Fonti di energia Le fonti di energia presenti in natura ed

usufruibili dall’uomo sono essenzialmente di due tipi:

Fonti rinnovabili

L’acquaIl SoleIl ventoIl calore della terraLa biomassaL’idrogeno

Fonti non rinnovabiliIl petrolio Il gas naturaleIl carboneL’uranio

Credits

Energia Solare

Il Sole invia sulla terra una quantità di energia pari a circa 15 mila volte quella che l’uomo consuma giornalmente.Una parte di essa è sfruttata dalle piante per la fotosintesi clorofilliana.

L’uomo mediante i pannelli fotovoltaici ed i collettori termici ha imparato ad utilizzare tale fonte di energia

Collettori termici Un sistema che

converte la radiazione solare in energia termica grazie ad un fascio di tubi in cui passa l’acqua.

Questo tipo di pannello è costituito da particolari irradiatori anneriti e di grande superficie in cui si converte direttamente in energia termica la componente infrarossa della radiazione solare.

Effetto Fotoelettrico L’effetto fotoelettrico è il

meccanismo di base utilizzato dalle celle fotovoltaiche.

Questo effetto fu studiato da Einstein, che ricevette il premio Nobel proprio per l’interpretazione che ne diede.

Nel 1887 Hertz aveva casualmente scoperto che, illuminando una placca metallica di zinco con una radiazione ultravioletta, il metallo si caricava elettricamente.

Dopo la scoperta degli elettroni, avvenuta nel 1897 per merito di Thomson che ne misurò carica e massa, si capì che quel fenomeno, poi chiamato effetto fotoelettrico, effetto fotoelettrico, era dovuto a:

Emissione elettronica provocata nel metallo da Emissione elettronica provocata nel metallo da radiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenzaradiazioni elettromagnetiche di opportuna frequenza

Nel 1902 Philipp Lenard, allievo di Hertz, attraverso il dispositivo sperimentale in figura, giunse per primo a stabilire le caratteristiche fondamentali dell'effetto fotoelettrico.

Un pennello di radiazione di

determinata lunghezza d’onda penetra in un tubo a vuoto spinto e colpisce una placca metallica M.

Gli elettroni emessi dalla

placca per effetto fotoelettrico vengono raccolti dal collettore P e danno origine ad una corrente misurabile.

Lenard giunse alle seguenti conclusioni:

L'effetto fotoelettrico avviene solo se la frequenza della luce incidente sul catodo M è maggiore di un certo valore caratteristico del metallo di cui M è composto.

Il numero degli elettroni emessi e quindi la corrente che raggiunge l'anodo è proporzionale all'intensità della luce.

L'energia cinetica degli elettroni emessi dipende dalla frequenza della luce incidente e dalla natura del catodo, ma non dalla intensità luminosa.

Per spiegare il fenomeno Einstein fece ricorso al concetto di discontinuità supponendo l’energia dell’onda concentrata in pacchetti discreti chiamati fotoni ..

Mediante questa ipotesi una radiazione di frequenza è caratterizzata da un flusso di fotoni, ciascuno dei quali possiede energia h

Solo se questa energia è maggiore del lavoro di estrazione del metallo: w0, si avrà estrazione di elettroni di energia cinetica:

Lunghezza d’ondaDicesi lunghezza d’onda la distanza tra

due punti di un’oscillazione in fase tra loro

Corrente elettricaLa corrente elettrica è dovuta ad un flusso ordinato di

elettroni accelerati da una differenza di potenziale.

L’intensità di corrente è la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione di un conduttore in un certo intervallo di tempo fratto l’intervallo di tempo .

L’unità di misura è l’Ampere.

Joseph John Thomson (1856-1940)

Thomson misurò il rapporto e/m per gli elettroni dei raggi catodici e trovò un unico valore indipendente dal tipo di catodo e dal gas contenuto nel tubo a bassa pressione usato per l’esperimento.

Trovò un valore di 1,7 1011 coulomb/kg,

abbastanza vicino a quello determinato da recenti misure.

Heinrich Hertz (Germania, 1857 - 1894) Heinrich Hertz nel 1882, vent’anni

dopo le previsioni teoriche di Maxwell, fu in grado di generare radiazioni elettromagnetiche e di rilevarne il carattere ondulatorio.

Dall’esperimento di Hertz, attraverso progressive modificazioni, si è giunti alle moderne antenne ricetrasmittenti.

Egli osservò per primo e inconsapevolmente un nuovo e strano fenomeno: l'effetto fotoelettrico. L'osservazione e i tentativi di spiegazione di questo fenomeno metteranno in crisi il modello ondulatorio della luce che egli stesso aveva abilmente verificato.

