della
superficie prima della deposizione, che attraverso lo studio della crescita del silicio
amorfo. Altro punto chiave è la qualità del contatto sul retro. Per ottenere un buon
contatto ohmico, la tecnologia microelettronica prevedrebbe la creazione, a
temperature superiori a 850 °C, di uno strato molto drogato dello stesso tipo del
materiale di base, seguito dall’evaporazione termica del metallo con successivo
trattamento a 450 °C. Utilizzando la deposizione da fase plasma, il contatto sul retro
è stato invece ottenuto depositando uno strato in silicio microcristallino drogato
direttamente da fase gas, a temperature inferiori a 200 °C. La successiva deposizione
del metallo non è seguita da trattamenti termici. Inoltre per aumentare la densità di
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corrente ottenibile occorre ottimizzare la raccolta di luce all’interno della regione
attiva del dispositivo, in questo caso il substrato in silicio monocristallino. Sotto
questo aspetto la ricerca è focalizzata su tre aspetti: qualità dello strato
antiriflettente e conduttore che copre il dispositivo, procedure di trattamento della
superficie finalizzate all’abbattimento della frazione di luce riflessa e analisi del
profilo di assorbimento di luce nel dispositivo. Gli scienziati hanno ottenuto per una
cella solare a eterogiunzione fabbricata interamente a bassa temperatura la
caratteristica corrente-tensione riportata in figura.
Figura 11: Andamento densità di corrente al variare del potenziale.
Gli stessi scienziati da questo studio hanno riposto la speranza di raggiungere a
breve termine l’obiettivo finale di realizzare prototipi di celle solari a eterogiunzione
con efficienza attorno al 20%.
36
LE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILI
Le fonti di energia rinnovabile sono fonti alternative di energia così definite per
distinguerle dalle fonti di energia tradizionali (come il petrolio, il carbone e, in
misura minore, il gas naturale) su cui, fino a oggi, si è basata la produzione di
elettricità. L’interesse per la ricerca di fonti alternative di energia è nato con la crisi
petrolifera del 1973, che ha messo in evidenza la limitatezza delle riserve di
combustibili fossili, e si è poi fatto più consistente in seguito alla presa di coscienza
da parte dei governi e delle organizzazioni internazionali di cooperazione – quali
ONU, OCSE, AIE (Agenzia Internazionale dell’Energia) – dei pressanti problemi di
inquinamento e degrado ambientale che affliggono il globo terrestre e ai quali la
produzione di energia termoelettrica contribuisce massicciamente. Per ridurre il
consumo di combustibili fossili, due sono le alternative possibili: l'energia nucleare e
le energie rinnovabili. Dopo l'incidente nella centrale nucleare di Černobyl nel 1986,
che ha avuto un violento impatto sull'opinione pubblica, in molti paesi è stato
sospeso o ridotto il funzionamento delle centrali nucleari, ritenute pericolose per la
salute pubblica e per l'ambiente. L’attenzione dei ricercatori si è rivolta dunque
verso fonti rinnovabili, ovvero quelle risorse le cui scorte sono illimitate, da sempre
utilizzate dall’uomo come forma di energia, mediante processi che non rischiano di
provocare pesanti inconvenienti di contaminazione o pericolo per il genere umano o
per l’ambiente. Il lato negativo di tali risorse è che si tratta di fonti di energia
discontinua e diffusa, che richiede un notevole impegno tecnologico, e di
conseguenza economico, per rendere efficiente e conveniente la conversione in
energia elettrica.
Ciò è vero sia per le fonti rinnovabili il cui sfruttamento è già consolidato, quali
l’energia solare, l’energia eolica e l’energia geotermica, sia per quelle il cui utilizzo è
ancora in fase di studio, quali l’energia immagazzinata negli oceani e dalle biomasse.
37
Le fonti di energia rinnovabile si prestano particolarmente alla realizzazione di
impianti di piccole dimensioni, che potranno sostituire le grandi centrali attuali, ma
anche ad impianti installati in regioni lontane dai grossi agglomerati industriali o
sulle isole, che notoriamente soffrono di problemi di approvvigionamento di energia
elettrica.
Fra tutte le varie fonti di energia rinnovabile , il nostro interesse si è concentrato sui
pannelli fotovoltaici. In particolare, il nostro esperimento si propone di sfruttare
l’energia solare per ricaricare le batterie di una bicicletta elettrica.
Storia delle biciclette elettriche
Verso la fine del XX secolo, con la realizzazione delle batterie al piombo sigillate (che
pur rimanendo pesanti, garantivano l’erogazione di forti correnti anche con
elementi di piccola dimensione) e con l’arrivo delle più leggere batterie NichelCadmio, si poterono finalmente costruire delle biciclette elettriche utilizzabili.
