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Giulia Andresini TESINA “IL SOLE E L’ENERGIA SOLARE” 3° OPERATORE AMMINISTRATIVO SEGRETARIALE – INFORMATICO GESTIONALE

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Giulia Andresini

TESINA

“IL SOLE E L’ENERGIA SOLARE”

3° OPERATORE AMMINISTRATIVO SEGRETARIALE – INFORMATICO GESTIONALE

GIULIA ANDRESINI

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Giulia Andresini

INDICEINTRODUZIONE

1. Il Sole e le sue caratteristiche

1.1 La sua struttura1.2 I raggi solari

1.3 funzione e importanza per la vita

2. L’ Energia solare2.1 Che cos’è

2.2 Le centrali solari2.3 I pannelli solari

2.4 Il suo sfruttamento2.5 Effetti sull’ambiente

3. Ricerca su nuove energie rinnovabili

CONCLUSIONE

Prof di riferimento: Luisa Muratore

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INTRODUZIONELa mia tesina parlerà dell’energia più importante che abbiamo sulla Terra: “l’energia solare”.Racconterò la sua importanza, e come viene sfruttata dagli esseri umani, dalla natura e dagli animali.Ho deciso di portare questo argomento all’esame perché mi è sempre piaciuta la scienza e in particolare ho scelto l’energia solare perché è quella che mi ha colpito e convinto di più, anche perché l’abbiamo studiato l’argomento quest’anno ed ero interessata ad approfondire al meglio.

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1. SOLE E LE SUE CARATTERISTICHE

1.1 LA SUA STRUTTURAIl Sole è la stella madre del sistema solare, una sfera di gas soprattutto di idrogeno ed elio che si concentra ad altissime temperature e che costituisce il 99,8% di massa e viene classificata dagli astronomi come nana gialla, caratteristica che le conferisce un colore rosso, che appare giallo.

Il Sole è composto come prima cosa dall’atmosfera solare che è soltanto lo strato più esterno della stella, ed è diviso in due strati: cromosfera che è un involucro di gas incandescenti e la corona che è un involucro di gas ionizzati (atomi molto reattivi perché gli manca o un protone o un elettrone) che insieme avvolgono la fotosfera. Poi troviamo la superficie che si chiama fotosfera che ha una struttura di granuli brillanti e comprende anche le macchie solari (aree scure depresse, con una temperatura inferiore). All’interno c’e la zona convettiva che è attraversata dai flussi di materia calda che salgono e scendono dopo essersi raffreddati (moti convettivi). Più sotto c’è la zona radiativa dove tutta l’energia prodotta dal nucleo viene assorbita dagli atomi di gas per poi gettarla all’esterno. Al centro del Sole troviamo il nucleo che si può considerare il cuore ed è da dove partono tutte le reazioni termonucleari che bruciano l’idrogeno e l’elio convertendoli in energia.

Il Sole è l’unica stella che si può studiare da vicino e fa parte degli oltre 100 milioni di stelle note all'interno della Via Lattea e supera in luminosità ben l'85% delle stelle della Galassia, gran parte delle quali sono deboli nane rosse. Collocata all'interno del Braccio di Orione, la stella orbita attorno al centro della Via Lattea ad una distanza media di circa 26.000 anni luce e completa la propria rivoluzione in circa 225-250 milioni di anni. Tra le stelle più vicine, poste entro un raggio di 17 anni luce, il Sole è la quinta più

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luminosa in termini assoluti: la sua magnitudine assoluta, infatti, è pari a +4,83. Caratteristiche:

Diametro: 109 volte la terra Superficie: 12.000 volte la terra Volume: 1.300.000 volte la terra Massa: 332.000 volte la terra Distanza media dalla terra: 149.600.000 Km Rotazione: in 25 giorni circa

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1.2 I RAGGI SOLARI

Le radiazioni emesse dalla stella, vengono chiamati “raggi solari” che sono delle onde elettromagnetiche che appartengono alla categoria delle radiazioni ionisante, e sono classificati in 3 gruppi principali:la radiazione ultravioletta, radiazione visibile e la radiazione ad infrarossi.

Il raggio solare è costituito dal 44% di quelli Infrarossi, il 52% da quello visibile, e il 4% da quelli Ultravioletti. Ecco un grafico.

