Categoria: Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

Il valore aggiunto delle TECNOLOGIE viste da un punto di vista ingegneristico: Tecnologie edili, meccaniche, motoristiche e dei materiali. Cenni di scienze accompagnano l’approfondimento dei concetti fondamentali.

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Grandezze fotometriche: note di illuminotecnica

Rubrica: Energia – Lighting

Titolo o argomento: Le grandezze della luce

Con il precedente articolo, Grandezze fotometriche, si sono introdotte le grandezze principali che descrivono la fotometria. Di seguito invece si riportano delle note che introducono all’illuminotecnica, ovvero alla scienza che studia l’illuminazione mediante luce solare o artificiale. Senza pretesa si intende trattare l’argomento solo a scopo di fornire un rapido memorandum dei concetti chiave che introducono alla suddetta disciplina.

Compito visivo, prestazione visiva e comfort visivo

Il compito visivo è la richiesta a carico del sistema visivo per svolgere una determinata attività (intesa come visione degli oggetti su cui si opera e della scena immediatamente circostante compresa nel campo visivo). In fase di progettazione dell’illuminazione il compito visivo da svolgere nell’ambiente (ad esempio di lavoro) viene determinato a priori in base alla destinazione d’uso dell’ambiente stesso.

La prestazione visiva consiste nella misura della velocità e della precisione con cui un determinato compito visivo viene eseguito. In altre parole si tratta dell’attitudine che una persona manifesta nel reagire quando i dettagli dell’oggetto della visione (compito visivo) entrano nello spazio di osservazione. Ciò dipende essenzialmente dalle capacità visive del soggetto (intese come acuità visiva: accomodazione, regolazione della luce incidente, convergenza dell’asse visivo, motilità oculare, senso cromatico, presenza di difetti visivi, adattamento), dalle caratteristiche del compito visivo e dalle caratteristiche dell’ambiente.

Per poter svolgere un compito visivo con la corretta efficienza funzionale è necessario rispettare delle condizioni che garantiscano il dovuto comfort. Affinché ogni oggetto coinvolto nell’osservazione sia percepito con sufficiente dettaglio dall’osservatore, occorre un livello adeguato di illuminamento, una sufficiente uniformità di illuminamento, una buona distribuzione delle luminanze, l’assenza di abbagliamento, una corretta direzionalità della luce ed una buona resa cromatica delle sorgenti e degli ambienti.

Livello di illuminamento, contrasto di luminanza e abbagliamento

Dall’illuminamento dipende una percezione più o meno corretta dei piccoli dettagli ad una data distanza (acuità visiva) e la velocità di percezione, ovvero il tempo richiesto per compiere un compito visivo. Apposite normative regolano i livelli di illuminamento e di uniformità di illuminamento su piani di lavoro e nei locali in relazione ai compiti visivi previsti (UNI 10380/A1 – UNI 10840 – UNI EN 12464-1 Ottobre 2004).

La differenza di luminanza, tra l’oggetto che fa parte del compito visivo e lo sfondo, permette all’occhio umano di vedere. Vi è quindi un constrasto (detto contrasto di luminanza) che permette di distinguere l’oggetto dallo sfondo. Quando tale contrasto risulta eccessivo si verifica il fenomeno dell’abbagliamento durante il quale l’occhio non riesce ad adattarsi e la visione risulta disturbata.

Colore di una luce e colore di un oggetto

Se una luce è monocromatica il suo colore dipenderà dalla frequenza della luce stessa, ma se una luce non è monocromatica il suo colore dipenderà dalla composizione spettrale, ovvero dalla distribuzione dell’energia radiante tra le diverse frequenze che la compongono. La colorimetria delle luci è additiva.

Il colore di un oggetto invece dipende dalle caratteristiche cromatiche della sorgente (potere emissivo spettrale) e dalle caratteristiche cromatiche dell’oggetto (riflessività spettrale o trasmissività spettrale) che a loro volta dipendono dai pigmenti che contiene. La colorimetria dei pigmenti è sottrattiva.

Composizione additiva delle luci Composizione sottrattiva dei pigmenti

La temperatura di colore (o temperatura cromatica) e la resa di colore

La temperatura di colore è la temperatura di un radiatore perfetto (corpo nero) che emette radiazione dello stesso colore della luce emessa dalla sorgente. Tale temperatura si misura in kelvin ed è un valore particolarmente utile in quanto incorpora in un solo numero le caratteristiche cromatiche di una sorgente (molto accurate nel caso delle sorgenti ad incandescenza, più approssimative nel caso delle sorgenti a scarica nei gas). Giusto per riportare alcuni esempi, la luce solare a mezzogiorno ha una temperatura di colore pari a 5500 kelvin, una lampada ad incandescenza da 100 Watt con bulbo diffusore ha una temperatura di colore di 2800 kelvin, una lampada ad incandescenza da 100 Watt “a luce diurna” ha una temperatura di colore compresa tra 3500 e 4000 kelvin.

La resa di colore viene misurata attraverso un indice denominato per l’appunto “indice di resa di colore Ra”, esso specifica le proprietà cromatiche delle sorgenti di luce sulla base del cambiamento di colore di un oggetto illuminato con la sorgente in esame rispetto a quando è illuminato con una sorgente standard. Un minimo cambiamento indica una buona resa di colore (indice Ra elevato), mentre un ampio cambiamento indica una pessima resa di colore (indice Ra basso). Come sorgente standard si può prendere in considerazione ad esempio la luce diurna con temperatura di colore maggiore di 5000 kelvin (secondo lo standard CIE – Commission Internationale de l’Éclairage – Commissione Internazionale per l’Illuminazione).

Fonti:
Lezioni e appunti universitari di Fisica Tecnica.
Enciclopedia UTET.
Strumenti utilizzati dall’autore per prove di laboratorio.

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Grandezze fotometriche
Grandezze fotometriche: note di illuminotecnica
Grandezze fotometriche: gli strumenti di misura
Grandezze radiometriche (Link in preparazione)
Grandezze radiometriche: note sulla radiazione solare (Link in preparazione)
Grandezze radiometriche: le misurazioni (Link in preparazione)

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Grandezze fotometriche

Rubrica: Energia – Lighting

Titolo o argomento: Le grandezze della luce

Approfittando del fatto che nell’ultimo mese ho avuto a che fare spesso con la luce (vedi il caso di studio: Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un pannello fotovoltaico in condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli) dedico con piacere due parole introduttive su quello che, non lo nascondo, anche per me è un nuovo piacevole tema di studio: le grandezze fotometriche e le grandezze radiometriche. Volgarmente si può affermare che le prime sono grandezze utili da conoscere se si sta cercando di comprendere cosa accade ad esempio manipolando l’illuminazione di un set video o fotografico ben curato (ma potrebbe trattarsi di un lampione stradale o di una lampadina di casa), le altre sono grandezze indispensabili per chi sta approcciando il mondo del fotovoltaico e desidera conoscere cosa ruota attorno alla radiazione solare. In realtà la differenza sostanziale sta nel fatto che le grandezze fotometriche sono direttamente utilizzabili in scienza del colore e quantificano l’emissione luminosa in grado di produrre una sensazione visiva nell’occhio umano, cosa che non accade con le grandezze radiometriche. Di seguito vi sono riportate le voci facenti parte delle grandezze fotometriche, il lettore più attento noterà il parallelismo con le descrizioni, i simboli e le unità di misura delle voci relative alle grandezze radiometriche (link in basso). Le prime fanno riferimento alla curva di risposta spettrale dell’occhio umano, le seconde fanno riferimento all’insieme ben più esteso che le ingloba, le radiazioni elettromagnetiche.

Flusso luminoso (o Potenza luminosa) – Φ, Lumen (lm)

Parte del flusso radiante Pr emesso nel campo del visibile e valutato secondo la risposta dell’occhio umano, ovvero secondo la curva del fattore di visibilità relativa v(λ) riferita all’osservatore medio internazionale della CIE (Commission Internationale de l’Éclairage – Commissione Internazionale per l’Illuminazione). Il flusso luminoso si indica con la lettera Φ e la sua unità di misura è il lumen (lm).

1 lumen = 1 candela · 1 steradiante
1 Watt (di Potenza radiante e “non” di Potenza elettrica) = 683 lumen* – Luce monocromatica λ=555 nm.

*Diverse sorgenti luminose generano diverse conversioni tra potenza radiante (Watt) e flusso luminoso (lumen).

Efficienza luminosa specifica

L’efficienza luminosa specifica consiste nel rapporto tra il Flusso luminoso e la Potenza elettrica, si indica con η e l’unità di misura è, ovviamente, lumen/Watt. Una lampada ad incandescenza il cui flusso luminoso è pari a 1400 lumen e la cui potenza elettrica vale 100 Watt, avrà un’efficienza luminosa specifica uguale a 14 lm/W mentre una lampada fluorescente da 2800 lumen e 40 Watt avrà un’efficienza pari a 70 lm/W.

