Costruire una torre solare
Una torre solare è un sistema per la produzione di energia che sfrutta il calore del Sole e i movimenti dell’aria generati dal riscaldamento per produrre energia elettrica. In questa attività vedremo come costruirne un semplice modello e come utilizzarlo per osservare direttamente i fenomeni che ne permettono il funzionamento, collegando energia solare, calore e moti convettivi dell’aria.
- Destinatari
- Scuola primaria e secondaria di I grado
- Durata
- 45–60 minuti
- Argomenti
- Energie rinnovabili, calore
- Materiali
- Template, cartoncino, forbici, scotch
- Discipline
- Scienze
- Attività
- Costruzione, osservazione, deduzioni
La torre solare come strumento didattico
Tra i sistemi studiati per produrre energia da fonti rinnovabili, la torre solare è particolarmente interessante dal punto di vista didattico. Il suo funzionamento si basa su principi relativamente semplici e può essere riprodotto, almeno nei suoi elementi essenziali, utilizzando materiali di facile reperibilità. Questo permette di osservare concretamente diversi fenomeni legati alla radiazione solare, al trasferimento di calore e ai moti dell’aria.
Nei sistemi reali, un grande collettore solare è coperto da un materiale trasparente che lascia passare la luce del Sole. La radiazione viene assorbita dal terreno o da una superficie posta sotto il collettore, che si riscalda e trasferisce parte del calore all’aria sovrastante. La copertura contribuisce a trattenere il calore, con un meccanismo simile a quello utilizzato nelle serre.
L’aria riscaldata si espande e diventa meno densa rispetto a quella circostante. La differenza di densità genera così una corrente d’aria ascendente all’interno della torre posta al centro del collettore. Mentre l’aria calda sale lungo la torre, nuova aria viene richiamata dall’esterno e attraversa il collettore, mantenendo il flusso.
Alla base della torre vengono collocate delle turbine, messe in movimento dall’aria che le attraversa. Il loro movimento aziona un generatore, permettendo di trasformare parte dell’energia del flusso d’aria in energia elettrica.
Realizzare la torre solare
Preparare la ventola
Per costruire il modello possiamo partire dal template già pronto, che contiene la ventola e il relativo supporto. Il primo elemento da preparare è la ventola: ritagliamo il disco circolare e rimuoviamo le sezioni bianche indicate nel modello.
Le pale così ottenute vengono poi piegate lungo le linee tratteggiate, tutte nello stesso verso, in modo da formare una piccola elica di carta.
Affinché la ventola possa ruotare liberamente è necessario preparare con attenzione anche il suo punto di appoggio.
Con la punta di una penna a sfera premiamo delicatamente sul centro della parte inferiore della ventola, senza forare la carta, creando una piccola concavità. Sarà questa a poggiare sulla punta del supporto e a mantenere la ventola in posizione durante la rotazione.
Realizzare il supporto
Ritagliamo dal template il supporto della ventola. La sua estremità deve offrire una superficie di appoggio molto piccola, così da ridurre il più possibile l’attrito.
Un sistema semplice e sicuro consiste nel rinforzare l’estremità con un piccolo pezzo di nastro adesivo e piegarla lungo la linea indicata, ottenendo uno spigolo sottile e ben definito.
Prima del montaggio è utile appoggiare delicatamente la ventola sul supporto e verificare che riesca a ruotare senza incontrare resistenze evidenti.
Il punto di contatto deve essere il più piccolo e regolare possibile: in questo modo anche un flusso d’aria debole può essere sufficiente a mettere in movimento la ventola.
Il punto di appoggio è importante. La ventola deve poter ruotare sotto l’azione di un flusso d’aria molto debole. Una punta troppo larga, irregolare o deformata può aumentare l’attrito e impedire al modello di funzionare correttamente.
Costruire la torre e assemblare il modello
Possiamo ora costruire la torre. Arrotoliamo un foglio di cartoncino nero fino a ottenere un tubo e fissiamo il bordo lungo con del nastro adesivo.
Il colore nero ha anche una funzione nel funzionamento del modello: assorbe efficacemente la radiazione solare e favorisce il riscaldamento della torre e dell’aria al suo interno.
Alla base realizziamo due aperture attraverso le quali l’aria esterna possa entrare nella torre. Quando l’aria all’interno si riscalderà e inizierà a salire, nuova aria verrà richiamata proprio da queste aperture.