I raggi infrarossi (visibili,percepibili) tra 800-1400 nm sono quelli sotto forma di calore, la radiazione visibile (visibile, impercettibile) tra 400 e 800 nm è la luce e sono quelli che ci permettono di distinguere i colori e i raggi ultravioletti (invisibili, impercettibili) tra 100 e 400 nm sono quelli che possono danneggiare le cellule e provocare in breve tempo scottature alla cute e agli occhi, senza produrre sensazioni di calore, e hanno il rischio di sviluppare un cancro alla pelle o la cataratta.

NM= NANOMETRI PER UN MILIARDESIMO DI METRO

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I raggi ultravioletti si distinguono in base alla loro lunghezza d’onda: UVA, UVB, UVC.

Quelli UVA tra 315-400 nm costituiscono il 95% dei raggi che raggiungono la superficie terrestre.

Quelli UVB tra 280-315 nm costituiscono il rimanente 5% dei raggi e sono quelli più nocivi, infatti causano ustioni e tipi di cancro alla pelle con una velocità di 1000 volte superiore agli UVA.

Quelli UVC tra 100-280 nm sono assorbiti al 99% dall’ossigeno della stratosfera e dalle molecole di ozono quindi non raggiungono la superficie terrestre.

Danni: Naturalmente per osservare il Sole il problema è inverso rispetto agli altri oggetti celesti, nel senso che per osservarlo bisogna avere delle protezioni per non riportare danni irreparabili agli occhi. Anche osservarlo a occhio nudo per lungo tempo può creare danni seri. Alcuni telescopi sono dotati di filtri appositi per osservare il Sole, ma sono rischiosi perché se si rompono durante la visione.

INFRAROSSI

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1.3 FUNZIONE E IMPORTANZA NELLA VITA

Il Sole riveste un ruolo fondamentale nell’esistenza degli organismi viventi e non viventi: è una fonte di vita unica ed è estremamente importante per la Terra perché contribuisce a riscaldarla e mantenere la temperatura media globale nei limiti.

Quindi la sua funzione è quella di consentire la vita sulla terra e di regolare il clima, ed è grazie al sole che abbiamo queste temperature sennò il nostro pianeta andrebbe velocemente ghiacciandosi.

La Terra si trova ad una distanza ottimale dalla nostra stella tale da non essere troppo freddo né eccessivamente caldo, e ci risiede della luce naturale che noi riusciamo ad ottenere e a sfruttare, una luce completamente gratis.

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2. L’ENERGIA SOLARE

2.1 CHE COS’E’?

STORIA

La storia moderna dell’energia solare inizia tuttavia nel 1839. Edmund Becquerel, scoprì il cosiddetto effetto fotovoltaico: mentre conduceva esperimenti su una cella elettrolitica. Agli inizi del ventesimo secolo, fu proprio lo studio dell’effetto fotoelettrico che portò Albert Einstein a sviluppare la teoria della doppia natura della luce, energia e materia.

Il sole sprigiona la cosiddetta energia solare per effetto di reazioni nucleari (fusione dell’idrogeno) e viene trasmessa alla terra sotto forma di radiazione elettromagnetica.L’energia solare è una fonte di calore molto importante ma soprattutto pulita e rinnovabile che avremmo finché il sole continuerà a bruciare, che viene prodotta grazie allo sfruttamento dei raggi solari e rappresenta la prima fonte di energia sulla terra.Le radiazioni elettromagnetiche sono costituite da fotoni. Il fotone è una particella neutra che si propaga nel vuoto, con una energia che dipende dalla sua frequenza e con massa che si considera nulla quando è a riposo (non in movimento).

Dal flusso di energia solare derivano: la biomassa attraverso il processo di fotosintesi, l’energia idraulica (il sole, infatti, è il motore del ciclo dell’acqua), l’energia eolica, da cui a sua volta deriva l’energia delle onde.

Ogni forma di vita presente sulla Terra esiste grazie all’energia inviata dal Sole.

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TRASFORMAZIONE DELL’ENERGIA

Ecco come avviene la trasformazione.

L’energia solare si converte in energia termica, sfruttando la riflessione dei raggi solari ottenuta attraverso superfici riflettenti (specchi), per concentrarla su un ricevitore . In genere il calore viene convertito in energia meccanica tramite un motore termico (turbina a vapore) al cui asse motore è collegato l'asse di un generatore elettrico quindi energia elettrica.