Energia cineticaL’energia cinetica è quell’energia che

possiedono i corpi in movimento con velocità v

2

2

1mvE

I fotoni , ipotizzati da Einstein partendo dalla ipotesi della quantizzazione dell’energia di Planck, sono pacchetti di energia che costituiscono la luce.

Un fascio di luce di determinata frequenza trasporta energia nh

Più intensa è la luce

più numerosi saranno

i fotoni, quindi più fotoni

colpiranno una

determinata superficie

Una cella fotovoltaica è un dispositivo in grado di convertire l'energia solare direttamente in energia elettrica mediante effetto fotovoltaico ed è usata per generare elettricità a partire dalla luce del sole.

Questi dispositivi sono fabbricati a partire da materiali semiconduttori , come il silicio (Si), l'arsenurio di gallio (GaAs) e il solfato di rame (Cu2S). In una cella fotovoltaica i fotoni della luce solare incidente spezzano i legami degli elettroni del semiconduttore, consentendo così ad essi di muoversi liberamente nel semiconduttore. Le posizioni lasciate libere dagli elettroni agiscono come cariche positive e prendono il nome di "lacune".

Le celle fotovoltaiche consistono generalmente in due regioni sottili, una sopra l'altra, ognuna dotata di impurità aggiunte appositamente, chiamate droganti. Il risultato è che una regione è di "tipo n", avendo un eccesso di elettroni (negativi), mentre l'altra è di "tipo p", avendo un eccesso di lacune positive. Questa struttura a 2 regioni, chiamata giunzione p-n, produce un campo elettrico interno. Quando i fotoni creano elettroni liberi e lacune in prossimità della giunzione p-n, il campo elettrico interno li fa muovere in direzioni opposte; gli elettroni si muovono verso il lato p e le lacune si muovono verso il lato n.

Viene quindi generata una tensione (forza elettromotrice, f.e.m.) fra le regioni p ed n, con il lato p positivo ed il lato n negativo.

Cella fotovoltaica in silicio monocristallino. Le strisce argentate sono i contatti ohmici che permettono la connessione in serie di più celle.

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Energia geotermicaPer energia geotermica si

intende quella contenuta, sotto forma di "calore",

all'interno della Terra. La sua origine è dovuta al

calore endogeno; vulcani, sorgenti termali, soffioni e

geyser ne sono una conseguenza. L'energia termica accumulata in

queste zone viene resa disponibile da vettori termici

presenti nella crosta terrestre e denominati fluidi

geotermici.

Oltre alla produzione di energia elettrica(mediante il metodo delle turbine), a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili svariati impieghi:

Acquacoltura (max 38°C) Terricoltura (38 – 80)°C, Teleriscaldamento(80-100)°C Usi industriali (almeno 150 °C)

e molti altri.

L'Italia e' stato il primo paese al mondo a sfruttare l'energia geotermica, con il primo impianto di generazione realizzato nel 1913 a Larderello. Attualmente sono attive centrali geotermiche a Larderello, Travale e Monte Amiata (in Toscana) e forniscono circa l'1,5% della produzione totale dell'energia elettrica nazionale.

TurbineLa turbina è una macchina motrice rotante che converte in

energia meccanica l'energia cinetica di un fluido in movimento. L'elemento essenziale della turbina è il

rotore, che può essere costituito da un'elica oppure da una ruota con alette o pale variamente profilate.

L'energia meccanica acquisita viene poi trasmessa a un albero motore che viene utilizzato per azionare una

macchina, un compressore, un generatore elettrico o un'elica.

Idrogeno

La parola idrogeno deriva dalle parole greche hydor (acqua) e gennàn (generare). Antoine Lavoisier lo riconobbe come elemento e gli diede nome. E’ l’elemento piu’ leggero e abbondante nell’universo, è presente nell’acqua e in tutti gli organismi viventi, ed è inodore, incolore ed altamente infiammabile.Di recente viene usato anche come combustibile alternativo e come riserva di energia nelle pile a combustibile.

L'idrogeno non è una fonte di energia, ma un vettore energetico, perchè può essere utilizzato per immagazzinare energia elettrica sotto forma di energia chimica.I vantaggi dell’utilizzo dell’idrogeno come vettore energetico sono:

Impatto ambientale trascurabile Possibilità di estrazione da molte fonti, quali acqua,

carbone, combustibili fossili e metano Possibilità di accumulo, di trasporto e di distribuzione.

Modello di trasformazioni di energia:Un piccolo pannello solare

alimenta una cella a scambio protonico che fa muovere una piccola elica

Biomasse Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle

sostanze di origine animale e vegetale che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia.

Alcune fonti non necessitano di subire trattamenti, altre devono essere processate in un digestore.Dalla fermentazione dei vegetali ricchi di zuccheri, si può ricavare l'etanolo o alcool etilico (biocarburanti) che può essere utilizzato come combustibile per i motori a scoppio, in sostituzione della benzina.In alcuni paesi si stanno sperimentando coltivazioni di vegetali a crescita veloce da utilizzare per produrre biocombustibili necessari per la produzione di energia elettrica che possa alimentare piccole centrali elettriche.

