Se non piove, ci penserà il sole RKE01.2013

Se non piove

,
ci penserà il sole!

Mentre si moltiplicano gli sforzi per dare uno sviluppo sostenibile al nostro mondo, riflettevo come l’attuale impiego delle energie naturali (sole, vento, acqua) subisca una perdita di “appeal” dovuta alla loro discontinua o perlomeno variabile disponibilità La soluzione in questi casi è disporre di fonti si variabili, ma disponibili in momenti “complementari” fra loro,in modo da mantenere una buoan costanza di produzione energetica. Ecco così che mentre osservavo il perpetuarsi dell’alternanza di insistenti piogge a periodi assolati mi domandavo se non fosse possibile estrarre da tutto ciò, almeno a livello didattico, una qualche forma di energia usabile…

Il co-generatore domestico

Ecco quindi nascere il progetto di un piccolo sistema di cogenerazione domestica, alimentato da solo fonti rinnovabili e disponibilità abbastanza complementare. Se non c’è l’una, probabilmente sarà l’altra a rendersi disponibile. Certo, non risolverà l’annoso problema energetico nazionale, ma sicuramente ci farà divertire e riflettere nel suo sviluppo, realizzazione e messa a punto.

Vediamo nello schema a blocchi seguente una panoramica dei sottogruppi costituenti il sistema:

pioggi&sole04091352_html_484105f8Il sistema si compone di cinque blocchi:

  • generatore idroelettrico per produrre energia da un flusso d’acqua (pioggia)

  • generatore solare per produrre energia dal sole

  • regolatore

  • sistema di accumulo, per conservare l’energia prodotta in eccesso e renderla disponibile quando serve a prescindere dalla capacità produttiva del momento

  • utenza, è l’elemento che trasforma l’energia accumulata in un qualche servizio utile (moto, illuminazione, etc.)

Analizziamo ora nel dettaglio e una per una le parti…

La stazione idroelettrica

Dato che le gocce di pioggia hanno massa, velocità e cadono da una certa quota, la meccanica classica ci rassicura sul fatto che contengano energia… ma quanta? E come la si potrebbe “estrarre” e convertire ad altri usi?

Proviamo a fare qualche ipotesi e calcolo…

Quanta acqua cade quando piove?

Per rispondere a questa domanda, impieghiamo la definizione in uso in meteorologia che afferma che: l’intensità della pioggia si misura in millimetri e 1 mm di pioggia equivale ad 1 litro d’acqua caduto in un’ora su una superficie di 1 m2, pari anche ad una “portata equivalente” d’acqua di un litro ora per ogni m2.

La meteorologia classifica inoltre l’intensità delle precipitazioni come segue:

Definizione

Quantità in mm/ora o portata in l*h/m2

Pioviggine

< 1

Pioggia debole

1-2

Pioggia moderata

2-6

Pioggia forte

> 6

Rovescio

> 10 ma limitato nella durata

Nubifragio

> 30

Quanta energia ha la pioggia che cade?

Descrivere l’energia reale di una goccia di pioggia è affare complicato. Le gocce non sono tutte uguali, nella loro caduta subiscono fenomeni di rievaporazione, quindi perdono massa e cambiamo forma, sono sottoposte ad attriti aerodinamici e così via.. Un calcolo quindi, che è bene lasciare ai ricercatori di fisica dell’atmosfera ed ai meteorologi.

Più semplice per noi invece, immaginare di raccogliere la pioggia su una superficie quale una tettoia o il coperto di casa e trasformarla in un flusso corrente con cui azionare un piccolo generatore.

L’idea non è certo nuova e si chiama centrale idroelettrica. Negli impianti simili a quello che potremmo realizzare, si sfrutta la componente potenziale dell’energia, basando il funzionamento sul salto di quota fra una fonte di acqua posta in alto e lo scarico più a valle.

Una formula semplificata che esprime la potenza ottenibile da tal un sistema idroelettrico è la seguente:

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dove:

P è la potenza ricavabile in kW

h è il salto di quota in m

Q è la portata d’acqua in m3/s

g è l’accelerazione di gravità pari a 9,8 m/s2

k è il rendimento del sistema, compreso fra 0 e 1

Introducendo i parametri del nostro esempio si ottiene:

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che equivale a dire che con una pioggerella da 1 mm di intensità, raccolta ad 1m da terra è possibile produrre al massimo circa 3mW di potenza per ogni m2 di area di raccolta!

