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Energia Solare

L’energia solare è qualsiasi tipo di energia generata dal sole.

L’energia solare è prodotta dalla fusione nucleare che avviene nel sole. La fusione si verifica quando i protoni degli atomi di idrogeno si scontrano violentemente nel nucleo del sole e si fondono per creare un atomo di elio.

Questo processo, noto come reazione a catena PP (protone-protone), emette un’enorme quantità di energia. Nel suo nucleo, il sole fonde circa 620 milioni di tonnellate di idrogeno ogni secondo. La reazione a catena del PP si verifica in altre stelle che hanno all’incirca le dimensioni del nostro sole e fornisce loro energia e calore continui. La temperatura di queste stelle è di circa 4 milioni di gradi sulla scala Kelvin (circa 4 milioni di gradi Celsius, 7 milioni di gradi Fahrenheit).

Nelle stelle che sono circa 1,3 volte più grandi del sole, il ciclo CNO guida la creazione di energia. Il ciclo CNO converte anche l’idrogeno in elio, ma per farlo si basa su carbonio, azoto e ossigeno (C, N e O). Attualmente, meno del 2% dell’energia solare è creata dal ciclo CNO.

La fusione nucleare mediante la reazione a catena del PP o il ciclo CNO rilascia enormi quantità di energia sotto forma di onde e particelle. L’energia solare scorre costantemente lontano dal sole e in tutto il sistema solare . L’energia solare riscalda la Terra, provoca vento e intemperie e sostiene la vita vegetale e animale.

L’energia, il calore e la luce del sole fluiscono via sotto forma di radiazione elettromagnetica.

Lo spettro elettromagnetico esiste come onde di diverse frequenze e lunghezze d’onda. La frequenza di un’onda rappresenta quante volte l’onda si ripete in una certa unità di tempo. Le onde con lunghezze d’onda molto brevi si ripetono più volte in una data unità di tempo, quindi sono ad alta frequenza. Al contrario, le onde a bassa frequenza hanno lunghezze d’onda molto più lunghe.

La stragrande maggioranza delle onde elettromagnetiche sono invisibili per noi. Le onde ad alta frequenza emesse dal sole sono i raggi gamma, i raggi X e le radiazioni ultraviolette (raggi UV). I raggi UV più dannosi sono quasi completamente assorbiti dall’atmosfera terrestre. I raggi UV meno potenti viaggiano attraverso l’atmosfera e possono causare scottature.

Il sole emette anche radiazione infrarossa , le cui onde sono di frequenza molto più bassa. La maggior parte del calore del sole arriva sotto forma di energia a infrarossi.

Stretto tra infrarossi e UV è lo spettro visibile, che contiene tutti i colori che vediamo sulla Terra. Il colore rosso ha le lunghezze d’onda più lunghe (più vicine agli infrarossi) e il viola (più vicine agli UV) le più corte.

Energia solare naturale

Effetto serra

Le onde infrarosse, visibili e UV che raggiungono la Terra prendono parte a un processo di riscaldamento del pianeta che rende possibile la vita, il cosiddetto “effetto serra”.

Circa il 30% dell’energia solare che raggiunge la Terra viene riflessa nello spazio. Il resto viene assorbito nell’atmosfera terrestre. La radiazione riscalda la superficie terrestre e la superficie ritorna parte dell’energia indietro sotto forma di onde infrarosse. Man mano che salgono attraverso l’atmosfera, vengono intercettati dai gas serra, come il vapore acqueo e l’anidride carbonica.
I gas serra intrappolano il calore che si riflette nell’atmosfera. In questo modo si comportano come le pareti di vetro di una serra. Questo effetto serra mantiene la Terra abbastanza calda da sostenere la vita.

Fotosintesi

Quasi tutta la vita sulla Terra fa affidamento sull’energia solare per il cibo, direttamente o indirettamente.

I produttori si affidano direttamente all’energia solare. Assorbono la luce solare e la convertono in sostanze nutritive attraverso un processo chiamato fotosintesi. I produttori, chiamati anche autotrofi, includono piante, alghe, batteri e funghi. Gli autotrofi sono il fondamento della rete alimentare.

I consumatori si affidano ai produttori per i nutrienti. Erbivori, carnivori, onnivori e detritivori dipendono indirettamente dall’energia solare. Gli erbivori mangiano piante e altri produttori. I carnivori e gli onnivori mangiano sia i produttori che gli erbivori. I detritivori decompongono la materia vegetale e animale consumandola.

Combustibili fossili

La fotosintesi è anche responsabile di tutti i combustibili fossili sulla Terra. Gli scienziati stimano che circa 3 miliardi di anni fa, i primi autotrofi si siano evoluti in ambienti acquatici. La luce solare ha permesso alla vita delle piante di prosperare ed evolversi. Dopo la morte degli autotrofi, si sono decomposti e si sono spostati più in profondità nella Terra, a volte migliaia di metri. Questo processo è continuato per milioni di anni.