Oltre ai vegetali coltivati, anche i rifiuti vegetali e i liquami di origine animale possono essere sottoposti a fermentazione in assenza di ossigeno. La biomassa, fermentando, produce biogas, che può essere usato come carburante o combustibile per il riscaldamento e per la produzione di energia elettrica.

I semi di soia sono utilizzati per produrre biodiesel

Energia idroelettrica Per energia idroelettrica si

intende quel tipo di energia che sfrutta il movimento di masse di acqua per produrre energia cinetica e quindi, grazie ad una turbina accoppiata ad un alternatore, energia elettrica.

Essa viene ricavata dai fiumi e dai laghi grazie alla creazione di dighe.

L'acqua viene incanalata in condutture forzate; acquista così energia potenziale e viene fatta scorrere rapidamente attraverso delle turbine, che trasformano l’energia potenziale in cinetica che, a sua volta, attraverso la dinamo ad esse collegata, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, si trasforma in energia elettrica.

L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni inquinanti ) e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini artificiali può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona.

L'energia idroelettrica è l'unica energia da fonte rinnovabile che viene utilizzata su larga scala e il suo contributo alla produzione mondiale di energia elettrica è cresciuto dal 14.5% del 1986 al 20% del 1992.

Energia eolica L’energia del vento

è stata usata per secoli e ancora oggi viene sfruttata come fonte di energia pulita inesauribile.

La produzione di energia eolica avviene tramite l’utilizzo di aeromotori che convertono l’energia cinetica del vento in energia meccanica.

I primi generatori di energia elettrica azionati dal vento risalgono all’inizio del Novecento .

Nel periodo tra le due Guerre Mondiali fu compiuta una rapida evoluzione sul piano tecnologico con la costruzione di aerogeneratori di potenze fino a 1250 kW.

L’utilizzazione su larga scala dei combustibili fossili, che nel secondo dopoguerra forniva energie a costi bassissimi, portò ad un quasi completo abbandono delle ricerche e della produzione di aerogeneratori.

La richiesta di energie “pulite e rinnovabili” ha spinto, a partire dal 1975, gli U.S.A., il Canada e alcuni paesi europei a portare avanti programmi di ricerca e sperimentazione volti ad accertare le effettive possibilità di impiego dell’energia eolica per la produzione di energia elettrica.

Attualmente sono già in funzione nel mondo, sia pure soltanto a scopo sperimentale, prototipi di aerogeneratori con potenze fino a 4000 kW.

Aerogeneratore La tipica configurazione

di un aerogeneratore e' costituita da una struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommita' la gondola o navicella. Nella gondola sono contenuti l'albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l'albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari.

All'estremita' dell'albero lento e all'esterno della gondola e' fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale. L'aereogeneratore funziona gia' con un vento di circa 3 m/s (10 km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17 m/s (50÷60 km/h).

Caretteristiche del vento

L’energia del vento è legata al movimento di masse di aria che si spostano al suolo, da aree di alta pressione ad altre di bassa pressione, con velocità proporzionale al gradiente di pressione.

Si può dimostrare che la potenza posseduta dal vento è:

Dove è la densità dell’aria, A è la sezione trasversale della vena fluida e v la velocità

del vento.

31

2vP Av

Potenza estraibile dal vento

A. Betz ha dimostrato che il 59,3% della potenza posseduta dal vento può essere teoricamente assorbita dal rotore.

Quando il vento si avvicina al rotore, rallenta. Diminuisce la sua energia cinetica e, per il teorema di Bernoulli, aumenta l’energia di pressione, raggiungendo un massimo in corrispondenza del rotore.

Le risorse eoliche in Italia La nostra penisola può

contare, specie nelle zone mediterranee e nelle isole su venti di buona intensità, quali il maestrale, lo scirocco e il libeccio.

In primavera ed in estate spirano inoltre regolarmente delle brezze che contribuiscono in misura consistente all’apporto di energia eolica.

Teorema di Bernoulli

In un fluido privo di attrito interno ed incomprimibile in moto stazionario lungo un condotto, si ha che :

P + gh +1/2 V2= cost

Dove p è la pressione, la densità, h la quota e V la velocità del fluido

Energia PotenzialeL’energia potenziale gravitazionale è

un’energia che dipende dalla posizione del punto materiale. Per un corpo di massa m posto ad altezza h dal livello di riferimento essa è uguale a

U = mghU = mgh

Hanno realizzato il lavoro: Antonino Calarese Stefano Chisari Giuseppe Gentile Rosario Guidotto Francesco Pellizzotti Mattia Pizzone

Liceo Scientifico Galileo GalileiCatania