Tungsten incandescent light bulb: 12.5-17.5 lm/W
Halogen lamp: 16-24 lm/W
Fluorescent lamp: 45-75 lm/W
LED lamp: 30-90 lm/W
Metal halide lamp: 75-100 lm/W
High pressure sodium vapor lamp: 85-150 lm/W
Low pressure sodium vapor lamp: 100-200 lm/W
Mercury vapor lamp: 35-65 lm/W

Flusso luminoso

Intensità luminosa – Iα, Candela (lm/sterad)

Flusso luminoso emesso dalla sorgente entro l’angolo solido dω attorno ad una data direzione. L’intensità luminosa si indica con Iα e la sua unità di misura è la Candela (cd = lm/sterad ovvero lumen su steradiante). Il valore pari a 1 candela rappresenta l’intensità luminosa emessa in una data direzione da una sorgente che genera una radiazione monocromatica con lunghezza d’onda λ=555 nm (giallo-verde, massimo della sensibilità per l’occhio umano) e con intensità radiante pari a 1/683 W/steradiante.

1 candela = 1 lumen / 1 sterad
L’angolo solido è un estensione, nello spazio tridimensionale, dell’angolo piano.

Intensità luminosa

Illuminamento – E, Lux (lm/m2)

L’illuminamento in un dato punto di una superficie è uguale al flusso luminoso incidente per unità di superficie ricevente. L’illuminamento si indica con E e la sua unità di misura è il Lux (lx = lm/m2). La legge dell’inverso del quadrato esprime l’illuminamento E, in un punto di un piano perpendicolare alla direzione di incidenza della luce, come il rapporto tra l’intensità luminosa I nella direzione del dato punto e il quadrato della distanza d tra sorgente luminosa puntiforme ed il punto stesso.

E = I / d2
1 Lux = 1 lumen / 1 m2 =  (1 candela · 1 steradiante) / 1 m2

Illuminamento

Luminanza – L, Nit (cd/m2)

La luminanza in un punto di una superficie, in una determinata direzione di vista, è il rapporto tra l’intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione stessa. La luminanza si indica con L e la sua unità di misura è il Nit (cd/m2) o, in alternativa, lo Stilb (cd/cm2).

1 Nit = 1 candela / 1 m2 =  (1 lumen / 1 sterad) · m-2

Illuminamento e Luminanza

Energia luminosa – Qv, Lumen per secondo (lm·s)

Energia trasportata dal flusso luminoso considerato, si indica con Qv e la sua unità di misura è il lumen per secondo.

1 lumen · secondo = 1 candela · 1 steradiante · secondo

Emettenza luminosa (luminosità) – Mv, Lux (lm/m2)

Indica il rapporto tra il flusso luminoso e l’unità di superficie emettente (al contrario dell’illuminamento che rapporta il flusso luminoso con l’unità di superficie ricevente), si indica con Mv e la sua unità di misura è, ovviamente, il lumen su metro quadro.

Fattore di trasmissione, fattore di riflessione e fattore di assorbimento

Degni di nota sono anche i fattori di trasmissione, riflessione e assorbimento. Il primo esprime il rapporto tra il flusso luminoso trasmesso attraverso un dato materiale ed il flusso luminoso incidente su di esso, il secondo esprime il rapporto tra il flusso luminoso riflesso da un dato materiale ed il flusso luminoso incidente su di esso ed il terzo esprime il rapporto tra il flusso luminoso assorbito dal materiale ed il flusso luminoso incidente.

Fonti:
Lezioni e appunti universitari di Fisica Tecnica.
Enciclopedia UTET.
Strumenti utilizzati dall’autore per il caso di studio precedentemente citato.

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Caso di studio: Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un pannello fotovoltaico in condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli

Rubrica: Casi di studio – Case studies

Titolo o argomento: Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un mini impianto fotovoltaico ad isola in condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli

Introduzione alla prova

Obiettivi della prova

Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un pannello fotovoltaico (mini impianto ad isola di autoconsumo dotato di accumulo dell’energia per uso notturno) sottoposto a condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli durante i mesi di Dicembre, Gennaio e Febbraio. Confronto tra le ore di luce giornaliera e le ore di luce effettivamente sfruttabili dal pannello in severe condizioni: cielo nuvoloso, pioggia, grandine, neve, barriere geometriche, architettoniche e/o naturali. Test di metodi economicamente convenienti per l’incremento della resa.

Periodo della prova

La prova si svolgerà in due fasi. Lungo l’intero mese di Dicembre 2012 verranno effettuate diverse prove introduttive atte a determinare i punti su cui approfondire maggiormente. La seconda fase si svolge lungo il mese di Gennaio 2013 con lo scopo di soddisfare eventuali curiosità tecniche emerse nel mese precedente.

Luogo della prova

La prova si svolge nel centro Italia e più precisamente ad Ancona in una situazione climatica intermedia tra il nord ed il sud.

Caratteristiche della prova

La prova si svolge volutamente sotto condizioni nettamente sfavorevoli per un impianto fotovoltaico (o singolo modulo) di qualunque dimensione esso sia. Il modulo in questione viene installato su un supporto mobile economico (bancale in legno resistente alle intemperie) al fine di testare diverse posizioni sfavorevoli condizionate da barriere architettoniche e/o naturali, nonché differenti inclinazioni e rotazioni rispetto all’asse del sole. Si vuole capire, quindi, cosa accade quando si installa un impianto (anche mini) in una zona fortemente vincolata e caratterizzata da ombra quasi costante, indotta ad esempio da edifici vicini, alberi, ombre proiettate da tendaggi inamovibili, ecc. , alternata a brevi intervalli di esposizione alla luce diretta. Le prime analisi vengono effettuate senza dispositivi di inseguimento solare e/o dispositivi di concentrazione solare, in un periodo dell’anno scarsamente soleggiato con costante presenza di nubi, piogge e rischio neve. La prova prevede la registrazione di dati relativi alle caratteristiche della corrente e tensione prodotte (nonché potenza fornita ed energia accumulata), alle ore realmente utili del giorno in cui è stato possibile produrre valori anche minimi di energia, alle caratteristiche meteorologiche ed alle caratteristiche geometriche (posizionamento pannello, inclinazione e orientamento rispetto al sole).

Utilità della prova

I dati ricavati possono ritenersi utili soprattutto per coloro che amano soluzioni DIY (Do It Yourself – Fai da Te) e desiderano realizzare piccoli impianti adibiti alla produzione ed all’accumulo dell’energia per semplici applicazioni come ad esempio la ventilazione di un locale, il mantenimento della carica di batterie di avviamento o di servizio di normali veicoli, veicoli ricreazionali o veicoli speciali, l’alimentazione (anche tramite inverter 12 – 220 Volt) di impianti di illuminazione o semplici luci di cortesia (condominiali o di sicurezza) utili ad evitare zone buie fuori casa, la ricarica di computer portatili, cellulari, smartphone, mp3, tablet, fotocamere, batterie stilo ricaricabili, batterie tampone, ecc. Si considera inoltre di studiare soluzioni tecniche per ottenere benefici che incrementino moderatamente le prestazioni dell’impianto, la sua praticità e la sua convenienza in particolar modo nei mesi invernali.

Livello di difficoltà

In una scala che va da 1 a 4 il livello di difficoltà attribuito è 2. Vedi la sezione specifica “Casi di studio” di questo blog.

Impianto

Funzionalità dell’impianto

L’impianto non è collegato alla rete, esso si autosostenta e provvede a storare energia in un accumulatore elettrochimico al piombo acido 12 Volt – 50Ah. Tale accumulatore alimenta un kit di ventole adibite all’aerazione continuativa di un locale ad uso garage nel quale sono presenti gas e vapori provenienti rispettivamente da motori a combustione e relativi serbatoi di normali veicoli 2 e 4 tempi, benzina e diesel che in esso sostano.

Pannello fotovoltaico

Pannello fotovoltaico ad elevato standard qualitativo costruito in Italia con componentistica selezionata di origine italiana e/o tedesca, 36 celle in silicio monocristallino, potenza di picco 60wp, rendimento compreso in un intorno del 18% (stimato: 18,16% con irraggiamento pari a 1000w/m2 e temperatura ambiente pari a 25°C). Le celle sono protette verso l’esterno da un vetro temprato ad altissima trasparenza e da un foglio di Tedlar, il tutto è incapsulato sottovuoto ad alta temperatura tra due fogli di Ethylene Vinyl Acetate ed una robusta cornice in alluminio anodizzato. Il vetro temprato da 4 mm è resistente all’impatto con la grandine da 25 mm fino ad una velocità massima del chicco pari a 23 m/s. Il pannello è prodotto in stabilimenti certificati ISO 9001.