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2.2 CENTRALI SOLARI

Una centrale solare è una centrale che utilizza l'energia solare per produrre corrente elettrica quindi energia pulita per fabbisogni di un certo peso. La centrale sfrutta lo stesso metodo dei pannelli solari, ma su ampia scala. I pannelli solari, disposti per diversi chilometri in base alle preferenze di chi decide di installare l’impianto, sono collegati tra loro per accumulare più energia possibile. L’impianto funziona solo se ce il sole. In caso di pioggia o di notte, l’impianto è spento e non produce. Per questo, prima di affrontare una spesa di questo tipo (ancora molto elevata), si prevede uno studio del clima e del territorio, anche perché un’installazione troppo grande potrebbe danneggiare l’ambiente (i pannelli sono in silicio). Attraverso collegamenti, l’energia viene poi canalizzata verso le destinazioni d’uso, consentendo un notevole risparmio per chi produce.Le centrali solari sono divise in due tipologie diverse: le centrali fotovoltaiche e le centrali termodinamica.

Centrale fotovoltaica

Prima centrale costruita nel 1966 a s. Ilario (Genova), oggi abbandonata e si cerca di ricostruirla.Questo tipo di centrale elettrica utilizza dei moduli fotovoltaici per convertire direttamente la luce solare in energia elettrica tramite l'effetto fotovoltaico, quindi è differente dalla maggior parte delle centrali perché non utilizza il gruppo turbina-alternatore.

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L’attuale tecnologia fotovoltaica non è ancora competitiva con gli altri sistemi: il costo dell’energia ottenuta da sistemi fotovoltaici è 8 volte superiore al costo dell’energia ottenuta dalle centrali solari termoelettriche.Una maggiore diffusione delle applicazioni fotovoltaiche permettono una riduzione dei costi, l’esempio è dato dalla Germania e dal Giappone dove in questi anni sono stati installati numerosi sistemi fotovoltaici e i costi sono inferiori. Attualmente la Spagna e la Germania hanno posizioni leader nella costruzione di questo tipo di centrali: tra le 50 più grandi del mondo, ben 45 si trovano in questi due paesi che hanno fatto gli investimenti maggiori in questo tipo di tecnologia. Anche l’Italia è piena di centrali fotovoltaiche situate al sud, dove ci sono vasti territori, dove poter installare questi grossi impianti.

Centrale termodinamica

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La prima centrale solare termodinamica venne realizzata sulla base delle teorie di Giovanni Francia nel 1965.

Questo tipo di centrale solare immagazzina l'energia solare attraverso dei pannelli solari che provvedono a convogliare la luce solare nell'olio minerale. Questo liquido assorbendo l'energia solare si riscalda fino a giungere temperature di alcune centinaia di gradi °C. Quindi attraverso uno scambiatore cede calore all'acqua che vaporizzando viene convogliata in una turbina collegata a un alternatore. La turbina sottrae energia cinetica al vapore acqueo e la converte in energia meccanica che viene utilizzata dall'alternatore per produrre corrente elettrica. Ogni pannello è motorizzato e può cambiare il proprio orientamento, per riflettere i raggi solari verso una torre centrale che contiene acqua. I raggi concentrati sulla torre portano l’acqua a produrre vapore, che a sua volta fa muovere le turbine per la produzione dell’energia elettrica.

Tra il 2006 e il 2011 in Spagna sono state costruite oltre 30 centrali di questo tipo. Sono diffuse in Italia, in India, Emirati Arabi Uniti, Algeria, Marocco, Iran, Sudafrica, Egitto. Invece la Cina vuole costruire tra un anno 20 centrali solari termodinamiche da inserire nei posti dove c’è più sole.

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CENTRALE PIU’ GRANDE DEL MONDO

Centrale nel deserto degli stati uniti, impianto solare ivanpah

Nel deserto del Mojave, negli Stati Uniti, è da poco diventato operativo l’impianto solare di Ivanpah, la più grande centrale termica a concentrazione solare del mondo e contiene circa 300.000 mila specchi.