Completiamo il modello fissando il supporto in prossimità dell’estremità superiore della torre, facendo in modo che la punta si trovi circa al centro dell’apertura. A questo punto possiamo appoggiare con molta delicatezza la ventola sulla punta del supporto. Se il punto di appoggio è stato realizzato correttamente, la ventola deve rimanere in equilibrio ed essere libera di ruotare anche sotto l’azione di un flusso d’aria molto debole.
Come usare la torre solare in classe
La nostra torre solare è un modello molto semplificato rispetto a un impianto reale. Non possiede il grande collettore alla base e la ventola, che nel modello ha soprattutto il compito di rendere visibile il movimento dell’aria, è posta sulla sommità della torre anziché alla sua base.
Il collettore è sostituito dal cartoncino nero con cui è costruita la torre. Esposto alla luce del Sole, il cartoncino assorbe parte della radiazione, si riscalda e trasferisce calore all’aria contenuta al suo interno. L’aria più calda si espande, diventa meno densa e tende a salire lungo la torre, richiamando nuova aria dalle aperture poste alla base. Il flusso ascendente raggiunge infine la ventola e la mette in rotazione, rendendo immediatamente osservabile un fenomeno che altrimenti sarebbe difficile vedere.
Seguire le trasformazioni dell’energia
Il modello permette di seguire una vera e propria catena di trasformazioni dell’energia: l’energia trasportata dalla radiazione solare viene assorbita dal cartoncino, provoca il riscaldamento del sistema e mette infine in movimento l’aria. La rotazione della ventola rende visibile l’energia associata a questo movimento.
Si può chiedere agli studenti di ricostruire il processo partendo dall’osservazione: che cosa mette in movimento la ventola? Perché l’aria sale? Da dove proviene l’energia che rende possibile il movimento? Il modello permette così di passare dall’osservazione alla formulazione di ipotesi e alla loro interpretazione.
Osservare i moti convettivi dell’aria
L’avvio della ventola permette di rendere evidente la presenza di una corrente d’aria ascendente. Il movimento può essere collegato al riscaldamento dell’aria, alla sua espansione e alla conseguente diminuzione della densità.
È interessante osservare anche cosa accade prima e dopo l’esposizione alla luce: la ventola non si mette necessariamente in moto subito. Il cartoncino e l’aria hanno bisogno di tempo per riscaldarsi, offrendo così l’occasione per ragionare anche sulla relazione tra tempo di esposizione e riscaldamento.
Confrontare una torre nera e una bianca
Una possibile variante consiste nel costruire due torri identiche, una in cartoncino nero e una in cartoncino bianco, ed esporle contemporaneamente alla stessa luce. Il confronto permette di introdurre il diverso assorbimento della radiazione da parte delle superfici e di osservare come il colore possa influenzare il riscaldamento e, di conseguenza, l’intensità del moto convettivo dell’aria.
L’attività può essere impostata come un piccolo esperimento comparativo: forma, dimensioni e condizioni di esposizione rimangono uguali, mentre viene modificata una sola caratteristica, il colore del cartoncino. Prima della prova gli studenti possono formulare una previsione e confrontarla successivamente con ciò che osservano.
Costruisci la torre solare con la tua classe
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Dal Sole sulla Terra al Sole nel cielo
La torre solare può diventare il punto di partenza per ampliare l’osservazione e collegare ciò che accade nel modello al ruolo del Sole come principale sorgente di energia per il nostro pianeta. Il percorso può essere integrato con la lezione in planetario “Il tempo, le stagioni”, spostando progressivamente l’attenzione dal riscaldamento prodotto dalla radiazione solare al moto apparente del Sole nel cielo e al suo cambiamento nel corso dell’anno.
Il modello permette di partire da un fenomeno osservabile direttamente dagli studenti; il planetario consente poi di cambiare scala e ricostruire il comportamento del Sole sulla volta celeste, mettendo in relazione luce, altezza del Sole sull’orizzonte e stagioni.
Le due attività possono essere utilizzate in momenti diversi dello stesso percorso: la torre solare può introdurre domande sul ruolo della radiazione solare e sul riscaldamento, oppure diventare un’esperienza successiva con cui ritrovare in classe alcuni degli effetti prodotti dall’energia proveniente dal Sole.