Specifiche
Potenza di picco: 60 Wp
Numero ci celle: 36
Corrente in corto circuito ISC (AMP): 3,58.
Tensione a circuito aperto (VOC): 21,69.
Tensione al punto di massima potenza (VMP): 18,86.
Corrente al punto di massima potenza (IMP): 3,15.
Indice di tolleranza: +/- 5%.
Massa: 6 kg.

Regolatore di carica

Regolatore di carica dal costo contenuto per il collegamento di uno o due pannelli ad una o più batterie al piombo gel o al piombo acido (collegate in parallelo). Regolatore caratterizzato da basse temperature di funzionamento del circuito con ripercussioni positive in termini di affidabilità.

Specifiche
Tensione batteria: 12 Volt.
Tensione massima (V): 14,3 (Pb – Gel) oppure 14,1 (Pb – Acido).
Controllo in serie con mosfet.
Blocco della corrente inversa con mosfet.
Potenza Max applicabile: 240 Watt.
Protezione contro il cortocircuito.
Protezione contro l’inversione di polarità.
Fusibile di protezione interno: 20A.
Predisposizione per collegamento di due moduli.
Possibilità di collegare una batteria di avviamento e una di servizio con parallelatore.

Display di monitoraggio

Specifiche
Indicazione tensione batteria.
Indicazione corrente di carica.
Indicazione potenza prodotta dal pannello fotovoltaico.
Indicazione ampereora.
Indicazione ore di luce giornaliere.

Multimetro

Per la visualizzazione dei parametri elettrici di impianto in ogni punto di connessione dell’impianto stesso.

Datalogger

Dedicato alla registrazione continua dei dati di impianto mediante collegamento USB all’elaboratore.

Accumulatore elettrochimico al piombo acido

Specifiche
Batteria specifica per avviamento motori a c.i.
Tensione nominale media: 12 Volt.
Tensione effettiva a piena carica: 13,9 Volt.
Capacità: 50 Ah.

Carico tipo 1: Ventole
Utenza (o carico) costituita da ventole per aerazione locale garage mediante appositi convogliatori, raccordi e supporti.
Specifiche
Numero ventole: variabile da 1 a 4 (1,7-6,8 Watt).
Tensione di alimentazione 12 Volt.
Potenza assorbita dalla singola ventola: 1,7 Watt.
Portata dʼaria: / m3/h.
Carico tipo 2: Lampadina 12 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampadina per uso automobilistico.
Specifiche
Numero lampadine: 1.
Tipo: Alogena.
Tensione: 12 Volt.
Potenza: 55/60 Watt.
Carico tipo 3: Lampada 220 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampada per uso domestico.
Specifiche
Numero lampadine: variabile da 1 a 4 (21-84 Watt).
Tipo: a risparmio energetico.
Tensione: 220 Volt.
Potenza: 21 Watt.
Carico tipo 4: Lampada LED 220 Volt
Utenza (o carico) costituita da una lampada per uso domestico.
Specifiche A
Numero lampadine: variabile da 1 a 8 (8-64 Watt).
Tipo: a LED.
Tensione: 220 Volt.
Potenza assorbita: 8 Watt (resa luminosa analoga a lampadina tradizionale 40 Watt).
Specifiche B
Numero lampadine: variabile da 1 a 8 (12-96 Watt).
Tipo: a LED.
Tensione: 220 Volt.
Potenza assorbita: 12 Watt (resa luminosa analoga a lampadina tradizionale 70 Watt).
Inverter
Specifiche
Tipo: a onda quadra.
Tensione dʼingresso: 12 Volt DC (11-15 Volt).
Tensione dʼuscita: 230 Volt AC.
Assorbimento a vuoto: <0,8A.
Potenza continua: 100 Watt.
Raffreddamento: mediante ventola.
Efficienza fino a: 90%.
Cavi pannello
Destinati al collegamento del pannello fotovoltaico al regolatore di carica.
Specifiche
Sezione: 6 mmq.
Corrente Max: 8A.
AWG (American Wire Gauge): 10.
Coibentamento 85°C.
Materiale elettrico di impianto
Cavi, prese, spine, scatole di derivazione, ecc.
Specifiche
Tenuta stagna.
Connessioni assicurate da bloccaggi di sicurezza e OR ad alta tenuta.
Adatto per installazioni allʼaperto o su veicoli ricreazionali e speciali.

Dati

Condizioni della prova: esempio di dati meteo osservati

Data
Il sole sorge alle ore
Il sole tramonta alle ore
Durata del giorno: ore (minuti)
Cielo: condizioni
Temperatura: °C
Umidità: %
Pressione: hPa
Precipitazioni: pioggia, grandine, nevischio, neve
Vento: nodi
Radiazione solare: ≤4MJ/m2

Condizioni della prova: esempio di barriere geometriche, architettoniche e/o naturali

Posizionamento pannello in prossimità ombra albero.
Posizionamento pannello in prossimità tendaggio inamovibile.
Posizionamento pannello in zona soleggiata.
Posizionamento pannello in modalità fissa.
Posizionamento pannello in modalità inseguimento (rotazione + inclinazione).

Condizioni della prova: esempio di dati d’impianto

Il mini impianto (pannello fotovoltaico monocristallino 60Wp + regolatore di carica) alimenta: un accumulatore elettrochimico al piombo acido 12V-50Ah. Alla batteria sono collegate 4 ventole 12V-1,7W o, in alternativa, 1 lampadina alogena (tipo automobilistico) 12V-60W o, ancora, una lampada (tipo domestico) a risparmio energetico 220V-21W tramite inverter ad onda quadra 12V-220V per utenze fino a 100 Watt.

Tensione effettiva della batteria carica a riposo: 13,9 Volt.
Tensione minima limite della prova: 11,8-12,0 Volt.
Tensione minima assoluta (rischio danni batteria): 10,8 Volt.

Condizioni della prova: esempio di dati ricavati

Ore di luce giornaliera utili alla produzione di energia elettrica.
Inizio produzione valori di energia rilevabili (sopra 1 Watt) alle ore: /
Potenza massima prodotta dal pannello: /
Potenza minima prodotta dal pannello: /
Amperora (capacità): /
Corrente massima: /
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con caricatore lento.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con caricatore rapido.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata serena).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata serena/nubi).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata coperta).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata di pioggia).
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con fotovoltaico (giornata di neve).
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 1 ventola 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 2 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 3 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 8 ore alimentando 4 ventole 12V-1,7W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 1 ora alimentando 1 lampadina 12V-60W.
Curva di scarica batteria 12V-50Ah in 1 ora alimentando 1 lampadina 220V-21W.
Curva variazione tensione pannello in relazione allʼinclinazione.
Curva variazione corrente pannello in relazione allʼinclinazione.
Curva variazione tensione pannello in relazione alla rotazione.
Curva variazione corrente pannello in relazione alla rotazione.
Curva variazione Tensione pannello con Ombreggiamento parziale.
Curva variazione Corrente pannello con Ombreggiamento parziale.
Es. Curva variazione Tensione pannello con Nubi e Inseguimento.
Es. Curva variazione Corrente pannello con Nubi e Inseguimento.
Curva di carica batteria da 12V a 13,9V con giornata serena +1 Ventola.
Curva di carica batteria da 12V a 13,9V con giornata mista serena/nubi +1 Ventola.
Curva di carica batteria 12V-50Ah da 12V a 13,9V con giornata coperta +1 Ventola.
Variazioni tangibili prestazioni con o senza inseguimento.
Variazioni tangibili prestazioni in relazione allʼinclinazione del pannello (di gradi: /).
Variazioni tangibili prestazioni in relazione alla rotazione del pannello (di gradi: /).
Variazioni tangibili prestazioni in relazione alla posizione rispetto alle barriere.
I dati di carica e scarica sono stati rilevati con e senza l’ausilio del pannello fotovoltaico al fine di effettuare un confronto e compararne gli effetti. Tali dati sono disponibili nelle tabelle e grafici riportati più avanti in questo caso di studio.