Sotto pressione intensa e temperature elevate, questi resti sono diventati ciò che conosciamo come combustibili fossili. I microrganismi sono diventati petrolio, gas naturale e carbone.

Le persone hanno sviluppato processi per estrarre questi combustibili fossili e utilizzarli per produrre energia. Tuttavia, i combustibili fossili sono una risorsa non rinnovabile. Ci vogliono milioni di anni per formarsi.

Sfruttare l'energia solare

L’energia solare è una risorsa rinnovabile e molte tecnologie possono raccoglierla direttamente per l’uso in case, aziende, scuole e ospedali. Alcune tecnologie di energia solare includono celle e pannelli fotovoltaici, energia solare concentrata e architettura solare.

Esistono diversi modi per catturare la radiazione solare e convertirla in energia utilizzabile. I metodi utilizzano l’energia solare attiva o l’energia solare passiva.

Le tecnologie solari attive utilizzano dispositivi elettrici o meccanici per convertire attivamente l’energia solare in un’altra forma di energia, molto spesso calore o elettricità. Le tecnologie solari passive non utilizzano dispositivi esterni. Invece, sfruttano il clima locale per riscaldare le strutture durante l’inverno e riflettono il calore durante l’estate.

Fotovoltaico

Il fotovoltaico è una forma di tecnologia solare attiva scoperta nel 1839 dal fisico francese di 19 anni Alexandre-Edmond Becquerel. Becquerel scoprì che quando metteva il cloruro d’argento in una soluzione acida e lo esponeva alla luce solare, gli elettrodi di platino ad esso collegati generavano una corrente elettrica. Questo processo di generazione di elettricità direttamente dalla radiazione solare è chiamato effetto fotovoltaico o fotovoltaico.
Oggi, il fotovoltaico è probabilmente il modo più familiare per sfruttare l’energia solare. Gli array fotovoltaici di solito coinvolgono pannelli solari, una raccolta di dozzine o addirittura centinaia di celle solari.

Ogni cella solare contiene un semiconduttore, solitamente di silicio. Quando il semiconduttore assorbe la luce solare, rilascia gli elettroni. Un campo elettrico dirige questi elettroni sciolti in una corrente elettrica, che scorre in una direzione. Contatti metallici nella parte superiore e inferiore di una cella solare dirigono la corrente verso un oggetto esterno. L’oggetto esterno può essere piccolo come una calcolatrice a energia solare o grande come una centrale elettrica.

Il fotovoltaico è stato ampiamente utilizzato per la prima volta sui veicoli spaziali. Molti satelliti, inclusa la Stazione Spaziale Internazionale, sono dotati di ampie “ali” riflettenti di pannelli solari. La ISS ha due ali di array solari (SAW), ciascuna delle quali utilizza circa 33.000 celle solari. Queste celle fotovoltaiche forniscono tutta l’elettricità alla ISS, consentendo agli astronauti di utilizzare la stazione, vivere in sicurezza nello spazio per mesi alla volta e condurre esperimenti scientifici e ingegneristici.

Le centrali fotovoltaiche sono state costruite in tutto il mondo. Le stazioni più grandi si trovano negli Stati Uniti, in India e in Cina. Queste centrali emettono centinaia di megawatt di elettricità, utilizzata per alimentare case, aziende, scuole e ospedali.

La tecnologia fotovoltaica può essere installata anche su scala ridotta. I pannelli solari e le celle possono essere fissati ai tetti o alle pareti esterne degli edifici, fornendo elettricità alla struttura. Possono essere posizionati lungo le strade per illuminare le autostrade. Le celle solari sono abbastanza piccole da alimentare dispositivi ancora più piccoli, come calcolatrici, parchimetri, compattatori di rifiuti e pompe dell’acqua.

Energia solare concentrata

Un altro tipo di tecnologia solare attiva è l’energia solare concentrata (CSP). La tecnologia CSP utilizza lenti e specchi per focalizzare (concentrare) la luce solare da una vasta area in un’area molto più piccola. Questa intensa area di radiazione riscalda un fluido, che a sua volta genera elettricità o alimenta un altro processo.

I forni solari sono un esempio di energia solare concentrata. Esistono molti tipi diversi di forni solari, comprese le torri di energia solare, i trogoli parabolici e i riflettori di Fresnel. Usano lo stesso metodo generale per catturare e convertire l’energia.

Le torri ad energia solare utilizzano eliostati, specchi piatti che ruotano per seguire l’arco del sole attraverso il cielo. Gli specchi sono disposti attorno a una “torre di raccolta” centrale e riflettono la luce solare in un raggio di luce concentrato che risplende su un punto focale della torre.