 

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Tabella 1: Caratteristiche tipiche del generatore

Durante un violento temporale (10mm) invece, se usassimo come “raccoglitore” una tettoia da 25m2 di superficie (ad esempio un posto auto coperto) ed un salto di quota di 2m potremmo arrivare ad una potenza teorica massima di 1,36W.

Se invece, lo stesso impianto fosse installato su un palazzo di 5 piani (15m di altezza) e con un tetto da 200m2, si arriverebbe a produrre ben 82W (teorici massimi).

Tanto per fare un confronto, la stessa superficie di raccolta potrebbe produrre ben 10.000W di fotovoltaico!

Nonostante la ridotta potenza ottenibile, dato che le stessa è generata in assenza di sole (l’altra fonte di energia scelta) è conveniente impiegarla proprio in quanto “alternativa”. Se non c’è il sole, sarà la pioggia quindi a ricaricare il nostro sistema.

Per passare dalla teoria alla pratica, un simpatico dispositivo è il “mini-hydro-generator” della Seeeds Studio Works di cui si riportano le caratteristiche principali qui a fianco.

pioggi&sole04091352_html_1ab247d6Illustrazione 1: Curva di carico portata/pressione del generatore


Il dispositivo è un generatore idroelettrico in miniatura, un vero gioiellino. Con una portata di pochi litri al minuto, eroga 1W ed al suo interno è già integrato un regolatore ed un piccolo accumulatore.

pioggi&sole04091352_html_22555cepioggi&sole04091352_html_m1606b8f0Illustrazione 2: Curva portata/tensione generata

Per quanto ben pensato, il generatore richiede però alcune semplici modifiche per essere integrato nel nostro sistema, in particolare occorre rimuovere la sua batteria interna e relativa elettronica e rendere disponibili direttamente all’esterno i capi del generatore.

La modifica è semplice e rapida, essendo sufficiente rimuovere il coperchio (vincolato a semplice incastro) per accedere al “vano tecnico”.

Le curve caratteristiche ci indicano come sia necessario un flusso di almeno 2liti al minuto per “mandare a regime” il generatore, portata associata ad una perdita di pressione di 500kPa (5m di colonna d’acqua).

Un esempio di applicazione è rappresentato nell’illustrazione seguente:

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Illustrazione 3: Schema di principio della parte idraulica


L’acqua raccolta dal tetto e dalla grondaia viene incanalata verso terra e li, fatta passare attraverso il generatore.

Per ottenere i migliori risultati ed evitare “guai”, è bene seguire le seguenti indicazioni:

  • – porre un filtro a maglie larghe a monte del generatore altrimenti lo sporco sul tetto portato giù dalla pioggia potrebbe bloccarlo rapidamente.

  • – i cambi di sezione e di direzione della “condotta forzata” devono essere dolci per minimizzare le turbolenze e relative perdite di carico.
  • è bene prevedere un dispositivo di sicurezza che bypassi automaticamente la parte idraulica del generatore in caso di sovrapressione. Questa evenienza può generarsi principalmente in due situazioni: blocco del generatore (ad esempio perché sporco) oppure pioggia particolarmente intensa. Questa evenienza può portare seri problemi, in quanto in assenza di dispositivo di sicurezza il tubo che porta l’acqua dal tetto al generatore finirebbe per riempirsi, fino a far tracimare la grondaia. Oltre a non avere più la funzione di raccolta, occorre anche considerare come i normali tubi da grondaia non siano pensati per lavorare “pieni ed in pressione” e quindi si potrebbero manifestare pericolosi cedimenti strutturali. Fortunatamente, esiste una soluzione semplice ed economica illustrata in figura e che sfrutta il principio dei vasi comunicanti: nel caso la pioggia fosse così intensa da far riempire la condotta principale, giunti al livello del tubo “parallelo” lo stesso comincerebbe a sfiatare, bypassando il generatore e limitando ad un valore proporzionale alla propria altezza, la pressione massima (1m=100kPa)

  • pioggi&sole04091352_html_m243dfc72Illustrazione 4: Esempio di sistema di limitazione della pressione di ingresso al generatore
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Illustrazione 6: Vista d’insieme del tratto finale della condotta e del generatore


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Illustrazione 5: Dettaglio dell’Y per tubo di sicurezza

La stazione fotovoltaica

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Illustrazione 7: Pannellino solare da 1W

Volendo mantenere semplice, compatta ed economica la realizzazione e dotare di un buon “bilanciamento energetico” il sistema, una buona scelta potrebbe essere un pannello solare da circa 1-3W con tensione d’uscita superiore a 5V. Nel mio caso, ho trovato conveniente impiegare il prodotto della Futura Elettronica, codice 7500-SOLPAN1W che eroga 5,5V nominali e 170mA massimi. È questo il generatore su cui forse è più facile intervenire per aumentare la produzione di energia: pannelli da 5W nominali sono ancora molto compatti ed economici e in zone serene permettono di aumentare con poco sforzo l’energia disponibile per l”utenza.