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Termini di utilizzo del blog

Pannello fotovoltaico al lavoro durante il test sotto la pioggia in condizioni di scarsa luminosità Pannello fotovoltaico al lavoro durante il test in condizioni più favorevoli Regolatore di carica collegato tra il pannello fotovoltaico e la batteria al piombo acido Display multifunzione per il monitoraggio del pannello fotovoltaico e della batteria Data logging ventole 12 Volt - 1,7 Watt Inverter alimentazione utenze 220 Volt Brina sul pannello in una giornata di nebbia Il pannello coperto dalla neve produce 1/60 della sua potenza Alimentazione illuminazione a LED mediante fotovoltaico

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Sistemi di accumulo aerostatico dell’energia: L’accumulo pneumatico e pneumatico/idraulico

Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia

Titolo o argomento: L’accumulo aerostatico di tipo pneumatico e pneumatico/idraulico

L’accumulo aerostatico consta di un serbatoio nel quale un gas, solitamente aria, viene compresso al fine di acquisire energia potenziale di compressione. Anche il sistema di accumulo aerostatico, puramente pneumatico, come quello idrostatico, non offre grandi vantaggi a causa della scarsa quantità di energia per unità di volume. Il discorso cambia di fronte ad un sistema misto pneumatico/idraulico.

Accumulo meccanico (pneumatico – pneumatico/idraulico)

Si tratta di un sistema di accumulo che immagazzina aria compressa a pressioni diverse. Gli elementi che lo costituiscono sono sostanzialmente due: il serbatoio di accumulo ed il trasformatore (compressore/espansore) che permette di collegare l’aria accumulata (e la relativa energia associata) con il carico meccanico (generalmente una massa rotante). L’energia, quindi, per essere trasformata da meccanica (contenuta nell’aria compressa all’interno del serbatoio) ad elettrica (per la trazione di un veicolo ibrido o elettrico) necessita almeno di due trasformazioni; se poi si desidera aumentare l’efficienza e la densità di energia del sistema occorre aggiungere un processo intermedio da pneumatico a idraulico interponendo un liquido tra il serbatoio d’aria e la massa rotante del generatore (accumulo pneumatico/idraulico). Un simile sistema accusa delle perdite principalmente nei riscaldamenti e raffreddamenti conseguenti ai processi di compressione ed espansione. I risultati ottenuti ne dimostrano comunque la convenienza di utilizzo dato che l’efficienza complessivo del veicolo aumenta (l’efficienza del solo ciclo di compressione/espansione si aggira attorno al 70%). Un sistema di accumulo con serbatoi di acciaio da 250 bar dispone di una densità di energia pari a 2 Wh/l ed energia specifica pari a 3,2 Wh/kg.

Applicazioni veicolari: Hydraulic Hybrid Technology

Al fine di ottimizzare i consumi di carburante, ridurre le emissioni inquinanti ed i gas serra, l’EPA (Environmental Protection Agency) ha sviluppato, diversi anni or sono, un sistema di accumulo pneumatico/idraulico dell’energia (noto anche come Hydraulic Hybrid Technology) che è stato installato sui veicoli commerciali del noto corriere espresso UPS. Il sistema sostanzialmente recupera l’energia in frenata di un mezzo pesante accumulandola sotto forma di gas compresso (nella fattispecie azoto) in apposite bombole ad alta pressione. Una pompa connessa, mediante ruote dentate, con la trasmissione viene attivata (trascinata per l’appunto dall’albero di trasmissione del veicolo) durante la fase di frenata al fine di inviare il gas prelevato, dal serbatoio di bassa pressione, al serbatoio di alta pressione dove verrà incamerato e compresso. Il lavoro speso per l’azionamento della pompa e la compressione del gas permette al mezzo pesante di frenare riducendo l’usura dei freni addirittura del 75%. Nel momento in cui il veicolo si ferma, si arresta anche il sistema. Non appena il conducente agisce nuovamente sull’acceleratore, l’azoto compresso passa dalla bombola di alta pressione alla pompa, che ora funge da motore e mette in rotazione la trasmissione permettendo al mezzo di accelerare (minimizzando drasticamente i consumi di carburante), per raggiungere poi il serbatoio di bassa pressione. Il ciclo ricomincia nuovamente alla successiva frenata. L’economicità del dispositivo, l’elevata efficienza e vita utile indipendente sia dai cicli di carica/scarica che dalla profondità di scarica, sono i punti di forza della tecnologia ibrida idraulica sviluppata da EPA ed i suoi partner. Risulta però importante notare che il dispositivo permette di ridurre drasticamente i consumi (anche del 50-60%) e le emissioni inquinanti (del 30-40%) durante le fasi di accelerazione, non appena la bombola di alta pressione si scarica, il veicolo procederà con il solo lavoro del propulsore a combustione interna.

I componenti

Il serbatoio di accumulo ad alta pressione immagazzina energia utilizzando un fluido idraulico che comprime un gas (in questo caso azoto); tale serbatoio, per la sua funzione, è paragonabile ad un pacco batterie destinato a veicoli elettrici ed ibridi.

La pompa di azionamento (in modalità motore) converte la pressione del fluido idraulico, spinto dall’espansione dell’azoto presente nel serbatoio ad alta pressione, in lavoro meccanico di rotazione atto a muovere le ruote tramite la trasmissione.

Il serbatoio di accumulo a bassa pressione immagazzina l’azoto espanso dopo che ha compiuto il lavoro sul fluido idraulico al fine di azionare la pompa in modalità motore.

La pompa di azionamento (in modalità pompa) cattura ben il 70% dell’energia, che verrebbe altrimenti persa con la frenata, pompando il fluido idraulico che comprimerà l’azoto nel serbatoio di alta pressione.

Il motore a combustione interna dispone di una seconda pompa/motore la quale, in modalità pompa, genera un’alta pressione addizionale da accumulare nel serbatoio di alta pressione recuperando eventuali eccessi di energia provenienti dallo stesso motore a combustione.

Il controller monitora la guida dell’autista (entità di accelerazioni e frenate) inviando ai vari componenti del sistema i comandi da attuare.

Caratteristiche fondamentali del sistema (freno rigenerativo, spegnimento motore, ottimizzazione consumi)

Il sistema di accumulo pneumatico/idraulico lavora come un freno rigenerativo sia in fase di rallentamento che di completo arresto del veicolo. La rotazione delle ruote, durante il rallentamento, permette di pompare e comprimere, tramite un sistema idraulico, l’azoto presente nel serbatoio di bassa pressione verso il serbatoio di alta pressione.

I mezzi pesanti passano il 40% della loro vita operativa con il motore acceso al minimo in sosta presso cantieri, porti, dogane, semafori, ecc.. Con il sistema di accumulo pneumatico idraulico il controller può procedere allo spegnimento del motore, sia durante le soste che durante le frenate, pur mantenendo attivi il riscaldamento, il sistema di sterzo e, ovviamente, il sistema frenante. Tale accorgimento riduce incisivamente i costi d’esercizio e le emissioni inquinanti.

L’ottimizzazione dei consumi è garantita dalla possibilità di adoperare il motore a combustione interna solo in quel range di utilizzo in cui offre la massima efficienza. Le accelerazioni da fermo e la marcia alle basse velocità sono completamente a carico del sistema di accumulo pneumatico idraulico Hydraulic Hybrid Technology.

Link correlati

Sistemi di accumulo dell’energia: Panoramica

Fonti:
EPA (Environmental Protection Agency)
ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile)
UPS (corriere espresso)

Accumulo meccanico di tipo pneumatico/idraulico

Accumulo pneumatico/idraulico noto anche come Hydraulic Hybrid Technology
Image’s copyright: EPA (Environmental Protection Agency)
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Sistemi di accumulo dell’energia: Panoramica

Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia

Titolo o argomento: Introduzione ai sistemi di accumulo dell’energia

L’energia è una grandezza fisica fondamentale, sia sotto il punto di vista scientifico che della vita quotidiana, in quanto gode di importanti proprietà percettibili da chiunque. Essa può assumere forme diverse, può passare da un corpo all’altro, può trasformarsi da una forma all’altra, può essere immagazzinata, passando o trasformandosi può compiere azioni utili, passando o trasformandosi si conserva, non si può creare né distruggere, si può presentare sotto varie forme più o meno utili, infine renderla disponibile in forma utilizzabile o accumularla presenta costi diversi a seconda dei metodi adottati e delle tecnologie disponibili. Volendo classificare i sistemi di accumulo dell’energia, ad esempio da abbinare alla produzione domestica di energia da fonti rinnovabili (ma non solo…), possiamo suddividerli in funzione della forma che l’energia assume all’interno del dispositivo di accumulo stesso. Abbiamo così diversi metodi di accumulo tra cui quello elettrochimico, elettrostatico, elettromagnetico, idrostatico, aerostatico e cinetico.

