Sollevare acqua col sole

[toninon]

effettivamente le sequoie tirano su migliaia di litri di acqua a 120 metri di altezza usando principi semplici quali capillarità, osmosi, pressione radicale.
Qui http://www.galenotech.org/chimfis/piante.htm è spiegato come. Temo però che sia difficilmente riproducibile a livello tecnologico.

Il meccanismo sostanziale usato dagli alberi per tirare su l'acqua e' la depressione creata dall'evaporazione dalle foglie. Credo sia per questo che le piante hanno tanto bisogno d'acqua, per attivare la loro circolazione.

In teoria il motore Stirling sarebbe un'alternativa piu' efficiente al motore a vapore, ma da quel che so i piccoli Stirling sono introvabili a prezzi decenti.

ciao

[janvaljan]

In risposta a eribird, pensavo a un sistema simile a quello da lui suggerito, ho messo uno schema in allegato.

Un serbatoio cilindrico contiene l'acqua da inviare. Un disco di materiale termicamente isolante, separa l'acqua da un altro strato di acqua superiore.
Non è necessario che la tenuta sia perfetta, poichè i due ambienti manterranno sempre la stessa pressione grazie alla discesa del setto, l'importante è che non venga scambiato calore tra la parte superiore e quella inferiore.
Il principio è che vaporizzando l'acqua nella parte superiore, il vapore dovrebbe creare abbastanza spinta da muovere in basso il setto e quindi spingere l'acqua nella mandata. Il calore verrebbe fornito da uno scambiatore in cui scorre olio caldo (o glicole) fornito dal collettore solare.

Il tutto partirebbe da pressione ambiente per poi aumentare gradatamente spingendo l'acqua su per la pendenza.

Ora il problema che cercavo di risolvere è capire quanta energia sarebbe effettivamente necessaria per muovere tot litri di acqua. Questa corrisponde all'energia necessaria per vaporizzare x litri di acqua nella parte superiore. Se questa energia è uguale o poco maggiore a quella impiegata da un sistema fv + pompa, allora vista la maggiore semplicità, si potrebbe pensare di usare questo.

Ipotizziamo di voler tirar un litro di acqua su per 100 metri con un normale sistema meccanico alimentato da FV
Servirebbero 1 kg * 9.81 m/s² * 100 m = 981 J , ipotizzando un rendimento globale del 5% (pannello 12% motore 85% pompa 50%) diventano 20 kJ di radiazione solare incidente

Con un pannello termico si hanno rendimenti del 30%, quindi avremmo 6 kJ di calore. Supponendo di usare questo calore per vaporizzare acqua, e volendo ottenere una pressione di 10 bar per mandare su l'acqua (Tsat 180°C) servirebbero circa 700 kJ/kg per riscaldarla da 20°C a 180°C e 2000 kJ/kg per vaporizzarla.
Con 6 kJ quindi vaporizziamo 6kJ/2700 kJ/kg = 2,2 gr di acqua. Sembrerebbe una quantità irrisoria, ma...

1 kg di vapore a quelle condizioni occupa 200 litri, quindi avremmo la creazione di mezzo litro di vapore nel vano superiore che sposta un uguale volume di acqua in quello inferiore.

Praticamente a parità di energia solare spostiamo la metà di acqua che nel caso precedente. Ma con un sistema molto più semplice ed economico. Che ne pensate?

[Lupino]

Non ti quoto i calcoli perche ho dato loro solo un occhiata veloce (sono di corsa magari li rivedo dopo) ma a proposito dell'energia necessaria ti posso verbalizzare un idea che mi è venuta oggi... ovvero: l'acqua portata a 200mt non viene utilizzata nella sua interezza per cui nell'ipotesi che i tubi fossero 2 uno in mandata e l'altro in ritorno, quest'ultimo magari con un bel generatore alla fine??? In un sistema perfetto, senza perdite, attriti, evaporazioni e "bevute" con efficenza pari al 100% sia della pompa che del generatore (vedi moto perpetuo) in teoria si potrebbe creare un loop 0m - 200m - 0m senza spreco di energia se non quella iniziale. Nel mondo reale ovviamente ciò non avviene ma l'energia dei pannelli o di un eventuale mini-idro (si può sapere la portata del fiume in questione?) dovrebbe esser essenzialmente pari a... tutto ciò che ho elencato

[Wilmorel]

x Lupino
Quanto affermi contravviene alla legge o principio di conservazione della energia, (vedi link),
"La legge di conservazione dell'energia è la più importante delle leggi di conservazione note in fisica. Nella sua forma più intuitiva questa legge afferma che, sebbene possa essere trasformata e convertita da una forma all'altra, la quantità totale di energia di un sistema isolato è una costante, ovvero il suo valore si mantiene immutato al passare del tempo."
e:
"La conservazione dell'energia esclude la possibilità di un moto perpetuo di prima specie."
Per il resto della esposizione, buona lettura!