Nei progetti precedenti di torri ad energia solare, la luce solare concentrata riscaldava un contenitore d’acqua, che produceva vapore che alimentava una turbina. Più recentemente, alcune torri di energia solare utilizzano sodio liquido, che ha una maggiore capacità termica e trattiene il calore per un periodo di tempo più lungo. Ciò significa che il fluido non solo raggiunge temperature da 773 a 1.273 K (da 500 a 1.000 ° C o da 932 a 1.832 ° F), ma può continuare a far bollire l’acqua e generare energia anche quando il sole non splende.

Anche i canali parabolici e i riflettori Fresnel utilizzano CSP, ma i loro specchi hanno una forma diversa. Gli specchietti parabolici sono curvi, con una forma simile a una sella. I riflettori Fresnel utilizzano strisce di specchio piatte e sottili per catturare la luce solare e dirigerla su un tubo di liquido. I riflettori Fresnel hanno una superficie maggiore rispetto ai canali parabolici e possono concentrare l’energia del sole a circa 30 volte la sua intensità normale.

Le centrali solari a concentrazione sono state sviluppate per la prima volta negli anni ’80. La struttura più grande del mondo è una serie di piante nel deserto del Mojave in California. Questo sistema di generazione di energia solare (SEGS) genera più di 650 gigawattora di elettricità ogni anno. Altri impianti grandi ed efficaci sono state sviluppate in Spagna e in India.
L’energia solare concentrata può essere utilizzata anche su scala ridotta. Ad esempio, può generare calore per cucine solari. Le persone nei villaggi di tutto il mondo usano fornelli solari per bollire l’acqua per i servizi igienici e per cucinare il cibo.

Le cucine solari offrono molti vantaggi rispetto alle stufe a legna: non sono un pericolo di incendio, non producono fumo, non richiedono carburante e riducono la perdita di habitat nelle foreste dove gli alberi verrebbero raccolti per il carburante. I fornelli solari consentono inoltre agli abitanti dei villaggi di dedicare tempo all’istruzione, agli affari, alla salute o alla famiglia durante il tempo precedentemente utilizzato per raccogliere legna da ardere. I fornelli solari sono utilizzati in aree diverse come Ciad, Israele, India e Perù.

Architettura solare

Durante il corso della giornata, l’energia solare fa parte del processo di convezione termica, ovvero il movimento del calore da uno spazio più caldo a uno più fresco. Quando il sole sorge, inizia a riscaldare oggetti e materiale sulla Terra. Durante il giorno, questi materiali assorbono il calore dalla radiazione solare. Di notte, quando il sole tramonta e l’atmosfera si è raffreddata, i materiali rilasciano il loro calore nell’atmosfera.

Le tecniche di energia solare passiva sfruttano questo processo naturale di riscaldamento e raffreddamento.

Le case e gli altri edifici utilizzano l’energia solare passiva per distribuire il calore in modo efficiente ed economico. Il calcolo della “massa termica” di un edificio ne è un esempio. La massa termica di un edificio è la maggior parte del materiale riscaldato durante il giorno. Esempi di massa termica di un edificio sono legno, metallo, cemento, argilla, pietra o fango. Di notte, la massa termica rilascia il suo calore nella stanza. Sistemi di ventilazione efficaci – corridoi, finestre e condotti dell’aria – distribuiscono l’aria calda e mantengono una temperatura interna moderata e costante.

La tecnologia solare passiva è spesso coinvolta nella progettazione di un edificio. Ad esempio, nella fase di pianificazione della costruzione, l’ingegnere o l’architetto può allineare l’edificio con il percorso quotidiano del sole per ricevere quantità desiderabili di luce solare. Questo metodo tiene conto della latitudine, dell’altitudine e della tipica copertura nuvolosa di un’area specifica. Inoltre, gli edifici possono essere costruiti o adattati per avere isolamento termico, massa termica o ombreggiatura extra.

Altri esempi di architettura solare passiva sono i tetti freddi, le barriere radianti e i tetti verdi. I tetti freddi sono dipinti di bianco e riflettono la radiazione solare invece di assorbirla. La superficie bianca riduce la quantità di calore che raggiunge l’interno dell’edificio, il che a sua volta riduce la quantità di energia necessaria per raffreddare l’edificio.

Le barriere radianti funzionano in modo simile ai tetti freddi. Forniscono isolamento con materiali altamente riflettenti, come un foglio di alluminio. La pellicola riflette, invece di assorbire, il calore e può ridurre i costi di raffreddamento fino al 10%. Oltre a tetti e solai, possono essere installate anche barriere radianti sotto i pavimenti.