Elettrochimico

L’accumulo elettrochimico consiste nella trasformazione di energia elettrica in forma potenziale chimica da contenere poi in accumulatori elettrochimici monolitici all’interno dei quali avvengono le trasformazioni di specie chimiche. Ovviamente l’energia che potrà essere restituita mediante i processi inversi sarà data dalla differenza tra l’energia inizialmente introdotta e le ovvie perdite che si verificano a seguito delle inefficienze del sistema. Un’interessante variante di questa tipologia di sistema d’accumulo è rappresentata dalla pila a combustibile la quale converte l’energia elettrica in energia potenziale chimica tramite elettrolizzatori dell’acqua. Questi ricavano idrogeno scindendolo dalla molecola dell’acqua e storandolo in apposite bombole (a pressione atmosferica o in forma compressa). L’energia accumulata, quando necessario, può  essere riconvertita in energia elettrica fruibile all’utente in seguito alla ricombinazione dell’idrogeno con l’ossigeno.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie
Caratteristiche tecniche di una batteria
Rapidi cenni sulle batterie GEL – DRY – WET – AGM
Confronto caratteristiche batterie per kit bici elettriche, ma non solo…

Elettrostatico

L’accumulo elettrostatico si ottiene nei supercondensatori (o ultracapacitori, o ultracondensatori) all’interno dei quali l’energia si accumula in forma elettrostatica raggiungengo valori di centinaia di Farad.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettrostatico dell’energia: Gli Ultracapacitori o Supercondensatori

Elettromagnetico

L’accumulo elettromagnetico ha luogo nei Super Conducting Magnetic Energy Storage system (SMES) all’interno dei quali l’energia questa volta è accumulata in forma elettromagnetica. Si tratta di sistemi di accumulo attualmente vantaggiosi su grandi impianti per via dei loro costi elevati dovuti anche alla necessità di realizzare grandi impianti frigoriferi atti a mantenere la parte attiva a temperatura supercondittiva.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo elettromagnetico dell’energia: SMES

Idrostatico

L’accumulo idrostatico consiste nel semplice ed intuitivo sollevamento di un liquido, generalmente acqua, ad una quota più elevata la quale conferisce al fluido energia potenziale gravitazionale da spendere al momento desiderato. Tale sistema di accumulo pecca però per la scarsa quantità di energia per unità di volume.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo idrostatico dell’energia: I bacini delle centrali idroelettriche (Articolo in preparazione)

Aerostatico

L’accumulo aerostatico consta di un serbatoio nel quale un gas, solitamente aria, viene compresso al fine di acquisire energia potenziale di compressione. Anche il sistema di accumulo aerostatico, come quello idrostatico, non offre grandi vantaggi a causa della scarsa quantità di energia per unità di volume.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo aerostatico dell’energia: L’accumulo pneumatico e pneumatico/idraulico

Cinetico

L’accumulo cinetico sfrutta appositi volani per trasformare l’energia elettrica in energia cinetica di rotazione del rotore del volano.

Vedi ad esempio:

Sistemi di accumulo cinetico dell’energia: Gli accumulatori di energia cinetica a volano

Altre modalità

Esistono ovviamente altre modalità per accumulare energia, lo potete verificare ad esempio quando con un’apposita chiavetta caricate un’automobilina a molla e, in tal caso, trasformate la vostra energia muscolare in energia meccanica di tipo elastico pronta ad essere trasformata, a sua volta, in energia di movimento non appena sbloccate il dispositivo. Lo stesso dicasi quando si carica una balestra e, tirando la corda, si accumula energia elastica nei flettenti pronta ad essere restituita per espellere il dardo nel momento in cui desiderate effettuare il lancio. Tuttavia non si tratta di applicazioni considerabili per grandi accumuli energetici come quelli di cui si necessita ad esempio su un veicolo, un tram, un treno, un veicolo industriale, un impianto domestico di energia rinnovabile, un impianto industriale, una centrale elettrica, ecc.. Almeno per ora, non troverete gigantesche molle la cui compressione possa restituire, quando richiesto, energia sufficiente per illuminare un quartiere…

Fonti:
Articoli precedentemente redatti su questo blog
Aziende del settore
ENEA
Ricerche a cura dell’autore

Automobilina a molla - Design a cura di Wouter Scheublin

Automobilina a molla - Wouter Scheublin Design

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Sistemi di accumulo elettromagnetico dell’energia: SMES

Rubrica: Sistemi di accumulo dell’energia

Titolo o argomento: Il sistema SMES “Superconducting Magnetic Energy Storage systems”

Nei grandi impianti industriali la disponibilità di più di una linea di alimentazione di energia elettrica, proveniente dalla rete pubblica, può non essere sufficiente per garantire la continuità di servizio in seguito a buchi di tensione e microinterruzioni dell’alimentazione provocate da anomalie, o eventi atmosferici, sulle linee di trasmissione. Per “buchi di tensione” si intendono abbassamenti di tensione superiori anche al 50% rispetto al valore nominale, mentre con il termine “microinterruzioni” si intendono degli arresti, generalmente di durata inferiore al secondo di tempo, in cui l’abbassamento di tensione è totale, ovvero del 100% rispetto al valore nominale.

I sistemi ad accumulazione magnetica dell’energia elettrica basati sull’utilizzo di materiali superconduttori* (noti come Superconducting Magnetic Energy Storage systems o SMES) immagazzinano l’energia elettrica in un elettromagnete, ovvero in bobine avvolte su un nucleo magnetico che sono costituite da filo conduttore realizzato con Niobio e Titanio. L’elettromagnete è tenuto a temperatura criogenica** all’interno di un contenitore isolato termicamente al fine di mantenere uno stato di superconduzione. Il contenitore è un sofisticato criostato d’acciaio inossidabile, isolato termicamente e tenuto sotto vuoto, il quale contiene elio liquido ad una temperatura prossima allo zero assoluto (circa 4,2 Kelvin). Le perdite sono estremamente contenute e si stima che l’ingresso di calore nel sistema sia pari ad un solo Watt. Ciò permette di adottare un normale refrigeratore al fine di ricondensare la parte di elio che diventa gassosa. Un alimentatore a corrente continua inizialmente si occupa di caricare la bobina a superconduttori, successivamente opera un mantenimento della carica stessa al fine di compensare le normali perdite resistive, seppur minime, che si generano nella parte di circuito che si trova a temperatura più alta. Ciò permette di mantenere valori massimi di carica. Si tratta di sistemi in grado di alimentare instantaneamente un impianto tamponando buchi di tensione o microinterruzioni laddove è fondamentale la protezione degli impianti (o di sezioni di essi) atti ad alimentare carichi sensibili alla qualità dell’alimentazione stessa.

La tensione alternata, proveniente dalla rete, viene raddrizzata (trasformata cioè in corrente continua) e indirizzata verso la bobina tenuta in stato superconduttivo al fine di non opporre resistenza alcuna (resistenza ohmica) al passaggio della corrente ed evitando così perdite di energia sotto forma di calore (perdite termiche). Al raggiungimento della carica ottimale (grazie ad una corrente di alcune migliaia di ampere) la bobina viene cortocircuitata da un semiconduttore (mantenuto anch’esso a temperatura criogenica) e la corrente circola continuamente a mo’ di “volano elettrico”. Grazie alla temperatura criogenica il nucleo acquisisce un’elevata permeabilità permettendo l’accumulo di grandi quantità di energia, immediatamente disponibile e scaricabile, in uno spazio contenuto. Al momento opportuno l’energia stoccata sotto forma di corrente continua viene trasformata, mediante appositi inverter e dispositivi di controllo a commutazione, in corrente alternata da inviare dove richiesto per compensare buchi di tensione o microinterruzioni. Da notare che l’attivazione del “gruppo soccorritore” avviene 3,8 ms dopo il rilevamento di un abbassamento di tensione e, dopo altri 3 ms, la corrente in uscita dall’inverter raggiunge il valore richiesto.

Vantaggi

Possibilità di immagazzinare energia in un campo magnetico sotto forma di corrente elettrica.
Rapido accesso all’energia con impercettibili tempi di risposta (20 ms).
Possibilità di erogare instantaneamente più di 3MW di potenza per ogni singolo sistema accumulatore.
Elevata sicurezza: autospegnimento in caso di problemi imprevisti.
Rispetto dell’ambiente: sistemi criogenici ambientalmente sicuri, assenza di prodotti chimici pericolosi.
Assenza di usura e manutenzione: non ci sono parti mobili associate all’accumulatore di energia.
Vita utile: funzionalità e durata non sono influenzate dal numero di cicli né dalla profondità di scarica.

*Materiali superconduttori: materiali che assumono resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica al di sotto di una certa temperatura.
**Criogenia: branca della fisica che si occupa dello studio, della produzione e dell’utilizzo di temperature molto basse.
Fonti:
American Superconductor
ClimateTechWiki
Power technology

Accumulo elettromagnetico dell'energia: i sistemi SMES

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Caratteristiche tecniche di una batteria

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Specifiche tecniche che descrivono le prestazioni di una batteria
Capacità

La capacità viene misurata in Amperora (Ah) e corrisponde alla carica elettrica accumulata e disponibile durante la scarica. Trattandosi di una caratteristica dinamica, essa deve essere definita insieme alle condizioni operative in cui viene misurata o a cui si riferisce dato che dipende dalle modalità in cui la batteria viene scaricata, nonché dalla temperatura e dalle varie condizioni operative. La capacità di una batteria che viene scaricata in 1 ora è di gran lunga inferiore a quella della stessa batteria scaricata in 20 ore.

