La casa solare sperimentale progettata e realizzata dal Fraunhofer Institut fur Solare Energiesysteme di Friburgo ha dimostrato di poter funzionare con il solo apporto dell'energia del Sole. Nel periodo invernale 1994-1995 i consumi energetici, elettrici e termici, dell'edificio sono stati soddisfatti senza fare ricorso ad altri input energetici esterni. In particolare, le esigenze di riscaldamento aggiuntive sono state solo di 72 kWh ed è stato possibile soddisfarle utilizzando l'idrogeno prodotto con l'energia solare. Nei periodi invernali, in assenza di sole, la mancata produzione di energia elettrica fotovoltaica, è stata sostituita con la produzione di energia elettrica generata da una cella a combustibile della potenza di 1kW alimentata sempre con l'idrogeno prodotto con il sole.
I lusinghieri risultati di questa sperimentazione sono stati possibili grazie all'adozione di sistemi di costruzione a basso consumo di energia, allo sfruttamento passivo dell'energia solare e all'uso di materiali termicamente isolanti trasparenti.

Le fuel cell che mettono gli inquinanti al tappeto

"I vantaggi delle pile a combustibile, in inglese fuel cell, sono molti." ci ha confermato l'ingegner Limuti dell'A.Co.Ser. di Bologna. "Il rendimento elettrico ottenibile è elevato: oltre il 40% dell'energia contenuta nel combustibile è effettivamente disponibile per l'utente, contro il 34% massimo delle centrali tradizionali. Inoltre, dato che l'energia viene prodotta attraverso la ricombinazione di idrogeno e ossigeno, e non con il tradizionale bruciatore, vi è un abbattimento delle emissioni inquinanti. Questi impianti possono essere dunque realizzati "in loco", cioè in città o presso le industrie, evitando le perdite di energia che si hanno negli elettrodotti. Se poi si pensa che il calore prodotto dalla reazione chimica può riscaldare decine di alloggi attraverso un impianto centralizzato di quartiere (teleriscaldamento), allora ciò che nelle centrali tradizionali è un rifiuto, qui diventa una risorsa. In questo senso, le centrali realizzate con pile a combustibile raggiungono un rendimento complessivo dell'83%".

Power from the Heavens

The large arrow represents solar energy. This energy is carried by the water which runs through the black plate filled with ceramic particles. Capillary action upon these particles will draw the water up through the transparent plate, leading to more efficient exploitation of the solar energy.

A new solar energy system developed at the University of Oslo is to be launched onto the commercial market. The components have been produced by General Electric.
Text: Øystein L. Pedersen

The new solar panels were developed in the basement at the Fysisk institutt [Department of Physics]. Professor John Rekstad was the project leader and its driving force:  "This system means that solar energy will be able to compete with conventional sources of energy on price," says Rekstad. "The solar panels replace parts of the conventional roofing materials or cladding on houses and industrial buildings. They are lightweight and easy to install, making them an attractive building material," he claims.
Tests show that each square metre of solar panelling could yield up to 500 kilowatt hours each year in the form of heated water. If the panelling were to replace an entire roof, the system could produce heating for tap water, swimming pools, houses and industrial processes.
Advanced plastics
Professor John Rekstad
at the Department of Physics is the driving force behind development of the new solar heating system.
The solar panels are manufactured from advanced plastics produced by General Electric Plastics. A plastic plate, made from Lexan, allows sunlight to enter but prevents heat being radiated out. Behind this is placed a black plate made from another plastic, Noryl, which is filled with tiny ceramic particles. When water flows through this particle filling, capillary action ­ the action which causes water to rise in a small diameter space ­ causes the water to come into close contact with the black plate. From this plate, the water absorbs the heat given out by the sunlight which has been trapped. As the water conducts the heat away, the plate will remain cold and there will be a reduction in heat emission to the surrounding area.
"The particles form an efficient heat exchanger without there being a corresponding rise in pressure as there is in other solar energy production. In addition, the solar panel is emptied as soon as the water supply is switched off. This gives simple and effective protection against the damage which can be caused by the water freezing or boiling," says Rekstad.
Water circulation is controlled by a speciallydesigned microprocessor. (…)