I tetti verdi sono tetti completamente ricoperti di vegetazione. Richiedono terreno e irrigazione per sostenere le piante e uno strato impermeabile sottostante. I tetti verdi non solo riducono la quantità di calore assorbita o persa, ma forniscono anche vegetazione. Attraverso la fotosintesi, le piante sui tetti verdi assorbono anidride carbonica ed emettono ossigeno. Filtrano gli inquinanti dall’acqua piovana e dall’aria e compensano alcuni degli effetti dell’uso di energia in quello spazio.

I tetti verdi sono una tradizione in Scandinavia da secoli e recentemente sono diventati popolari in Australia, Europa occidentale, Canada e Stati Uniti. Ad esempio, la Ford Motor Company ha coperto 42.000 metri quadrati dei tetti dei suoi impianti di assemblaggio a Dearborn, nel Michigan, con vegetazione. Oltre a ridurre le emissioni di gas serra, i tetti riducono il deflusso delle acque piovane assorbendo diversi centimetri di pioggia.
Anche i tetti verdi e i cool roof possono contrastare l’effetto “isola di calore urbana”. Nelle città trafficate, la temperatura può essere costantemente più alta rispetto alle aree circostanti. Molti fattori contribuiscono a questo: le città sono costruite con materiali come l’asfalto e il cemento che assorbono il calore; edifici alti bloccano il vento e i suoi effetti di raffreddamento; e quantità elevate di calore di scarto sono generate dall’industria, dal traffico e da un’elevata popolazione. Utilizzare lo spazio disponibile sul tetto per piantare alberi o riflettere il calore con i tetti bianchi può alleviare parzialmente gli aumenti della temperatura locale nelle aree urbane.

Energia solare e persone

Poiché la luce solare splende solo per circa metà della giornata nella maggior parte del mondo, le tecnologie di energia solare devono includere metodi per immagazzinare l’energia durante le ore buie.

I sistemi a massa termica utilizzano paraffina o varie forme di sale per immagazzinare l’energia sotto forma di calore. I sistemi fotovoltaici possono inviare l’elettricità in eccesso alla rete elettrica locale o immagazzinare l’energia in batterie ricaricabili.

Ci sono molti pro e contro nell’utilizzo dell’energia solare.

Vantaggi

Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo dell’energia solare è che si tratta di una risorsa rinnovabile. Avremo una fornitura costante e illimitata di luce solare per altri 5 miliardi di anni. In un’ora, l’atmosfera terrestre riceve abbastanza luce solare per alimentare il fabbisogno elettrico di ogni essere umano sulla Terra per un anno.

L’energia solare è pulita. Dopo che l’attrezzatura per la tecnologia solare è stata costruita e installata, l’energia solare non ha bisogno di carburante per funzionare. Inoltre non emette gas serra o materiali tossici. L’utilizzo dell’energia solare può ridurre drasticamente l’impatto che abbiamo sull’ambiente.

Ci sono luoghi in cui l’energia solare è pratica. Le case e gli edifici in aree con un’elevata quantità di luce solare e una bassa nuvolosità hanno l’opportunità di sfruttare l’abbondante energia del sole.

Le cucine solari forniscono un’ottima alternativa alla cottura con stufe a legna, sulle quali 2 miliardi di persone fanno ancora affidamento. I fornelli solari forniscono un modo più pulito e sicuro per disinfettare l’acqua e cuocere il cibo.

L’energia solare completa altre fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica o idroelettrica.

Le case o le aziende che installano pannelli solari di successo possono effettivamente produrre elettricità in eccesso. Questi proprietari di case o imprenditori possono rivendere l’energia al fornitore di energia elettrica, riducendo o addirittura eliminando le bollette elettriche.

Svantaggi

Il principale deterrente all’uso dell’energia solare è l’attrezzatura richiesta. Le apparecchiature per la tecnologia solare sono costose. L’acquisto e l’installazione dell’attrezzatura può costare decine di migliaia di euro per le singole case. Sebbene il governo offra spesso tasse ridotte e incentivi a persone e aziende che utilizzano l’energia solare e la tecnologia possa eliminare le bollette dell’elettricità, il costo iniziale è troppo alto per essere considerato da molti.

Anche le apparecchiature a energia solare sono pesanti. Per poter ammodernare o installare pannelli solari sul tetto di un edificio, il tetto deve essere robusto, ampio e orientato verso il percorso del sole.

Sia la tecnologia solare attiva che quella passiva dipendono da fattori che sono fuori dal nostro controllo, come il clima e la nuvolosità. Le aree locali devono essere studiate per determinare se l’energia solare sarebbe efficace in quella zona.

La luce solare deve essere abbondante e costante affinché l’energia solare sia una scelta efficiente. Nella maggior parte dei luoghi della Terra, la variabilità della luce solare ne rende difficile l’implementazione come unica fonte di energia.

 

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