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Guido Barone » 5. Generatori di corrente continua


Presentazione

In questa lezione vengono trattati tutti i tipi di pile elettrochimiche (reversibili, cioè ricaricabili, e non), le batterie, gli accumulatori e le cosiddette pile a combustibile (fuel cells). Una parte tratta brevemente le pile per le nanotecnologie. All’inizio vengono inoltre discussi i concetti di forza elettromotrice e i metodi di misura della stessa.
Vengono poi discusse in dettaglio le basi fisiche e chimico-fisiche del funzionamento dei materiali semiconduttori intrinseci e drogati, utilizzati per la produzione di energia elettrica negli impianti di fotovoltaico, nonché le tecnologie di utilizzo e trasformazione della corrente continua in alternata.

Obiettivi
Familiarizzarsi da un lato con i concetti di elettrochimica alla base del funzionamento dei numerosi tipi di batterie e accumulatori, incluse le pile a combustibile, dall’altro con i concetti di fisica e chimica fisica alla base del funzionamento e utilizzo dei dispositivi per il fotovoltaico e della trasformazione in corrente alternata e messa in rete dell’energia elettrica prodotta.

Forza elettromotrice e sua misura

Si definisce forza elettromotrice la differenza di potenziale che si può misurare, a circuito aperto, tra i terminali di un generatore elettrico. Tale differenza di potenziale può provocare il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore connesso con i terminali e quindi può essere utilizzata per produrre lavoro meccanico, calore, luce, reazioni chimiche, a seconda che il conduttore stesso sia l’avvolgimento di un motore, una resistenza, il filamento di una lampada ad incandescenza, una soluzione elettrolitica, etc. L’unità di misura della f.e.m. nel sistema pratico e in quello M.K.S.A. è il volt = 10 u.e.m. del sistema C.G.S..

Cella Galvanica

Cella Galvanica


Forza elettromotrice e sua misura

La f.e.m. misurata ai morsetti di una cella galvanica (vedi) dà una misura della variazione di energia libera connessa con le reazioni che si possono sviluppare nella cella stessa; essa dipende dal potenziale standard degli elettrodi e dall’attività degli ioni rispetto ai quali sono reversibili gli elettrodi stessi; se il liquido elettrolitico non è unico, la f.e.m. dipende inoltre dai potenziali di giunzione generati dalle differenti diffusibilità reciproche degli ioni costituenti gli elettroliti, nelle varie parti della pila a contatto tra di loro.
Fino all’invenzione della dinamo (Faraday, 1831) l’unica sorgente di f.e.m. era di natura elettrochimica ed era la pila di Volta; tutt’oggi le pile e gli accumulatori hanno larghissimo uso in quanto permettono l’immagazzinamento e lo sfruttamento autonomo – e senza organi in movimento – dell’energia elettrica. D’altra parte recentemente, con lo sviluppo dei transistori e dei circuiti stampati, la richiesta di potenze molto minori ha reso ampiamente conveniente l’uso delle pile e ha spinto per una loro miniaturizzazione e per una loro diversificazione e specializzazione notevoli. L’uso di sorgenti elettrochimiche di f.e.m. offre, oltre ai predetti vantaggi, il requisito di una efficienza elevata, requisito connesso alla trasformazione diretta di energia chimica in energia elettrica e quindi allo sfruttamento di questa per ottenere varie forme di lavoro. Lo sfruttamento massimo dell’energia chimica attraverso i tradizionali processi di combustione incontra infatti barriere teoriche e pratiche che ne limitano l’efficienza all’atto della riconversione del calore sviluppato in altre forme di energia.

Forza elettromotrice e sua misura

Le batterie di elementi galvanici vengono distinte generalmente in due gruppi: le batterie primarie, che si scaricano irreversibilmente e dopo un certo tempo non sono più utilizzabili, e le batterie secondarie, i cui processi elettrodici sono invece reversibili, entro certi limiti, e pertanto possono essere ricaricate; ciò avviene forzando il passaggio attraverso di esse di una corrente elettrica, in senso inverso a quello di erogazione, mediante un f.e.m. prevalente, di natura in genere elettromeccanica.
La f.e.m. ottenibile da un elemento galvanico è fortemente limitata dal valore dei potenziali di ossido-riduzione agli elettrodi; anche scegliendo elettrodi agli estremi della scala dei potenziali si è sempre nell’ordine di pochi volt: per ottenere f.e.m. di ordine più elevato si connettono diversi elementi in serie. L’intensità di corrente erogabile a sua volta dipende, tra l’altro, dall’entità della reazione in atto e dall’area utile degli elettrodi: si può incrementare ponendo più unità in parallelo o aumentando le dimensioni del tipo di cella prescelto.
Le celle irreversibili sono comunemente dette Pile o Batterie, sia che siano costituite da uno solo che da più elementi; le celle reversibili sono dette Accumulatori. Le cosiddette Pile a combustibile rientrerebbero nella prima categoria, ma l’involucro e gli elettrodi possono essere usati per tempi molto più lunghi di quelli medi di permanenza dei reagenti. E’ più giusto considerarli dei reattori di alimentazione continua: per questo e per i continui sviluppi in atto, meritano una classificazione e una trattazione a parte.