PowerCell
Each prototype PowerCell unit is made using the novel Dais polymer electrolyte membrane materials and stack designs (patented or patent pending). Dais has engineered the PowerCell unit to operate at ca. 7/10v per cell under load. The units operate on industrial hydrogen, and oxygen (from air). The optional PowerCell enclosure provides an active air environment for maximum required power.
The stacks come fully assembled. Simply provide the hydrogen source and the PowerCell will generate electricity. Each unit sports an internal gas manifolding system and a built-in re-circulation loop (traditional ‘purging’ is held to an absolute minimum). Options include a specially engineered enclosure with active air controls, a custom hydrogen gas distribution system (cylinder, valve, transfiller, and regulator), and fixed voltage controls (6, 9, 12, 14, or 24).
Polymer Electrolyte Membrane

L'impiego del metano nella cogenerazione con celle a combustibile.
S.P. Cicconardi, G. Gaggio, R. Lensi 4 - Aprile 1988

Il lavoro riguarda lo studio energetico di un impianto cogenerativo non convenzionale, basato su celle a combustibile ad elettrolita acido e alimentato a metano. Dall'analisi delle caratteristiche fisiche e termodinamiche dei principali flussi di massa e di energia, si e` pervenuti alla determinazione dei rendimenti energetici, cogenerativi ed exergetici, parziali e globali, dell'impianto. E' stato infine effettuato un confronto tra il sistema esaminato ed uno di riferimento avente sezione elettrica e sezione termica separate e tradizionali. Dalle considerazioni energetiche ed exergetiche svolte, emergono in particolare le ottime prestazioni del gruppo processore del combustibile: la conversione del metano nell'idrogeno necessario per l'alimentazione delle celle a combustibile appare infatti operazione energeticamente efficace. I risultati dello studio effettuato, seppur calcolati con riferimento ad un impianto specifico di piccole dimensioni, sono agevolmente estendibili anche ad impianti di maggiore potenzialita', data la caratteristica di insensibilita' al fattore di scala delle celle a combustibile.

Solar House, Freiburg: From the vision to application

The Self-Sufficient Solar House belonging to the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE has a new purpose and a new name: "Solar House, Freiburg". Over the last four years, the house has become the symbol of energy efficiency. 99% less heating energy means: A house in Central Europe can be built such that heating is marginal. With a 60% reduction in electricity consumption, the inhabitants have demonstrated how easy it can be to "use your head instead of a switch".
The complete hydrogen system, the first such system to be installed in a residential building, is characterised by further superlatives; an autonomous energy supply throughout the year due to seasonal storage, a 1 kW fuell cell as a co-generating power plant in "pocket size", heating without a chimney by non-polluting catalytic combustion of hydrogen.
The results of the project, which was supported by the German Federal Research Ministry, the State of Baden-Württemberg and the City of Freiburg, have long since aroused the interest of industrial concerns. The working group, "Solar Building", at Fraunhofer ISE develops concepts on commission to industry for solar lowest-energy buildings. The group leader, Dr. Karsten Voss, compares the situation with photovoltaics: "One principle there is to produce record breaking cells, which are then simplified in specific aspects for mass production. We have squeezed out the last tenth of a percent to achieve energy autonomy in the Solar House. Thus, we also know where we can save costs enormously, if we accept a minimal remnant of energy demand. We need favourably priced, highly efficient buildings for application on a broad scale, because that is the fastest way to relieve the pressure on the environment." A practical example: solar blocks of flats for private building owners. And what about the Solar House, Freiburg? It stands for a new vision: Apply complex knowledge to the simplest possible system technology. The research group in Freiburg is now converting the house to this new purpose.
From autumn, it will be accessible again with offices and a seminar room. New concepts include economic miniature heaters for minimal heating demand. Thermotropic glazing will be added to the facade with transparent insulation next year. Acting as a large-area optical switch, the thermotropic glazing will replace complex mechanical shading devices and thus can reduce the costs for solar heating by a third. Lastly, the solar house will be connected to the grid and feed its excess from the photovoltaic system into the public electricity supply.
Hydrogen technology will also be pursued further by the Freiburg group as a long-term perspective - no longer in the new Solar House but on the industrial level. For instance, with a 33 kW cooling system with catalytic combustion of hydrogen or in component development for fuel cells in cars.
Thus, one project has spawned many more. Applied research has developed commercial products from a visionary idea - and a new vision for the future of tomorrow.