Bici elettriche piuttosto rudimentali cominciarono a circolare in giappone a metà
degli anni '80 ma il punto di svolta fu il "pas prototype" della Yamaha brevettato nel
1989, la prima vera pedelec. Il termine pedelec per distinzione dall'e-bike (cioè bici
solo elettrica) è stato coniato da Susanne Bruesch nel 1998 nella sua tesi di laurea,
attuale responsabile della comunicazione di Extraenergy.
Nel 1991 il consiglio nazionale delle ricerche cinese indicò la bici elettrica come uno
dei progetti prioritari, avviando il processo che condusse dalle 40.000 unità vendute
in quel paese nel 1998 ai 10 milioni del 2005 (e i 40 milioni di utilizzatori attuali). Nel
1994 la Yamaha iniziò la commercializzazione della sua bicicletta a pedalata assistita.
Nel 1995 la Biketec (Svizzera) realizzò la prima Flyer e ne iniziò la produzione in serie
nel 2001. Nello stesso periodo anche altri costruttori affermati (es. Mercedes)
iniziarono la commercializzazione dei primi modelli di biciclette elettriche, avviando,
per la prima volta, la loro diffusione in Italia.
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1994 – Yamaha
1995 - Biketec
2001 -Mercedes
2009-Wayel
Queste biciclette introdussero, per la prima volta, il concetto di “pedalata assistita”,
ovvero non erano biciclette spinte da un motore elettrico, ma veicoli in cui la forza
muscolare del ciclista veniva sommata e integrata dal motore elettrico.
Un vuoto legislativo, dovuto alla novità di questi progetti, permise però il proliferare
di biciclette in cui non era necessaria la pedalata per mantenere in funzione il
motore elettrico. Nel 2002, venne emanata una Direttiva Europea (la 2002/24/CE) in
cui veniva definita la potenza dei motori e le modalità di assistenza alla pedalata,
rendendo di fatto “fuorilegge” le biciclette in cui il motore non aveva bisogno della
pedalata per attivarsi e mantenersi attivo. Questa direttiva venne recepita in Italia
nel 2003 (31/01/2003) diventando parte integrante del Codice della Strada.
Alle batterie al piombo e al Ni-Cd (nichel-cadmio), si affiancarono rapidamente nuovi
tipi come quelle al NiMH (Nichel-Metallo idruro) e al litio, consentendo una
maggiore leggerezza, una incrementata autonomia e una maggiore longevità.
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IL NOSTRO ESPERIMENTO
Lo scopo del nostro progetto è quello di sfruttare l’ energia solare per ricaricare la
batteria di una bicicletta elettrica.
Il sistema utilizzato è riassunto nello schema a blocchi qui sotto riportato :
Energia
solare
Pannello
solare
DC/ DC
charger
Batteria
bici
elettrica
Il pannello solare assorbe energia solare e la converte in una corrente elettrica e
quindi in una d.d.p. Un DC/DC funge da controllo in modo da fornire un valore
costante di potenziale.
La batteria al litio della bicicletta è molto sensibile alla variazione della d.d.p. e riesce
a caricarsi in maniera ottimale solo all’interno di un breve range di d.d.p. Dato che il
pannello solare fornisce energia in maniera discontinua interverrà il DC/DC.
Purtroppo vi sono anche degli svantaggi che non si presenterebbero nel caso di un
collegamento diretto della batteria della bici al pannello.
Gli svantaggi sono:
1) effetto “memoria” della batteria: dobbiamo assicurarci che la carica sia
sufficiente per poter caricare la batteria della bici, altrimenti il sistema della
40
batteria al litio memorizza la carica parziale raggiunta come carica massima e
durante la successiva carica, mantenendo in memoria la carica precedente,
segna il fine carica in presenza della carica parziale raggiunta nella carica
precedente.
2) perdita sostanziale di energia nella carica.
41
CARATTERISTICHE TECNICHE DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI
Pannello fotovoltaico
Il pannello fotovoltaico utilizzato nel nostro esperimento è un pannello di silicio
amorfo. E’ stato scelta questa tecnologia perché è un pannello adattabile alle varie
superfici e resistente all’ acqua e alla neve; inoltre il suo prezzo è contenuto, anche
se il suo rendimento è minore (dell’ordine del 6%) rispetto ad altre tecnologie. Ai fini
del nostro esperimento il rendimento del pannello non è cosi’ rilevante, dato che la
batteria può essere eventualmente tenuta in carica per un tempo maggiore.
Per incrementare l’energia prodotta dal pannello solare, sono stati inseriti dei
sensori per poter rilevare la variazione di temperatura e far poi inclinare da un
organo meccanico i moduli fotovoltaici in modo che siano per il maggior tempo
possibile perpendicolari ai raggi del Sole.