PS
La soluzione che prospetti è normalmente adottata da Enel nelle sue "centrali di pompaggio", ma un singolo passaggio, pompaggio e turbinamento, porta a perdite della energia iniziale dell'ordine del 30%. Metti 100 e ricavi 70...
Il restante 30% viene disperso sotto forma di calore a bassa temperatura.

http://it.wikipedia.org/wiki/Legge_d...dell%27energia

[Lupino]

Immaginavo di non essermi spiegato bene, lungi da me violare (o provare a farlo) il principio/legge di conservazione dell'energia e provare a instaurare un moto perpetuo, oltretutto ,se anche minimamente questo fosse fattibile, in questa sede non sarebbe di nessuna utilità in quanto la massa in oggetto (acqua) dovrebbe essere costante e quindi non utilizzabile.
Ciò che semplicemente facevo notare è che l'eccesso d'acqua portata in cima alla collina poteva essere incanalata in un tubo di ritorno (scarico) al fiume e qui sfruttata con un piccolo generatore, l'energia prodotta, per quanto piccola (?) andava comunque ad abbassare il fabbisogno dell'intero sistema.
Nulla vieta inoltre di creare delle cisterne o dei semplici laghetti sulla sommità che potrebbero svolgere la funzione di riserva idrica e costituire una sorta di "condensatori" per il sistema. Oltretutto essi potrebbero essere "caricati" dalle stesse acque piovane.... nulla andrebbe sprecato.
Nel caso di una macchina termica si potrebbe inoltre partire dai progetti del newcomen (utilizzato proprio per estrarre acqua dalle miniere) ed adattarlo alle esigenze del caso ad esempio sostituendo il focolare, in origine a legna o carbone, con concentratori solari.
Interessante sarebbe anche la pompa a spirale peccato che la sua prevalenza si limitata ad una ventina di metri.

[Wilmorel]

Grazie a tutti per i tanti spunti interessanti
....
Per Wilmorel: i motori a vapore sono parecchio interessanti e relativamente facili da reperire, ma secono te la soluzione concentratore+motore a vapore è effettivamente più semplice/economica/affidabile di quella FV+pompa?
....

Ciao Janvaljan

I due tipi di impianti, utilizzano entrambi la stessa fonte di energia, ma sono molto diversi strutturalmente e anche nelle filosofie di impiego.
Proviamo ad evidenziare pregi e difetti.

Solare FV con pompa centrifuga.
Costituisce il vertice della moderna tecnologia solare.
Se ben costruito con moduli di qualità è quasi eterno e non richiede manutenzione, fatta salva la sostituzione dell'inverter al decimo anno e a ridosso, della pompa centrifuga (forse anche il lavaggio dei pannelli se il sito è molto polveroso nella stagione secca).
Rendimenti dei pannelli fra i 13-15% per mono e policristallini, 6-9% per amorfo, e valori complessivi fra il 4 e il 9% , incluso pompa.
Se realizzato con materiali mediocri di origine indefinita e non certificata, non si possono fare previsioni, salvo constatare il guasto e affrontare il fermo impianto, prolungato e di esito dubbio.
Richiede sorveglianza allo scopo di evitare furti, poichè questi materiali tecnologicamente all'avanguardia, nel terzo mondo sono preziosi.
Se danneggiato da eventi naturali quale la grandine, è parimenti di difficile ed oneroso ripristino.
I costi in Italia, per impianti attorno a 3 kWp, si aggirano fra 4500 e 5000 euro/kWp montaggio e tutti i materiali inclusi, salvo la pompa e tubazioni (IVA 10% inclusa).
I valori del kWp sono riferiti a condizioni normalizzate di insolazione, pari a 1000 W/m2 a 25°C. In Africa dovrebbe/potrebbe essere decisamente maggiore la insolazione e più elevata la temperatura di esercizio del pannello.