Realizzato a Portici "tandem", un innovativo modulo fotovoltaico al silicio amorfo.
L'ENEA conquista record europeo nel fotovoltaico.

Presso il Centro Ricerche dell'ENEA di Portici (Napoli), dove sono concentrate le attività di ricerca e sviluppo sui materiali e sui dispositivi fotovoltaici, è stato conseguito un risultato scientifico di livello internazionale, nell'ambito dei programmi per la realizzazione di celle a film sottile, con la fabbricazione di un modulo fotovoltaico che sfrutta le proprietà e la tecnologia dei film sottili a base di silicio amorfo.
Si tratta fondamentalmente di una lastra di vetro coperta con uno strato molto sottile di materiale attivo che produce energia elettrica con l'esposizione alla luce. Questo strato, sottile più di un millesimo di millimetro, è composto da una sovrapposizione di due celle fotovoltaiche al silicio amorfo che lavorano contemporaneamente per la produzione di energia elettrica, da cui deriva la definizione di dispositivo "tandem". La tecnologia del silicio amorfo, alternativa al silicio cristallino, è la più consolidata delle "nuove" tecnologie fotovoltaiche ed è l'unica che permette di ricoprire superfici di notevoli dimensioni in un singolo processo di fabbricazione, essenziale per l'abbattimento dei costi di produzione industriali. Le dimensioni del modulo sono infatti di 30x30 cm e l'efficienza di conversione fotovoltaica ottenuta è pari all'8,6%. Tale valore di efficienza costituisce un record europeo, ed è anche un risultato di estrema rilevanza a livello internazionale, poiché si avvicina ai valori di conversione ottenuti con l'impiego di tecnologie analoghe nei paesi leader nel settore fotovoltaico, quali gli USA ed il Giappone.
Il livello di sviluppo della tecnologia dei film sottili a base di silicio amorfo raggiunto dal Centro di Portici, come già avvenuto per USA e Giappone, la rende una realtà disponibile a livello industriale, anche se in Italia il conseguimento di questo obiettivo si presenta difficoltoso per la ridotta crescita del comparto industriale nel settore fotovoltaico ed elettronico.
Il contributo che l'ENEA realizza nel settore fotovoltaico, che solo in parte è costituito dai risultati riportati sul silicio amorfo, potrà favorire lo sviluppo di un circolo virtuoso tra ricerca, industria e mercato, per una reale penetrazione commerciale di questa importante risorsa energetica rinnovabile.

L'industria fotovoltaica, che sta registrando una crescita del 15-20% all'anno, potrebbe trovarsi a fronteggiare nei prossimi anni un'offerta inadeguata di silicio cristallino sul mercato internazionale sia per l'accresciuta domanda di questa stessa industria che per quella delle industrie elettroniche. E' questa una situazione determinata dalla tradizionale dipendenza dell'industria fotovoltaica dall'industria dei semiconduttori nell'approvvigionamento della materia prima, che potrebbe comportare aggravi economici e porre limiti alla crescita del settore del fotovoltaico, già alle prese con le riduzioni della maggior parte dei budgets nazionali destinati a sostenerne lo sviluppo.
A fronte di queste difficoltà sono tuttavia da segnalare importanti sviluppi tecnologici emersi anche nel corso dell'ultima Conferenza europea sull'energia solare fotovoltaica, tenuta a Nizza nell'ottobre 1995. In occasione di questa conferenza è stato presentato un nuovo processo che consente, a partire da uno strato di semiconduttore sottile (inferiore a 50 micron) di silicio cristallino, di fabbricare una cella di efficienza superiore al 20% (per celle a film sottile a base di diseleniuro di indio e rame le efficienze ottenute fino ad ora sono intorno al 17%).
L'industrializzazione di un tale processo potrebbe avere evidenti implicazioni nella riduzione sia dei costi che delle quantità di materiale necessario per la fabbricazione dei moduli. Inoltre confermerebbe la possibilità che il silicio (mono e policristallino), almeno per il prossimo decennio, potrebbe continuare a dominare il mercato fotovoltaico (nel 1994 su 69,4 MWp di celle fotovoltaiche commercializzate a livello mondiale, 56,7 MWp sono stati di celle con silicio cristallino) contrariamente a quanto si pensava qualche anno fa.