Energia specifica o densità di energia

E’ la quantità di energia  che viene accumulata in una data batteria per unità di massa (o di volume), essa è legata alla reale autonomia del dispositivo sul quale viene installata (una calcolatrice così come un’auto elettrica). Per far riferimento ad un tema assai attuale, quale quello dei veicoli elettrici, è interessante notare che il primo motivo che ancora frena la larga diffusione di veicoli elettrici siaè la bassa energia specifica delle batterie, infatti 1 kg di benzina contiene oltre 12 kWh di energia contro 0,1 kWh di energia accumulata in 1 kg della migliore batteria attuale. Sebbene i concetti siano fondamentalmente i medesimi, l’energia specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di energia si esprime in termini di volume. L’energia specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa in cui viene accumulata (Energia specifica ρ = Energia/Massa = kWh/kg), mentre la densità di energia è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di volume che la contiene (Densità di energia ρ = Energia/Volume = kWh/dm^3).

Potenza specifica o densità di potenza

La potenza di un dispositivo elettrico, ad esempio un motore, dipende dalla potenza erogabile dalla batteria. E’ importante notare un aspetto critico che vede inevitabilmente legate la potenza specifica e l’energia specifica, infatti la potenza di scarica incide notevolmente sull’effettiva energia utile erogabile dalla batteria. Anche in questo caso, come per la precedente voce, i concetti di potenza specifica e densità di potenza sono fondamentalmente i medesimi, tuttavia la potenza specifica si esprime in termini di massa mentre la densità di potenza si esprime in termini di volume. La potenza specifica è il rapporto tra l’energia accumulata e l’unità di massa dalla quale viene erogata (Potenza specifica σ = Potenza/Massa = kW/kg), mentre la densità di potenza è il rapporto tra la potenza e l’unità di volume che la eroga (Densità di potenza σ = Potenza/Volume = kW/dm^3).

Vita ciclica

La durata di una batteria, la sua vita, è un parametro che solitamente si misura in numero di cicli profondi ovvero quante volte  essaè in grado di scaricarsi all’80% della sua capacità e riesce a ricaricarsi fino ad un valore non inferiore all’80% della sua stessa capacità. La vita ciclica è un parametro estremamente variabile il quale è largamente influenzato dalle condizioni d’uso. Per questa ragione risulta oltremodo importante non solo una progettazione ottimale del sistema di accumulo, bensì lo studio di precise modalità di ricarica e di manutenzione.

Rendimento energetico

Il rendimento energetico di un accumulatore elettrochimico dipende dal rendimento di scarica, dal rendimento di carica, la gassificazione (in riferimento ai sistemi ad elettrolita acquoso), dall’autoscarica, dal condizionamento termico (in riferimento ai sistemi operanti ad elevata temperatura). Il rendimento energetico influenza i consumi e, di conseguenza, i costi di esercizio. Esso, in un ciclo completo di carica/scarica varia tra il 50 e l’85% a seconda del tipo di batterie.

Costi

I costi di acquisto delle batterie dipendono dalla disponibilità ed il costo delle materie prime, il processo produttivo e la scala di produzione. I costi di esercizio dipendono dalle tariffe elettriche, dall’ammortamento di un eventuale impianto fotovoltaico atto alla ricarica e dal costo di sostituzione del pacco batterie durante la vita utile del veicolo che è solitamente maggiore della vita utile delle batterie stesse. I costi di manutenzione dipendono dalla tipologia di batteria. Ad esempio le batterie ad elettrolita acquosa necessitano di rabbocco di acqua distillata, quelle ad alta temperatura richiedono il controllo della corrosione e del mantenimento in temperatura, e così via. Infine è fondamentale tener conto non solo del costo unitario delle diverse tipologie di batterie (costo/kWh accumulato), bensì anche della loro durata e del loro rendimento.

Ricarica delle batterie

Se l’energia specifica delle batterie è il primo motivo che frena la larga diffusione dei veicoli elettrici, i tempi di ricarica costituiscono una seconda rilevante problematica. Mediamente ci aggiriamo intorno a tempi di ricarica completa pari a 6-8 ore con picchi, nel caso Tesla Roadster (nonchè Tesla Model S, ecc.) di sole (si fa per dire) 3 ore utilizzando un dispositivo BOOSTER (in dotazione con il veicolo) in grado di offrire una ricarica pari all’80% della capacità totale.
Si sta ovviamente pensando anche a soluzioni alternative quali ad esempio l’utilizzo di un piccolo motore a combustione interna (Vedi link in basso) fatto funzionare sempre e solo in condizioni ottimali e con consumi minimi per caricare le batterie o alimentare il motore elettrico; si sta pensando di inserire in Germania, lungo le autostrade, dispositivi di ricarica wireless (vedi link in basso); qualcuno pensa persino di elettrificare le autostrade, altri, più propriamente, pensano a stazioni di servizio nelle quali viene sostituito l’intero pacco batterie o, come nel caso delle batterie alluminio-aria, solo gli elettrodi consumati.

Precisazioni importanti

Quella che noi chiamiamo “batteria” si chiama più propriamente “accumulatore” o, meglio ancora, accumulatore elettrochimico. Quello che solitamente viene chiamato “motore elettrico” si chiama in realtà “macchina elettrica” anche se nel parlato comune con tali termini si fa riferimento a quello che in realtà si chiama “autoveicolo elettrico”.

Continua…
Link correlati
Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie
Auto elettriche: Ricarica Wireless in autostrada
Auto elettriche: Autostrade elettrificate
Lotus Range Extender

Accumulatore elettrochimico

Potete ricaricare una batteria collegandola, mediante opportuni dispositivi, alla rete elettrica,
oppure ad una colonnina di ricarica fotovoltaica o, persino, sostituendo meccanicamente gli
elettrodi. Ogni scarica fino all’80% della capacità (più la relativa ricarica) costituisce un ciclo.
Per aumentare la longevità di una batteria è preferibile evitare scariche profonde.
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AIRET 2012. Importare le tecnologie dell’Aeronautica nel Motorsport

Nei giorni di Giovedì 6 e Venerdì 7 Settembre si è tenuta a Rimini la fiera AIRET, si tratta di una mostra convegno che si occupa dei processi tecnologici, della subfornitura, dei componenti, dei materiali innovativi e dei servizi avanzati per l’industria dell’aeronautica e delle tecnologie connesse (lo slogan dice: La tecnologia “prende letteralmente il volo” aprendo una finestra sul futuro del settore dell’aeronautica e di quanto ad essa collegato). Personalmente non sono un grande cultore del mondo dell’aviazione, piuttosto un modesto amatore, tuttavia la Formula 1 (nonchè altre categorie altrettanto interessanti ma meno note al pubblico come l’Endurance) che viene spesso definita “la massima categoria”, in realtà trae moltissimi spunti dal mondo dell’aeronautica, dalle sue tecnologie, dai suoi processi di produzione, dai suoi materiali e dai suoi metodi. Credo che in realtà la massima categoria sia proprio l’aeronautica a partire da quella civile, passando per quella militare ed arrivando a quella spaziale.

Così, studiando all’esasperazione le vetture da corsa più estreme mai prodotte, può balenar per la mente: “Perchè non andare a curiosare in una fiera dove l’oggetto più semplice vola a qualche chilometro da terra a diverse centinaia di chilometri orari?”. La fiera è strettamente riservata agli operatori del settore e a chi frequenta il mondo dell’Università e si vede impegnato dai normali corsi di studio in Ingegneria fino alla ricerca. Oltre ad un’interessante esposizione dove si possono osservare materiali, attrezzature e macchinari (che non credo troverete dal ferramenta sotto casa) vi è un vasto programma di convegni (a pagamento) condensati in due giornate, che aggiornano stampa, esperti del settore, e tutti coloro che sono coinvolti in questo straordinario mondo, sulle ultime novità in via di diffusione lungo l’intero pianeta. Senza ulteriori dilungamenti, basti pensare che durante le due giornate di convegni si sono trattati argomenti del tipo: “Volare con EGNOS e PBM: una rivoluzione epocale”, “Aeromobili e Tecnologie di Eccellenza”, “I materiali per l’impiego aeronautico”, “Lavorazioni innovative e nuove tecnologie”, “Compositi per un trasporto aereo più sicuro”, “Il miglioramento della sicurezza in ambiti militari”, e molto altro.