Solare termodinamico con motore a vapore e pompa alternativa.
Tecnologia molto consolidata, anzi, considerata obsoleta (un pregiudizio culturale).
Concettualmente semplice e rustico, potenzialmente di lunga durata, a condizione di eseguire una manutenzione sistematica di meccanismi ed organi in movimento, peraltro poco costosa in termini di materiali e valuta (essenzialmente lubrificazione).
Eventuali guasti sono affrontabili da un comune meccanico.
Una installazione di questo tipo, se realizzata in materiali poveri, non dovrebbe costituire un obiettivo apprezzabile per malintenzionati.
Può essere danneggiato da grandine, con costi di ripristino ragionevoli (vetro).
Se si utilizzano pannelli piani, si dovrà verificare il rendimento, molto basso per alte temperature del fluido di lavoro.
Difatti, il rendimento di un pannello, specifico per ogni modello, disegna una curva in funzione del delta termico e della energia (potenza) radiante incidente; eta= deltaT/Ee; (K°f-K°a)/(W/m2).
A mio parere, se si utilizzano pannelli piani autocostruiti e rustici, conviene curare la costruzione, l'isolamento, ed eventualmente utilizzare un doppio vetro, che migliora le prestazioni ad alte temperature.
Difficilmente il rendimento del pannello potrà andare oltre il 25% e complessivo fra il 6 e il 9% della energia solare incidente.
Da tenere presente la diversa insolazione fra l'Italia e il Congo. Occorrerebbe disporre di un atlante dell'irraggiamento complessivo e stagionale al suolo, o fare rilievi sul posto, come dici tu...
A titolo di confronto, pannelli termici non selettivi da 1,7 m2 di superficie, cinesi, hanno un costo unitario di circa 290 euro IVA esclusa.

In sintesi, per un confronto serio, oltre all'affinammento e definizione dei dettagli dei due tipi di impianti, sarebbe necessario un confronto economico completo, che io ho soltanto abbozzato.

PS
Ti debbo alcune precisazioni, ma continuerò domani.

[janvaljan]

Molto interessante Wilmorel. Se vedi in altre discussioni sono anch'io un fan del termodinamico, ma più per grandi impianti centralizzati. Per piccoli impianti "rustici" mi preoccupano i bassi rendimenti dei sistemi non a concentrazione (che temperatura max si potrebbe raggiungere? 150°C? ), e le complicazioni dei sistemi di puntamento per quelli a concentrazione.
In effetti andrebbe fatta un'analisi più approfondita e sarebbe necessario conoscere l'irraggiamento effettivo. Sarà la prima cosa da fare in loco.

Per caso hai dato un'occhiata all'idea che ho presentato prima? La ritieni fattibile?

[Wilmorel]

...

Per caso hai dato un'occhiata all'idea che ho presentato prima? La ritieni fattibile?

Partendo dalla proposta tua e di Eribird (se non sbaglio), si può giungere ad un dispositivo molto semplice, che consente di ottenere pressioni elevate partendo da temperature vapore (e quindi pressioni) abbastanza contenute ed evitando così dispositivi a concentrazione.
Una sorta di "leva idraulica"
Come puoi vedere dallo schizzo allegato, si tratta di due cilindri e pistoni coassiali e collegati, il superiore azionato dal vapore, e l'inferiore con funzione di pompa acqua, questo corredato da una coppia di valvole di non ritorno.
Il primo cilindro deve essere alimentato da un distributore di un qualche tipo, a cassetto, meccanico od altro, che non ho rappresentato e costituisce forse l'elemento di maggiore complessità del sistema.
La particolarità, risiede nel rapporto fra le superfici dei pistoni/cilindri, che stanno in funzione inversa alle relative pressioni di esercizio (approssimativamente e con adeguato margine funzionale).
Sono necessarie tutta una serie di piccole precauzioni per la realizzazione di questo dispositivo, che ti risparmio e si potrà, volendo, affrontare in seguito.

[Lupino]

Qualcuno in passato diceva: "datemi una leva e vi solleverò il mondo"
Ovviamente in fase di realizzazione va opportunamente dimensionato e bilanciato il tutto ma (abbiate pietà per il disegno) forse potrebbe non servire null'altro che ciò che già si ha. Ovvero l'acqua!
Se non ho sbagliato i calcoli, supponendo un pistone con V= 10l, un braccio di leva di 4m (3 fulcro 1) e basandomi su una P di 21atm la forza necessaria è pari a circa 300Kg ovvero il cassone (di forma triangolare per potersi svuotare velocemente) dev'essere 100x100x60 (unico lato)

[Wilmorel]

Il meccanismo può funzionare, ma necessita di un qualche tipo di salto.
Non è concettualmente molto diverso dalle grandi ruote utilizzate un tempo ad Hama sul fiume Oronte per alimentare l'acquedotto della città, mosse non da un salto ma dalla corrente fluviale, o ad una sua versione moderna, cioè una ruota idraulica "per di sotto" con un dispositivo a biella e manovella calettato sull'albero che aziona il solito pistone/cilindro con valvole, con il non piccolo pregio di essere costruttivamente semplice e a moto continuo.
Si tratta però di un dispositivo idraulico e non solare, e Janvaljan non ci ha descritte le caratteristiche del fiume da cui preleva l'acqua.
Quando si pensa, per un pompaggio o simile, di ricorrere al solare termico o FV, di solito si presume che non esista un tipo di energia meccanica disponibile, come la idraulica o eolica.