Per poter rilevare la variazione di temperatura è stato utilizzato un sistema a ponte
di Winston. Il sistema a ponte di Winston non è altro che un circuito composto da
due coppie di resistenze in serie tra loro e a loro volta in parallelo, come riportato
nello schema seguente:
R1
R1
ΔV1
ΔV1
R1
Rt
Dalle leggi della fisica la resistenza è pari al coefficiente ρ (resistività) per il rapporto
tra la lunghezza e lo spessore del materiale conduttore:
R=ρ∙
42
l
S
In particolare, la resistività ρ è influenzata dalla temperatura t, secondo la legge:
( ) = (0) ∙ (1 +
∙( −
))
dove α è il coefficiente di espansione termico dipendente dal materiale in esame.
Quindi anche la resistenza varia in funzione della temperatura; per questo si
inseriscono dei sensori all’interno di piccoli cilindri, che adombrano la resistenza nel
momento in cui il sole non è perpendicolare ad esse.
Nel sistema a ponte di Winston l’unica resistenza che viene esposta alla fonte di
calore è la resistenza Rt, mentre le altre resistenze denominate R1 sono uguali tra
loro e costanti. Quando Rt varia, cambia anche la differenza di potenziale ΔV1 e
questo indica che la temperatura è cambiata. Per avere la certezza che non ci siano
cali di tensione lungo la rete, si misura ΔV, che deve rimanere costante.
Nel nostro esperimento abbiamo quattro ponti di Winston ognuno posto su un lato
del pannello e all’interno dei cilindri sono inserite le Rt, che variano in base alla
temperatura, fortemente influenzata dall’ inclinazione dei raggi solari. Quando il
nostro sistema rivela una variazione di qualche resistenza Rt, grazie ad una organo
meccanico, il pannello viene fatto inclinare, fino a quando le tre resistenze non
hanno ugual valore e quindi i raggi non sono tutti completamente paralleli tra loro e
perpendicolari su tutto il pannello.
Convertitore DC\DC
Il convertitore è un componente fondamentale per il pannello solare, in quanto è
uno strumento che permette di analizzare la tensione in uscita dal pannello istante
per istante. Quando la tensione è inferiore rispetto ad un dato valore, il convertitore
assorbe energia da una batteria, come nel nostro caso. Il convertitore utilizzato nel
nostro esperimento riceve una tensione in entrata in un range 0÷30 V e fornisce in
uscita una tensione sempre pari a 14,4 V, indipendentemente dalla tensione erogata
dal pannello solare.
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Batteria della bicicletta (al litio)
La batteria della bicicletta utilizzata nel nostro esperimento è una batteria al litio. Si
è scelto di utilizzare questo tipo di batteria in quanto è una delle più efficienti
rispetto a gli altri tipi di batterie presenti sul mercato, come mostrato dai km di
autonomia riportati in tabella per le più comuni batterie a parità di massa:
Massa
Tipo di batteria
Km di
autonomia
1 kg
Piombo gel
8
1 kg
Magnesio
12
1 kg
Litio
25
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CONCLUSIONI
Attualmente, l’utilizzo del fotovoltaico non risulta conveniente dal punto di vista
economico, in quanto la produzione di pannelli solari è molto costosa e ad oggi il
rendimento maggiore che si può ottenere (Silicio monocristallino – 15%) non
incentiva le grandi potenze mondiali e le multinazionali all’espansione di questa
produzione.
Auspichiamo, come molti, che a breve la ricerca sviluppi nuovi materiali che
aumentino l’efficienza dei pannelli a costi ridotti.
L’utilizzo di questa energia rinnovabile consentirebbe una diminuzione del consumo
di combustibili fossili e, di conseguenza, una minor produzione di anidride carbonica
(CO2).
Il progetto di una bicicletta a pedalata assistita che utilizza energia solare, risponde
ad esigenze di mobilità, specie nei centri storici, oggi molto sentite dalla popolazione
per motivi economici, di tempo e di salute; quest’ultima sempre più compromessa
dall’inquinamento.
I recenti provvedimenti di chiusura dei centri storici alla circolazione, a causa delle
polveri sottili, ci confortano circa la bontà delle nostre intenzioni, che vanno nella
direzione della ricerca per un futuro che dovrà essere eco-sostenibile, a basso costo
e finalizzato alla salute.
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RINGRAZIAMENTI
Per la realizzazione del progetto si ringraziano i professori: Mattina Giuseppe, Zani
Fabio, Grassi Simona, Pierli Fiorenza, Lusetti Gabriella e Benedetti Adorno.
Per la parte tecnica si ringraziano: l’azienda Nuova Rettifica di Reggio Emilia,
l’ingegnere Piccoli Paolo, l’ingegnere Pandini Simone.
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