 

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SOLAR POWER ROLLS WILL GIVE CONSUMERS JIFFY SUN POWER

ATHOL, Mass. (Service Wire)-Solar rolls bearing the consistency of heavy-duty plastic wrap designed to affix to your window shade for quick and easy solar power are being developed, a report says.
A research and development giant, Advanced Research and Development Inc. in Athol, Mass., and Argonne National Laboratory have embarked on a three-year project to produce "solar cells on a roll".
"You could roll down your awning in the sunshine and get power from it," says chemist Michael R. Wasielewski of Argonne. The researchers involved in the $1.8 million project are studying ways to attach metal electrodes to the filmlike solar cells. "One of our goals is to make these things so cheap that they would be almost disposable", Wasielewski said.

UN MODULO FOTOVOLTAICO PER LA COPERTURA DEI TETTI DELLE CASE AMERICANE

La United Solar Systems Corp. ha annunciato la commercializzazione di moduli fotovoltaici che esteticamente possono avere lo stesso aspetto o delle tegole asfaltate o di quelle metalliche utilizzate nelle coperture delle case americane. I moduli che simulano le tegole asfaltate hanno una lunghezza di circa 3 m e la larghezza di 30 cm. Sono fabbricate con celle fotovoltaiche di silicio amorfo disposte su uno strato sottile, flessibile e leggero di acciaio inossidabile e ricoperte da una pellicola di polimeri speciali. I moduli vengono installati come le normali tegole, sovrapponendoli, e sono collegati elettricamente nella parte sottostante attraverso dei fori presenti nella base del tetto. Circa 100 di queste tegole possono soddisfare il fabbisogno di energia elettrica di una casa americana. Le tegole sono prodotte in tre colori diversi in modo da rispondere alle varie esigenze architettoniche. La commercializzazione di questo nuovo prodotto, che dovrebbe rivoluzionare le modalità di integrazione del fotovoltaico sui tetti delle case americane e che è attualmente installato in diversi impianti dimostrativi, è prevista entro l'anno.

A ROMA 3 TETTI FOTOVOLTAICI REALIZZATI DALL'ENEL

Nel mese di febbraio sono stati inaugurati a Roma 3 tetti solari fotovoltaici installati a copertura di edifici e allacciati alla rete elettrica. Gli impianti sono frutto di una collaborazione tra ENEL e Ministero Federale tedesco per la Scienza, Ricerca e Tecnologia (BMBF), alla quale hanno partecipato l'ANIT (industria del gruppo Ansaldo e Agip) e la tedesca ASE (Deutsch Aerospace e Nukem). Un impianto è situato sull'edificio che ospita la Scuola Germanica; ha una potenza di 20 kW (380 moduli) e produrrà circa 28.000 kWh l'anno (10% dell'energia elettrica consumata dalla scuola); un altro impianto è stato montato sull'edificio della Direzione Generale dell'ENEL, ha una potenza di 3 kW e può produrre circa 4.200 kWh l'anno; la terza installazione si trova al Centro Nazionale di Controllo dell'ENEL e consiste in due impianti distinti: uno è posto sulla facciata e l'altro sul terrazzo su particolari cavalletti, insieme hanno una potenza di 2,6 kW e possono produrre 3.200 kWh/anno.