Gli specchi hanno una altezza di 2 metri e sono larghi 3 metri, messi a cerchio intorno alla torre, alta 140 metri. Il complesso ha in tutto tre torri per la produzione di vapore da cui ottenere energia elettrica. Occupa circa 14 chilometri quadrati e nella sua costruzione ci sono stati alcuni ritardi, dovuti soprattutto alle preoccupazioni delle associazioni ambientaliste per il suo impatto sull’habitat circostante.

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Il progetto è stato sviluppato dalla società energetica BrightSource e da quella di costruzioni Bechtel. Tra gli investitori per la sua realizzazione c’è anche Google, che ha messo una quota di quasi 170 milioni di dollari. L’intera realizzazione è costata circa 2,2 miliardi di dollari e parte della spesa è stata finanziata con un prestito da parte del ministero dell’Energia degli Stati Uniti di circa 1,6 miliardi di dollari. Non si è trattato di una spesa particolarmente alta. L’intero impianto produce complessivamente 392 megawatt di potenza, sufficiente in linea teorica per rifornire di elettricità 140mila case. In compenso ha un bassissimo impatto per quanto riguarda le emissioni.

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2.3 PANNELLLI SOLARI

STORIA

Il primo collettore solare risale all’epoca romana, già si conosceva il potenziale dell’irraggiamento solare per mezzo dell’effetto serra creato dai vetri delle finestre delle case. Nel 1767 l’invenzione del primo collettore pannello solare: una pentola di legno foderata di sughero nero dove sulla parte superiore della quale erano applicati tre strati di vetro posti ad opportuna distanza: la temperatura all’interno della scatola arrivava a 109 °C. Dall’invenzione del collettore solare si passa al primo pannello solare.

Il pannello solare è uno strumento di produzione di energia pulita e naturale ed è formato dal silicio che permette di convertire l’energia solare in energia termica. Sfruttando il calore del sole, il pannello solare è in grado di accumulare e fornire l’energia necessaria per poi distribuirla alle linee elettriche per il riscaldamento dell’acqua oppure della casa. Esso riduce le emissioni di co2 e molti hanno approfittato dei nuovi inverter integrati con accumuli, che permettono di conservare l’energia prodotta e non consumata sul momento, per poterla utilizzare ad esempio di sera.

L’utilizzo dell’energia solare permette di ridurre notevolmente le spese mensili ed annuali di una famiglia e contribuisce alla salvaguardia dell’ambiente.

I pannelli solari, o i “collettori solari”, si distinguono in tre principali categorie: pannelli solari fotovoltaici, pannelli solari termici, pannelli solari termodinamici.

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I Pannelli solari fotovoltaici

I pannelli fotovoltaici utilizzano celle solari per convertire il calore del sole in elettricità per uso domestico.

Un impianto di pannelli fotovoltaici da installare sul tetto della propria abitazione può avere un costo di circa 10.000 Euro, un costo ancora elevato considerati gli anni necessari per ammortizzare l’investimento iniziale.

Pannelli solari termici

I pannelli termici sono realizzati e installati per convertire l’energia solare in energia termica (calore). I Pannelli termici NON producono energia elettrica al contrario dei pannelli fotovoltaici. Lo scopo di un pannello solare termico è

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quindi quello di produrre acqua calda che può essere poi utilizzata per lavarsi, cucinare, lavare i piatti o per riscaldare un’abitazione, facendo scorrere l’acqua in tubazioni disposte nei muri o sotto il pavimento. Il costo di realizzazione di un impianto di pannelli solari termici varia dai 3.000 ai 9.000 Euro con un periodo di ammortamento che varia tra i 5 e i 10 anni.

Pannelli solari termodinamici

I pannelli termodinamici sono utilizzati per produrre energia all’interno di un impianto solare a concentrazione. I pannelli solari termodinamici sono in sostanza specchi parabolici capaci di concentrare l’energia del sole verso un collettore al cui interno scorre un liquido. Questo liquido la cui temperatura può arrivare fino ai 600 gradi permette così di generare vapore ed energia adatta anche all’utilizzo industriale. Per produrre energia con questa modalità è quindi necessaria una vasta superficie su cui disporre i pannelli solari termodinamici. Possono costare da 3.000 € a 10.000 € di soli materiali, a seconda della tipologia di impianto che si vuole realizzare e si aggiungono 1.500-2.000 € di installazione e infine l’IVA, ma la durata è di 25-30 anni.