Decisamente interessanti i sistemi di laser scanning esposti e messi a disposizione del visitatore per una prova, si tratta di strumenti in grado di “scannerizzare” un oggetto esistente ricavandone le “matematiche” al fine di comparare l’oggetto reale prodotto con il suo modello 3D nominale realizzato mediante tecnologia “computer aided”. Simili prove comparative sono in grado di far emergere facilmente problemi quali difettosità di materiali o dei macchinari in modo da fermare in tempo una linea di produzione prima che venga realizzato un numero consistente di prodotti difettosi.

In costante aumento l’offerta dei macchinari per la prototipazione rapida (riduttivamente chiamati stampanti 3D), ce ne sono ormai di tutte le misure e per tutte le esigenze, in grado di stampare con diverse tecniche (SLA – StereoLitographic Apparatus, SLS – Selective Laser Sintering, FDM – Fused Deposition Modelling, ecc.) utilizzando diversi materiali (ABS-M30, ABSplus-P430, ABS-EDS7, ABS-M30i, ABSi, PC-ABS, PC, PC-ISO, ULTEM 9085, PPSF, PPSU, ecc.), polveri e resine con differenti proprietà meccaniche e, persino, colori. Il vero limite è il vostro ingegno.

Per quanto riguarda invece il Rapid Manufacturing destano particolare interesse, per le numerose somiglianze con le tecniche di lavorazione RP e la possibilità di lavorare per addizione di materiale, i macchinari per la sinterizzazione di polveri metalliche e la fusione laser. Questi permettono di conferire facilmente forme complesse, pressoché impossibili da realizzare in fonderia, a polveri di alluminio, titanio, acciaio, Inconel, leghe speciali, ecc., al fine di ottenere un pezzo finito direttamente utilizzabile sia esso per il settore dell’aeronautica, sia esso per l’automotive o il motorsport, che per il settore medicale (vedi ad es. le protesi).

Infine non possono mai mancare le macchine CNC (Computer Numerical Control) che continuano a mantenere prezzi decisamente elevati (non è difficile preventivare una spesa a partire dai 300.000,00 Euro) nonostante il livello sia pressoché livellato da diversi anni.

Fiera AIRET - Tecnologie per l'Aeronautica ma non solo... Laser scanning - Ricavare le matematiche di un prodotto finito Laser scanning - Dettaglio del raggio laser che colpisce l'oggetto per effettuare il rilievo delle matematiche Riproduzione dell'oggetto fisico comparata con il modello CAD Dal modello ottenuto tramite tecniche RP al prodotto finito Mandrini e utensili per CNC CNC - Computer Numerical Control

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Sistemi di accumulo elettrochimico dell’energia: Le batterie

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Sistemi di accumulo dell’energia

Tempo addietro avevo scritto un articolo che accompagnava il lettore in una rapida introduzione alle batterie impiegabili nella realizzazione di una eBike artigianale (Confronto caratteristiche batterie per kit di trasformazione bici in eBike, ma non solo…), ebbene con “ma non solo…” si sottintendeva che la batteria è un valido sistema di accumulo dell’energia elettrica per diversi impieghi quali ad esempio trasporti, edilizia, industria, sistemi di sicurezza, automazione, robotica, comunicazioni, settore delle rinnovabili, illuminazione, elaboratori, utility, ecc.. Principalmente possiamo distinguere le batterie in cinque categorie affermate, ovvero, quelle al piombo-acido, quelle alcaline, quelle ad alta temperatura, quelle metallo-aria e quelle al litio. Ognua di queste categorie presenta dei vantaggi e degli svantaggi talvolta noti, talvolta meno, ma di sicuro raramente espressi con numeri espliciti.

Attenzione, la “densità di energia” può essere espressa sia in “Wh/litro” o in “Wh/dm^3” che in “Wh/Kg” (ed in tal caso prende solitamente il nome di “energia specifica”). Questo perchè la densità di energia esprime il rapporto energia accumulata su volume o, se necessario, il rapporto energia accumulata su massa. La differenza tra il rapportare l’energia accumulata sul volume o sulla massa, risiede nella possibilità di poter valutare lo spazio occupato per accumulare una determinata quantità di energia, oppure la massa caricata (ad esempio a bordo di un veicolo) per accumulare la medesima quantità di energia. I dati delle batterie riportate di seguito potrebbero essere espressi nell’una o nell’altra unità di misura, ovviamente le due unità di misura non sono direttamente confrontabili e, il passaggio da un’unità di misura all’altra richiede di conoscere la densità (kg/dm^3) di ognuno dei vari elementi costituenti. Lo stesso discorso vale per la “densità di potenza” la cui unità di misura, nella quale non compare l’h, può essere espressa in relazione al volume “W/litro” o “W/dm^3” o in relazione alla massa (ed in tal caso prende il nome di “potenza specifica”).

Batterie piombo-acido

Trattasi del sistema di accumulo il quale, sebbene  presenti forti limiti quali bassa densità di energia, lunghi tempi di ricarica, necessità di manutenzione continua e sensibilità alla temperatura operativa, è stato il più utilizzato per molti anni anche per impieghi come la trazione elettrica. Oggi la batteria al piombo-acido resiste ancora e viene adottata per alimentare due estremi opposti, mezzi elettrici molto piccoli (scooter e biciclette a pedalata assistita) e mezzi elettrici molto grandi (autobus e minibus). Di fondamentale importanza risulta il ruolo della ricerca e sviluppo che, attualmente, prosegue gli studi per migliorare il più possibile le prestazioni di simili batterie. Attualmente esistono batterie al piombo-acido con elettrodo positivo a piastra piana, a piastra tubolare, a ricombinazione di gas, ecc., quelle prevalentemente utilizzate in passato per la trazione elettrica avevano elettrodi positivi tubolari capaci di fornire una densità di energia pari a 35 Wh/kg e una potenza specifica di 50-60 W/kg. Il limite di tale batterie è quello di resistere a scariche profonde per un numero assai limitato di cicli (solo 800) inoltre per una ricarica completa richiedono circa 8 ore.

Energia specifica: 35 Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: 50-60 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 800 cicli
Tempi di ricarica: 8 ore

Batterie alcaline
Nichel-Cadmio (NiCd)

Senza dubbio un accumulatore affidabile, resistente anche ad intensi maltrattamenti in carica e scarica, con un’elevata ciclabilità, alta potenza specifica e buona energia specifica (raggiunta solo di recente grazie allo sviluppo di tecniche costruttive innovative), tuttavia i costi sono da 5 ad 8 volte superiori a quelli di una batteria al piombo-acido. Le prestazioni sono migliorate grazie all’adozione di feltri metallizzati con impregnazione elettrochimica del nichel che hanno consentito risparmi dello stesso nichel pari al 30% a parità di prestazioni. Sono inoltre stati adoperati leganti organici i quali hanno reso possibile il raggiungimento di una densità di energia doppia rispetto alle precedenti batterie con valori di circa 50 Wh/kg ed un numero di cicli previsti pari a 2000. I tempi di ricarica inferiori alle 5 ore hanno reso per diverso tempo questo sistema di accumulo molto interessante, nonostante ciò la tossicità del nichel per l’ambiente ne sta decretando l’uscita di scena.

Energia specifica: 50 Wh/Kg | 20* Wh/kg | 35** Wh/kg
Densità di energia: 40* Wh/l | 100** Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli
Tempi di ricarica: inf. 5 ore

*riferito alle batterie tascabili
**riferito alle batterie sigillate

Nichel-Ferro (NiFe)

Date le caratteristiche tutto sommato analoghe alle batterie alcaline al Nichel-Cadmio (elevata densità di energia e ciclabilità), ma con l’adozione del ferro in sostituzione del nichel al fine di evitare danni all’ambiente, si pensava che questa batteria avrebbe rappresentato la risposta migliore per l’accumulo dell’energia specie sui veicoli a trazione elettrica. Così non è stato, si sono verificati infatti importanti problemi di autoscarica e di riscaldamento con conseguente riduzione del rendimento energetico.

Energia specifica: 30* Wh/Kg fino a 55*Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: simili a NiCd
Tempi di ricarica: simili a NiCd

*riferito alle batterie tascabili

Nichel-Zinco (NiZn)

Considerato per molti anni uno degli accumulatori più promettenti, anche la batteria Nichel-Zinco presenta interessanti vantaggi contrappesati allo stesso tempo da note dolenti. Innanzitutto la densità di energia risulta essere buona se rapportata alle precedenti batterie descritte, siamo infatti intorno ai 60-80 Wh/kg. In secondo luogo i reagenti sono ampiamente disponibili. D’altra parte le batterie Nichel-Zinco peccano per bassa ciclabilità ed estrema sensibilità alle sovraccariche; si tratta di problemi, mai risolti completamente, causati dalla solubilità dello zinco nell’elettrolita e dalla crescita dendritica. Lo sviluppo di nuovi separatori e l’aggiunta di appositi additivi agli elettrodi ed all’elettrolita hanno posto rimedio a tali problemi solo in parte.