GIAPPONE: SUL MERCATO CASE COMPLETE DI GENERATORI SOLARI

Le società giapponesi Sekiushi House e la Misawa House hanno dichiarato che dall' aprile '97 metteranno sul mercato le prime case con un generatore fotovoltaico come dotazione standard. Il prezzo di questi alloggi è ancora piuttosto elevato, ma va considerato che il generatore consentirà di soddisfare il 90% di energia elettrica necessaria ad una famiglia di 4 persone.
L'impianto ha una durata che supera i 20 anni.
Gli incentivi previsti dal Ministero del Commercio e dell'Industria giapponese per i costruttori di questo tipo di abitazioni e la possibilità di vendere alle compagnie elettriche il surplus di elettricità prodotta dalle case stesse hanno stimolato questo settore commerciale. La Misawa ritiene di vendere 1200 case già entro la fine di quest'anno.

Cheap solar cells have their day in the sun
By Philip Cohen, San Francisco

Solar power may be on the verge of a commercial breakthrough: (…) three companies--Canon Japan, the Solarex Corporation of Pennsylvania, and the United Solar Systems Corporation, based in Michigan--will soon start marketing panels made from "amorphous" silicon, a more disordered form of the material that is cheaper and much easier to process into solar cells.
The silicon in solar cells absorbs photons of light and converts their energy into a flow of electrons. Conventional crystalline cells do this with an efficiency of around 12 per cent. Amorphous cells have always been less efficient, and grow worse with age. Light degrades the panels, which lose up to 30 per cent of their efficiency due to a phenomenon called the Staebler-Wronski effect. "This haunted the field," says the effect's co-discoverer, Christopher Wronski of Pennsylvania State University.
Scientists believe the Staebler-Wronski effect is partly due to "dangling", or unoccupied, chemical bonds of silicon atoms, which suck up some of the electrons freed by light. Over the past few years, researchers have discovered ways to limit the effect. Adding hydrogen gas to the silicon as cells are manufactured caps off many of the dangling bonds, and using thinner layers of silicon gives electrons a better chance of escaping. The cells' efficiency can also be increased by using multiple layers of silicon, which capture a broader spectrum of light, and adding traces of germanium to absorb longer wavelengths.
At last week's meeting, Jeffrey Yang and his colleagues at United Solar Systems announced that they have combined these tricks to make an amorphous silicon cell with an initial efficiency of a record 14.6 per cent. This declines only slightly, to 13 per cent, after 1000 hours' use. "There is nothing exotic that would preclude using this same technology on the assembly line," says Yang. Wronski believes that the companies will start by marketing amorphous cells with a stable efficiency of about 8 per cent, and then try to increase it. To compete head-on with fossil fuels, the cells will need a stable efficiency of about 15 per cent. Wronski is optimistic. "This field has moved slowly, but it's starting to take off," he says. "It's encouraging to see companies think that we've crossed some threshold, and bet money that the technology has a future."

Hydrogen as an Energy Carrier

In general hydrogen is considered to be the dominant energy carrier of the future together with electricity. Like any other energy carrier, hydrogen requires an energy source to be produced. The Thesis is a part of the project Hydrogen as an Energy Carrier at the Research Group for Energy Physics at the Department of Physics, University of Oslo. The aim of the project is to describe and optimize a production line for hydrogen based on solar energy.
The hydrogen is stored in a metal hydride storage container. Metal hydride is a chemical connection between a metal (or an alloy) and hydrogen. This kind of storage systems requires a somewhat advanced control system for correct and safe charging and discharging of the storage container. Since commercial systems of this kind was unfamiliar to us, the aim of the Thesis was to perform the systems analysis and the instrumentation of a control system for a specific (costume designed) metal hydride storage container.
In default of experimental experience with metal hydride storage systems, we decided to evolve a control system where the operator frequently gets information about the condition of the storage container and the charging/discharging processes through a graphical constructed front panel ran on a Macintosh computer. The system is based on the data equation program LabVIEW from National Instruments an a general purpose IO-interface with the microcontroller MC68HC705P9 from Motorola as the main unit.
The sensibility of the metal hydride require time-consuming testing of the control system. (In worst-case gases such as oxygen and nitrogen are able to destroy the storage container). For this reason the control system has not been operating the storage container it self, but the testing of dummy systems indicates that the control system will operate as expected.