DOVE VENGONO MESSI I PANNELLI…

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AEREI

Il primo modello di Solar Impulse ha battuto diversi record e ha i pannelli solari collocati sulle ali che catturano abbastanza energia che viene subito convertita in energia elettrica.

DRONI

Già da diversi anni si svolgono sperimentazioni su aerei comandati, in questo caso veri e propri aeromodelli e ovviamente devono essere usati in giornate luminose.

TETTI DESERTO SPAZIO

2.5 IL SUO SFRUTTAMENTO

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La quantità di energia solare che arriva sul suolo terrestre è enorme, circa diecimila volte superiore a tutta l'energia usata dall'umanità, ma poco concentrata, nel senso che è necessario raccogliere energia da aree molto vaste per averne grandi quantità, e piuttosto difficile da convertire in energia sfruttabile.

Questa energia viene già utilizzata in molte parti del mondo e, se ben sfruttata, è potenzialmente in grado di coprire diverse volte il consumo attuale di energia mondiale. Oggi il primato è della Cina: nella classifica, l'Italia occupa un buon quinto posto, preceduta da Stati Uniti, Giappone e Germania che è stata la prima nazione al mondo a credere e investire fortemente nel solare.

IN PARTICOLARE L’ITALIA...

L’attuale situazione in Italia è caratterizzata dalla presenza di più di 520.000 impianti sparsi. L’energia solare in Italia ha avuto grande successo negli ultimi dieci anni, soprattutto nel 2011, quando il nostro Paese è stato il principale installatore di impianti fotovoltaici nel mondo.

Per il suo sfruttamento occorrono prodotti tecnologici in genere di costo elevato che rendono attualmente l'energia solare costosa rispetto ad altri metodi di produzione dell'energia.

Energia solare che arriva in Italia

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2.4 EFFETTI SULL’AMBIENTE

SVANTAGGI

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-Le centrali solari, e in particolare quelle fotovoltaiche, devono far fronte alla non continua presenza del sole, questa forma di energia è infatti dipendente dalle condizioni atmosferiche.

-Spreco di grandi superfici necessari per gli impianti e centrali e possono avere un impatto negativo sul paesaggio, possono togliere terreno per l’agricoltura.

-Costo di installazione: il costo dell’impianto fotovoltaico può essere elevato, ma il tempo di ritorno dell’investimento è sicuro, ed è stimato sempre tra i 5 e i 10 anni.

-Rendimenti bassi: l’energia prodotta è circa un terzo dell’energia che si potrebbe produrre (le celle di prima generazione che sono le più comuni, hanno rendimenti intorno al 33%, mentre ad esempio una turbina eolica può avere rendimento tra il 40 e il 50%).

VANTAGGI

-Non ci sono emissioni inquinanti o di gas serra.

-Non occorre estrarre, trasportare, processare combustibili.

-La fonte energetica è assicurata per miliardi di anni e gratuita (sole) e il suo sfruttamento è libero. l’energia che consuma e sarà in grado di rivendere alla rete nazionale quella in eccesso.

-Facilità di smantellamento e riutilizzo delle componenti dei pannelli, quindi riciclabili.

-La centrale è innocua per gli abitanti nei dintorni, né si presta a attentati terroristici .

-Costi bassi a dispetto di un costo di investimento importante per l’installazione di un impianto solare, chi decide di puntare su questa tecnologia vedrà calare nettamente il costo della bolletta per l’elettricità.

-Varietà nell’utilizzo della fonte solare:l’energia proveniente dal Sole può essere utilizzata con diversi impianti solari.

3. RICERCA SU ALTRE FONTI ENERGENTICHE

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Un'altra via è la costruzione di centrali solari orbitali. Queste centrali sono già realizzabili, ma avrebbero un costo elevatissimo per via dell'enorme quantità di denaro necessario per mandare in orbita la centrale. Alcune nazioni (il Giappone) intendono costruire una di queste centrali entro il 2040. Queste centrali dovrebbero raccogliere i raggi solari direttamente nello spazio e trasmettere la potenza assorbita sulla terra per mezzo di microonde o raggi laser.