Energia specifica: 60-80 Wh/Kg fino a 120 Wh/kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: ridotta
Tempi di ricarica: /

Nichel-Idrogeno (NiH2)

La ricerca in campo spaziale ha portato allo sviluppo di batterie Nichel-Idrogeno ad elevate prestazioni, ciò nonostante, come per molte applicazioni progettate per uso nello spazio, i costi sono esorbitanti. La principale causa risiede nei materiali utilizzati che, in questo caso, solo il platino per la cella ed il titanio per il contenitore in pressione. Si tratta comunque di batterie caratterizzate da un’elevata vita ciclica, una buona potenza specifica e una buona robustezza generale del sistema.

Energia specifica: 64 Wh/Kg fino a 105 Wh/kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: elevata
Tempi di ricarica: /

Nichel-Idruri metallici (NiMH)

Per quanto riguarda le batterie alcaline, la più recente è quella nichel-idruri metallici (conosciuta anche come batteria al Nichel metallo idruro o, più impropriamente Nichel metal idrato). Questo sistema di accumulo sostituisce il cadmio con una lega metallica (vanadio, titanio, zirconio, nichel, cromo) al fine di risolvere il problema dell’impatto ambientale. Trattasi di una batteria caratterizzata da una buona energia specifica, un’elevata ciclabilità (circa 2000 cicli per scariche all’80% di DoD, Depth of Discharge), manutenzione assente, costo inferiore rispetto alle Nichel-Cadmio, autoscarica molto lenta, tempi di ricarica compresi tra le 3 e le 4 ore, nonché un’altissima potenza specifica superiore a 1000W/kg.

Energia specifica: 240 Wh/Kg
Densità di energia: 75 Wh/l
Potenza specifica: 1000-1300 W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 2000 cicli c.a. per scariche all’80%
Tempi di ricarica: 3-4 ore

Batterie alta temperatura
Sodio-Nichel cloruri metallici

Derivata dall’accumulatore Sodio-Zolfo questa batteria viene chiamata anche “Zebra”. Al posto del catodo di zolfo adotta un cloruro metallico (di nichel o di ferro) con un ulteriore elettrolita liquido, questo evita i problemi di corrosione che si verificavano con la soluzione precedente. E’ stato inoltre evitato l’uso del nichel per la costruzione del contenitore, una scelta che non ha influito sulle prestazioni elettriche ed energetiche ma ha reso il prodotto più economico e quindi accessibile. Altra caratteristica piuttosto interessante è la capacità di lavorare in condizioni estreme, ad alte temperature (250°C) ed in modo continuo. Questo tipo di batterie sono state sottoposte a test che hanno dimostrato una vita utile di 10 anni e circa 1.500 cicli di carica/scarica.

Energia specifica: 145* Wh/Kg
Densità di energia: 340* Wh/l
Potenza specifica: 271* W/kg
Densità di potenza: 613* (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: 10 anni, 1500 cicli
Tempi di ricarica: /

*riferifo a celle da 30-40 Ah

Batterie metallo-aria

Trattasi di una tipologia di batteria assai particolare la quale utilizza un elettrodo negativo metallico che, a seconda del materiale (alluminio, zinco, ferro) offre prestazioni differenti, ed un elettrodo positivo che sfrutta l’ossigeno contenuto nell’aria in modo piuttosto simile a quello delle celle a combustibile. Il risultato è un sistema di accumulo con potenza specifica ed energia specifica elevate.

Alluminio-aria

La batteria alluminio-aria deve essere ricaricata meccanicamente, ciò significa che gli elettrodi di alluminio devono essere sostituiti una volta che questa si è scaricata. La ricarica in questo modo risulta assai veloce (quasi al pari di un pieno di carburante) ma richiede personale specializzato, apposite infrastrutture e implica costi elevati.

Zinco-aria

La batteria zinco-aria manifesta instabilità dello zinco con conseguente riduzione della vita utile e delle prestazioni. Il lato positivo è che può essere ricaricata sia meccanicamente che elettricamente, inoltre risulta più economica rispetto al tipo alluminio-aria.

Ferro-aria

La batteria ferro-aria si ricarica solo in modo tradizionale ma risulta interessante per i costi ridotti. Il problema di tali celle è che, per il momento, non vanno oltre i 300 cicli di carica/scarica.

Energia specifica: __ Wh/Kg
Densità di energia: __ Wh/l
Potenza specifica: __ W/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica: /
Tempi di ricarica: /

Batterie al litio

L’ultima generazione di accumulatori (i più promettenti) sono quelli al litio. Essi sono caratterizzati dall’utilizzo di una varietà di materiali elettrodici ed elettrolitici i quali danno vita ad un gran numero di coppie elettrochimiche. Il risultato è una vasta gamma di prodotti “al litio”. Pur essendo differenti tra loro, per via dei materiali impiegati, vi è un elemento fondamentale in comune, ovvero lo ione portatore della carica elettrica: ione Litio, Li+. Il litio è l’elemento della tavola periodica avente il potenziale elettrochimico più negativo (E0=-3.045 V) ragione per cui, accoppiandolo con un altro elemento, si ottiene una elevata differenza di potenziale la quale è direttamente proporzionale all’energia di una cella. Esso inoltre è un metallo alcalino, ha un modesto peso atomico e una forte reattività, tali caratteristiche lo rendono ideale per la produzione di accumulatori ma, allo stesso tempo, ne fanno un elemento pericoloso che deve essere impiegato in batterie ad elevato standard qualitativo costruite in ambienti severamente controllati privi di umidità, contaminanti e agenti fisici. Durante l’utilizzo un accumulatore agli ioni di litio può esplodere se si surriscalda ed i dispositivi di sicurezza (interruttore termico, valvola di sfiato) non funzionano a dovere; anche in fase di ricarica l’accumulatore può esplodere nel caso in cui la carica sia eccessiva e mal gestita dal caricatore (solitamente è opportuno utilizzare caricatori appositi gestiti da processore). Costo e sicurezza sono fattori limitanti nella diffusione di queste batterie per impieghi differenti da quelli consumer (gadget e utility elettroniche di dimensioni medio piccole), per tali ragioni la ricerca sta compiendo un enorme lavoro per impiegare nella maniera migliore simili dispositivi anche sui veicoli elettrici ed ibridi o per le reti di distribuzione di energia per il taglio dei picchi ed il livellamento di carico.

Litio metallico

Si tratta di una tipologia di accumulatori che hanno l’anodo costituito da litio metallico e l’elettrolita, che invece può essere sia liquido che solido, costituito da materiali ceramici, vetrosi oppure polimerici. I vantaggi si traducono in bassa resistenza interna, capacità elevata, potenza specifica elevata, energia specifica elevata. D’altra parte però l’estrema reattività del litio metallico provoca importanti problemi di sicurezza.

Litio ione

Gli accumulatori litio ione hanno prestazioni inferiori ai precedenti al litio metallico tuttavia, la minore reattività, offre maggiore stabilità nonché sicurezza nelle fasi di produzione e successivo utilizzo. In questo genere di accumulatori vengono utilizzati materiali elettrodici ad intercalazione (ossia che accettano ioni di litio all’interno della loro struttura) che possono accumulare e rilasciare grandi quantità di litio reversibilmente. Il tipo di materiali elettrodici ed elettrolitici stabilisce la tensione di lavoro delle singole celle ed ha effetto sull’energia specifica delle stesse. Quasi tutte le tipologie di celle al litio superano i 3 Volt di tensione a vuoto. Nella tabella che segue sono riportate alcune delle caratteristiche principali delle batterie litio-ione (in fase di studio e sviluppo) destinate a veicoli elettrici ed ibridi; tra queste troviamo le batterie litio ione NCA Grafite (Nichel-Cobalto Alluminio), le LFP Grafite (Litio Ferro Fosfato), le MNS TiO (Manganese Spinello), le MN Grafite (Manganese ossido).

Energia specifica: fino a 230 Wh/Kg
Densità di energia: fino a 530 Wh/l
Potenza specifica: fino ad alcuni kW/kg
Densità di potenza: __ (W/l)
Vita, cicli di carica/scarica:
-c.a 1000-2000 cicli con scariche del 100%,
-sup. 100.000 cicli con scariche minime
Tempi di ricarica: /

Fonti:
Aziende del settore
Dispense e appunti universitari – Università Politecnica delle Marche
ENEA

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Caratteristiche batterie al litio ione, in fase di studio, per veicoli elettrici ed ibridi

Caratteristiche batterie al litio ione attualmente in fase di studio (e di sviluppo)
per veicoli elettrici ed ibridi. Fonte ENEA.