Pile e accumulatori. Batterie leggere

Batterie secondarie o accumulatori

Per ovvie ragioni di accurata definibilità termodinamica le pile reversibili sono state oggetto di studio dagli albori dell’elettrochimica. Perché una batteria di pile reversibili possa essere praticamente usata come accumulatore di energia bisogna però rispettare numerosi vincoli tecnico-pratici che restringono il campo a pochissimi tipi basilari. Prima di tutto la densità di corrente erogabile e la quantità di energia immagazzinabile devono essere rilevanti: severi limiti sono posti dalla cinetica dei processi elettronici (v. Processi elettronici irreversibili) e dalla presenza di reazioni secondarie e di cambiamenti dello stato fisico degli elettrodi. Questi ultimi fatti limitano di per sé inferiormente il campo di tensioni in cui una batteria secondaria può essere utilizzata senza andare incontro a processi degradativi irreversibili; lo stesso può accadere nella ricarica quando ci si avvicina o si supera il valore della f.e.m. dei singoli elementi dell’accumulatore.
Nei processi di ricarica la corrente circola nella cella in senso inverso rispetto alla fase di scarica, per cui il ruolo dell’anodo (elettrodo a cui avviene la semireazione di ossidazione) e il ruolo del catodo (elettrodo a cui avviene la semireazione di riduzione)
vengono scambiati: il terminale positivo della sorgente esterna di f.e.m. prevalente viene connesso con il positivo della cella da ricaricare e cosi per i due terminali negativi.
Altre caratteristiche tecniche che rendono pratico e conveniente o meno l’impiego di un accumulatore sono: il costo non elevato, un buon coefficiente di utilizzazione (frazione di materiale elettronico attivo praticamente utilizzabile reversibilmente), densità o rendimento di energia (Wh/dm3 o Wh/kg); e ancora: moderata scarica a circuito aperto; ingombro e peso non eccessivi; resistenza meccanica; semplicità d’uso e non pericolosità dei reagenti.

Pile a combustibile (Fuell Cells)

La tecnologia delle celle a combustibile si è differenziata negli anni, in funzione dell’elettrolita utilizzato e del conseguente livello di temperatura di funzionamento. Il nome deriva dall’utilizzo dei combustibili, per lo più gassosi utilizzati come fonte energetica. Il grande vantaggio rispetto alle combustioni degli stessi prodotti è legato al tipo processo, una ossidazione elettrochimica in soluzione o in fase eterogenea, con guadagno in efficienza, minor dispersione di calore e quindi minor produzione di entropia impatto ambientale molto ridotto. Le prime celle a combustibile furono quelle ad elettrolita alcalino (Alkaline Fuel Cell – AFC), sviluppate durante gli anni Sessanta nel corso dei programmi spaziali Apollo. Successivamente sono state sviluppate altre cinque tipologie principali, con differenti caratteristiche e diverso grado di utilizzo che oggi rivestono grande interesse commerciale.

Approfondimento: Pile a combustibile (Fuell Cells)


Batterie per le nanotecnologie

Applicazioni miniaturizzate. Per far funzionare apparecchiature e dispositivi a scala micro- o nanometrica nei più svariati campi, dalla diagnostica medica all’industria aerospaziale, occorrono sempre più dei generatori miniaturizzati in grado di fornire l’energia necessaria e senza bisogno di sostituirli di frequente. I predecessori di queste tecnologie sono stati i dispositivi per la ricarica automatica degli orologi da polso (che sfruttavano i movimenti del braccio) o le suole delle scarpe contenenti materiali viscoelastici (questi consentivano un recupero di energia dopo la compressione facilitando la falcata dei podisti). Ma siamo ancora nel campo della conversione dell’energia meccanica. Un passo avanti si ebbe con l’inserimento nelle suole delle scarpe di materiali piezoelettrici. Questi ad ogni compressione, quindi ad ogni passo, generano una f.e.m. in grado di alimentare dispositivi elettronico portatili o di riscaldare giubbotti, tute ed altri capi di vestiario.