CENTRALE ORBITALE

STORIA

L'idea di questo tipo di satelliti è nata alla fine del 1968 ma inizialmente è stato considerato impraticabile per via dell'impossibilità di trasmettere efficientemente la potenza generata dal satellite verso la Terra. Il problema della trasmissione a Terra è stato risolto nel 1974 , trovando un metodo per trasmettere energia dallo spazio verso la Terra utilizzando microonde e una particolare antenna. La NASA inizialmente era interessata a questa tipologia di applicazioni e infatti nel 1972 aveva assegnato a quattro società lo studio di queste infrastrutture spaziali. Questi studi evidenziarono due problemi di fondo. Il primo era dovuto all'elevato costo del trasporto in orbita di ampie strutture e il secondo problema era la mancanza di esperienza nell'assemblaggio e gestione di grandi infrastrutture in orbita.

All'inizio degli anni settanta la richiesta di energia elettrica era in costante aumento e quindi nuove forme di energia erano benvenute, ma verso la fine del decennio la richiesta di energia elettrica si era stabilizzata e quindi l'interesse svanì. Recentemente questi studi hanno riacquistato interesse per

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via del sempre maggior costo dei prodotti energetici. Allo stesso tempo i miglioramenti tecnologici dei lanciatori e delle tecniche di costruzione nello spazio hanno reso la realizzazione di questi sistemi più economici, sebbene allo stato attuale non siano ancora concorrenziali con le altre fonti di energia.

Una centrale solare orbitale è composta da tre parti:

-Un collettore di energia solare costruito con celle fotovoltaiche

-Un'antenna per la trasmissione delle microonde verso la Terra

-Un'antenna di elevate dimensioni sulla Terra che riceve le microonde e le converte in energia elettrica

Questa centrale è molto più semplice di una centrale termoelettrica, non ha né turbine né circuiti di raffreddamento da regolare, la conversione da energia elettromagnetica a corrente viene eseguita direttamente dalle celle. La struttura di questa centrale inoltre potrebbe essere molto leggera dato che nello spazio non bisogna vincere la gravità terrestre.

L'antenna installata a Terra è l'elemento fondamentale del progetto. Questa tipologia di antenna sarebbe in grado di trasmettere tra i 5 e i 10 gigawatt di potenza.

VANTAGGI E SVANTAGGI

Costruire la centrale solare nello spazio porterebbe molti vantaggi tecnici, nello spazio la centrale riceverebbe illuminazione diretta e costante per il 99% dell'anno, non riceverebbe la luce solare solamente durante le eclissi e durante gli equinozi. Anche in questo caso si tratterebbe di una interruzione di illuminazione di poche ore e quindi compensabile con centrali tradizionali o altre centrali elettriche orbitali disposte in diversi luoghi della Terra.

I raccolti e gli animali non sarebbero infastiditi dato che questa ridurrebbe solo leggermente l'illuminazione, in sostanza questa antenna in termini di spazio a terra occupato non è costosa come potrebbe sembrare.

Attualmente la maggior parte delle ricerche vertono sul perfezionamento delle celle fotovoltaiche. Si sta cercando di ottenere celle con un'efficienza maggiore di quelle attuali e nel contempo si sta

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cercando di renderle ad alta efficienza più economiche in modo da ridurre i costi di costruzione delle centrali elettriche. (celle)

Ultimamente i ricercatori sono alla ricerca di soluzione innovative a basso costo, come ad esempio le celle a concentrazione.

CONCLUSIONE

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Riassumendo il tutto, l’energia solare è stata la prima su questa terra ed è rinnovabile, pulita ma soprattutto inesauribile finché ci sarà il sole. Essa è fondamentale per l’esistenza di esseri viventi e animali, grazie ai raggi solari che arrivano sulla terra. Questa energia viene sfruttata tramite impianti che sono centrali e pannelli fotovoltaici che grazie al silicio trasformano il calore in energia elettrica che viene poi spedita nelle nostre case. Viene sfruttata in tutto il mondo, e in vari paesi sono inseriti enormi centrali che consentono di prelevare più energia possibile. Ha dei vantaggi e svantaggi, che gli esperti cercano di migliorare sempre di più con nuove invenzioni che siano anche economiche, ad esempio della centrale orbitale nello spazio.

Il mio pensiero personale su questo argomento è che è una splendida energia, che non inquina e non sprigiona gas, ma può essere anche costosa.

L’unico problema però è che non si può produrre energia di notte, e che bisogna usare davvero vaste aree per gli impianti ma per il resto è davvero perfetta.