Il sistema di regolazione ed accumulo

Parlando di energia elettrica, è giocoforza prevedere l’impiego di una batteria ricaricabile per questa funzione. Prevedendo lunghi periodi a basso tasso di ricarica ed un prelievo di energia concentrato in momenti definiti, il valore dell’autoscarica propria dell’accumulatore assurge a ruolo principale. La migliore tecnologia oggi disponibile a livello hobbistico è quella del Litio, che per nostra fortuna offre anche una tensione di cella (3,7V nominali) ben compatibile sia coi generatori prima discussi, sia con l’utenza che vedremo nel seguito. Nel mio caso, ho scelto un elemento da 2,4Ah di capacità, per coprire il fabbisogno energetico di alcune giornate buie e senza precipitazioni, tipiche ad esempio dei periodi di nebbia.

Queste batterie, compatte, leggere e molto efficienti, richiedono una certa attenzione in fase di ricarica, pena un loro rapido degrado.

E’ quindi bene affidarsi ad un dispositivo specifico quale ad esempio l’LTC4054ES5-42 della Linear Tecnology che sembra giusto, perfetto, per la nostra applicazione. E’ infatti pensato per ricaricare in sicurezza batterie al litio a singola cella partendo da alimentazione ridotte (USB), non scaricare l’accumulatore in assenza dell’alimentazione, il tutto, richiedendo pochissimi componenti esterni.

Lo schema proposto è il seguente:

Schema circuito regolatore di carica
Illustrazione 8: Schema elettrico del sistema di carica e stoccaggio energia

Il circuito reale mantiene la promessa di semplicità. La resistenza R1, del valore di 10kOhm regola la corrente massima di carica, secondo la formula:

pioggi&sole04091352_html_m6ed9f13bIl circuito è alimentato dal pannello solare, mentre il generatore è collegato direttamente alla batteria dato che la sua tensione di uscita non è sufficientemente elevata. Inoltre, il generatore idroelettrico ha una resistenza interna sufficientemente elevata da evitare danni alla batteria nel caso fosse chiamato a recuperare una batteria sostanzialmente scarica. Il diodo D1 impedisce che a generatore fermo, lo stesso si trasformi in un carico per il circuito.

L’utenza

Una volta generata ed accumulata l’energia, possiamo trovarne un impiego utile. Uno dei più semplici e di probabile impiego generale è l’illuminazione. Disponendo di poca energia, la scelta più indicata è l’impiego di una luce a stato solido, il “solito” LED bianco per intenderci.

Per assicurare una applicazione utile oltre che meramente didattica, decidiamo di volere la sua accensione automatica al calar delle tenebre.

Vediamo nello schema seguente, un circuito suggerito per soddisfare tutte le richieste:

Schema circuito alimentazione led con funzione crepuscolare
Illustrazione 9: Schema elettrico dell’interruttore crepuscolare

Il circuito è quanto mai semplice ed essenziale. La regolazione P1 varia un poco la soglia di luminosità alla quale far commutare il circuito. Cambi più importanti di caratteristica possono essere ottenuti scegliendo fotoresistenze di diversa caratteristica quali ad esempio le GL5528 e GL5537 della CN-Resource. La resitenza R1 ha una duplice funzione: stabilizza la corrente del led a circa 30mA al variare dello stato di carica dell’accumulatore ed al tempo stesso impedisce che lo stesso possa essere sottoposto a scarica profonda. Sommando infatti la caratteristica V/I del led bianco a quella della resistenza si noterà come al di sotto di 3,4-3,5V la serie assorba pochissima corrente e quindi non compromette la batteria.

Conclusioni

Il sistema illustrato in queste pagine non ci permetterà certo di modificare la nostra bolletta energetica, ma è senz’altro ricco di spunti di divertimento e studio nel suo dimensionamento e realizzazione pratica.

E’ certamente un progetto didattico, perfetto per sperimentare, capire, sviluppare..

.. e non ultimo si rivela pure utile.. nel mio caso mi permette di avere la cassetta della posta illuminata.. così, quando torno a casa la sera, vedo subito che Radio Kit è arrivata!

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Bibliografia:

www.futuranet.it

http://www.linear.com/product/LTC4054-4.2

http://myworld.ebay.it/cn-resource/

www.seeedstudio.com

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