http://it.wikipedia.org/wiki/Hama_%28citt%C3%A0%29

[Lupino]

Scusa Wilmorel ma se ti riferisci al mio disegno (mi rendo conto che è pessimo ma era giusto per illustrare l'idea) il "salto" è di una 50ina di cm. Certo con dati sulla portata e dislivello del fiume le cose cambierebbero (anzi li ho chiesti pure io in un paio di occasioni visto che la mia prima idea era quella di accoppiare direttamente una pompa ad una turbina).

[Wilmorel]

Ciao Janvaljan
guarda questo link ad un atlante interativo della energia solare, postato da Toninon e realizzato a cura della Comunità Europea (JRC) dal quale puoi desumere valori indicativi di insolazione per numerose località.
Se clicchi su irradianza o irraggiamento, ottieni valori assoluti.
E' presente anche l'Africa.
PV potential estimation utility

[Lupino]

Che ne pensate di questa?
La portata è molto bassa anche se in verità è direttamente proporzionale alla velocità del fiume, in compenso la prevalenza è altissima.
Con un raggio di 1m si ha una portata di 0,5l ogni giro. Nulla vieta di aumentare il raggio o, semplicemente il numero di macchine.
Può funzionare sia come noria (in tal caso abbisogna di un salto almeno pari al raggio) o semplicemente come ruota/turbina "per di sotto" o addirittura, se posta in orizzontale può sfruttare la semplice forza animale (classica copia di buoi).
Ma soprattutto non ha bisogno né di sole né di calore con un funzionamento quindi 24/7....... a patto ovviamente di avere l'acqua.
Nel caso di un utilizzo come ruota/turbina con portate adeguate, nulla vieta inoltre di accoppiarla anche ad un eventuale generatore.

[vimek]

mha.. secondo me piu economico dei pannelli fotovoltaici ?? fate due conti ? Anche dei riciclati a quelle latitudini dovrebbero rendere quanto nuovi o almeno con una piccola % di obsolescienza qui da noi .. Inoltre in ambito energetico, state trasformano energia termica (dal sole..ancor peggio da legna) in energia meccanica.. con i dovuti rendimenti.. Converrebbe passare da energia elettrica in energia meccanica. Quindi Eolico+Solare nel caso la ventosità del posto lo permetta.. E se volete risparmiare datevi al DIY ! Prendere dei pannelli usati a 2€/W non è una tragedia. Tuttalpiù vi serve sapere quanta potenza si necessita per pompare acqua fino al villaggio.

[vimek]

giustifico la mia affermazione in base ai dati originali di partenza...(pochi..)
per 3000 (m) di distanza ed un differenza di quota di 200 (m) si ha una pendenza topografica di 0,1 % .. ! Inesistente ! bisogna considerare gli attritti all'interno della condotta, il dislivello non aiuta affatto. Quindi una pompa centrifuga con al minimo una prevalenza pari alle perdite che si hanno nell'intera condotta + l'eventuale quota piezometrica dell'accumulo. Questo se consideriamo IDEALMENTE un monocondotto. Realmente per 3000 m di distanza bisogna vedere molti fattori inerenti al territorio , disposizione dei vari punti di raccolta, poissibilità di opere di conduttura...etc.. e come minimo piu centri di pompaggio. Calcolare a spanne si puo' ma se non dai neanche un tetto max di investimento.. non si puo dire nulla a riguardo.

[livingreen]

Tutti calcoli già fatti nei primi post...
E poi, non si parla di pendenza... e soprattutto non è inesistente. SI tratta di sollevare acqua a 200 m, mica bruscolini.

[Lupino]

@vimek
A parte che la pendenza topografica (intesa come il rapporto tra il dislivello e la distanza sul piano orizzontale dei due punti interessati) è pari al 6,6% circa e non allo 0,1%. Ti sei fatto due calcoli su cosa implichi mandare anche solo 1/2 litro d'acqua a 200m?

[vimek]

Pardon.. avevo capito il contrario .. che il fiume stesse in una qualsivoglia collina a 200 metri di altezza SOPRA il punto di raccolta distante 3 km. Il discorso ovviamente si ribalta. Prevalenza di 200 metri minima piu le perdite.. Si deve per forza costruire bacini di accumulo ogni tot di metri , con le relative pompe e prevalenze. Bisigna comunque sapere quanto si è disposti ad investire, altrimenti puoi inventare la luna.. ma non risolvere nulla.