Il primo passo verso la miniaturizzazione dei generatori elettrici ha riguardato il soddisfacimento delle necessito di utilizzare dei dispositivi microelettromeccanici (MEMS) portatili nonché di alimentare auricolari senza fili e altri dispositivi a piccola scala per gli ascolti o le registrazioni ottiche ambientali.

Nanodispositivo per la trasduzione delle vibrazioni meccaniche in f.e.m.

Nanodispositivo per la trasduzione delle vibrazioni meccaniche in f.e.m.


Batterie per le nanotecnologie

Ma un campo dalle prospettive molto più entusiasmanti è offerto dalla possibilità di creare microgeneratori di corrente a scala nanometrica. Le applicazioni variano dalla creazione di sensori che monitorano parametri fisiologici nel corpo umano (glicemia, pressione) a dispositivi per il rilascio controllato di farmaci, a sensori per il dosaggio di tossine e di inquinanti esogeni penetrati nell’organismo, alle applicazioni ambientali e ai sensori che misurano a varie altezze le microdeformazioni di strutture sollecitate (ponti, dighe, grandi edifici), per finire al campo della nanorobotica.

Il livello di energia richiesta per mantenere attivi questi dispositivi è dell’ordine dei micro- o dei nanowatt. Per i biosensori molte fonti energetiche sono disponibili a queste scale e possono essere fornite dalle attività metaboliche o meccaniche del corpo umano. Quindi questi dispositivi si possono definire come trasduttori di energia oltre che come accumulatori. Potenziali fonti energetiche dal corpo umano sono:

  • energia meccanica;
  • energia termica (gradienti di temperatura tra polso e ambienti possono ricaricare minipile di orologi per effetto Seebeck o termoelettrico);
  • energia da vibrazioni periodiche (pulsazioni del cuore);
  • energia chimica (dal ciclo del glucosio);
  • energia idraulica o fluido dinamica (dal sistema circolatorio).

Batterie per le nanotecnologie

A queste fonti endogene si possono aggiungere fonti esterne:

  • vibrazioni casuali dal traffico;
  • rumori a varie frequenze e intensità;
  • gradienti termici fra superfici stradali e abitazioni ed uffici;
  • biochimica metabolica di microrganismi presenti.
Bande di energia per i metalli della terza riga del sistema periodico.

Bande di energia per i metalli della terza riga del sistema periodico.


Batterie per le nanotecnologie

Energia prodotta dal corpo umano

  • Flusso sanguigno: 0.93 watt potenza meccanica ; 0.16 watt di potenza elettrica utilizzabile; 0.16 J di energia elettrica per pulsazione.
  • Espirazione 1.00 watt potenza meccanica; 0.17 watt di potenza elettrica utilizzabile; 1.02 J di energia elettrica per movimento
  • Inspirazione 0.83 watt potenza meccanica; 0.14 watt di potenza elettrica utilizzabile; 0.84 J di energia elettrica per movimento
  • Mov. Braccia 3.00 watt potenza meccanica; 0.51 watt di potenza elettrica utilizzabile; 2.25 J di energia elettrica per movimento
  • Camminare 67.00 watt potenza meccanica; 11.39 watt di potenza elettrica utilizzabile; 18.901 di energia elettrica per movimento
  • Usare il computer 6.9-19.0 mwatt potenza meccanica; 1.2-3.2 mwatt di potenza elettrica utilizzabile; 226 – 406μ di energia elettrica per movimento.

(da Le Scienze, aprile 2008).

Batterie per le nanotecnologie

Un dispositivo che è basato sullo sfruttamento dei movimenti del corpo, dello stiramento dei muscoli e delle pulsazioni cardiache utilizza le oscillazioni di una lamina a doppio strato (silicio-platino). La doppia lamina, scanalata inferiormente, poggia sulle estremità di una serie di fili cristallini paralleli di ZnO (a struttura esagonale).

Il movimento avanti-indietro o destra-sinistra della lamina provoca una compressione su di un lato dei fili e una decompressione sul lato opposto. L’oscillazione utilizza l’effetto piezoelettrico alternato dei due lati dei fili di ZnO per creare una differenza di potenziale elettrico. Lo ZnO è anche un semiconduttore, ciò comporta che si genera un campo elettrico con separazione di carica positive e negative su due facce opposte del filo esagonale. La doppia lamina Si Pt agisce come un diodo consentendo ad ogni movimento lo scorrimento di una corrente continua dal metallo al silicio. In prospettiva, data la disponibilità attuale di polimeri conduttori, i cristalli di ZnO così come i nanotubi di carbonio potranno essere sostituiti da materiali flessibili ed ecocompatibili.

 

Distribuzioni di Fermi nei metalli a temperature superiori a 0K

Distribuzioni di Fermi nei metalli a temperature superiori a 0K


Batterie per le nanotecnologie

L’impiego di alcuni microrganismi, come il desulfuromonas acetoxidans consente di creare un sistema in cui il microrganismo trasferisce elettroni ad un elettrodo di grafite ossidando l’acetato prodotto da altri organismi nei sedimenti. La corrente elettrica scorre attraverso l’acqua salata fino ad un altro elettrodo. Altri microrganismi si spera possano utilizzare altri substrati più energetici (carboidrati) per detossificare fanghi o rifiuti tossici. Infine nel campo biomedico si spera di poter giungere ad utilizzare il metabolismo delle cellule umane per attivare dispositivi per il rilascio di farmaci o per controllare pacemaker cardiaci o microprotesi del sistema nervoso o neurovegetativo. I grandi vantaggi sono rappresentati dai volumi estremamente ridotti dei dispositivi impiantati e dalla mancanza di necessità di rimuoverli per sostituire le batterie.

Tecnologie del Fotovoltaico

Tra le diverse fonti di energia rinnovabili, la conversione fotovoltaica dell’energia solare è tra le più promettenti per i seguenti motivi:

  • impatto ambientale trascurabile;
  • ampia disponibilità della fonte (anche nello spazio);
  • fattibilità tecnologica dimostrata (quella economica già raggiunta per alcune applicazioni);
  • impiego di tecnologie innovative con ricadute su settori collegati.

Tecnologie del Fotovoltaico

La diffusione di impianti fotovoltaici per la produzione di energia elettrica è limitata dal costo dei moduli ancora troppo elevato, malgrado gli incentivi promessi, e a causa delle procedure farraginose, in Italia, per poter mettere in rete il surplus di corrente prodotto dai privati.

Metalli. Nei solidi cristallini metallici gli orbitali più esterni dei singoli atomi si sovrappongono, con guadagno energetico, formando delle bande i cui livelli quantizzati possibili sono molto vicini, da formare quasi un continuo, e sono più numerosi degli elettroni che li possono popolare. Gli elettroni si distribuiscono statisticamente su questi livelli. In un metallo gli elettroni, muovendosi liberamente tra livelli di energia molto vicini, possono trasportare una corrente elettrica. Riferendosi ai metalli della terza riga del Sistema Periodico si può notare che nel caso del Sodio i singoli elettroni di ciascun atomo vanno a riempire solo per metà la prima banda di valenza, mentre nel caso del Magnesio i due elettroni di valenza per atomo vanno a riempire completamente i livelli della prima banda di valenza, ma alcuni occupano i livelli inferiori della seconda banda di valenza, che è parzialmente sovrapposta alla prima. Nel caso dell’Alluminio infine (tre elettroni di valenza per atomo) la prima banda di valenza è completamente riempita e la seconda, sovrapposta, è riempita per metà. In tutti e tre i casi la situazione è fotografata a 0 K dove gli elettroni sono confinati tutti nei livelli inferiori delle rispettive bande di valenza. Il livello più alto possibile è definito livello di Fermi (Ef). A temperature più alte la mobilità degli elettroni è favorita dai livelli vuoti delle rispettive bande di valenza, mentre non è utilizzata la banda superiore di conduzione (virtuale).

Tecnologie del Fotovoltaico

A temperatura ambiente (20°C) o maggiori gli elettroni si distribuiscono seconda la statistica di Fermi ed in numero sempre più alto attingono livelli al di sopra di Ef A 500°C la probabilità di occupazione dei livelli disponibili al di sopra del livello di Fermi nelle rispettive bande di valenza è di circa il 50%. Corrispondentemente nei livelli inferiori a Ef si creano altrettante vacanze o buche o lacune positive. Sia gli elettroni dei livelli superiori Ef che le buche positive contribuiscono alla conducibilità dei metalli. Si noti che la conduttanza o conducibilità specifica dei metalli diminuisce con la temperatura a causa dell’agitazione termica degli atomi che ostacolano il movimento degli elettroni. Nella figura V. 2.2 è riportata l’energia in Elettron-volt dei livelli in funzione della probabilità di occupazione a due temperature.

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Approfondimento: Pile a combustibile (Fuell Cells)

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