Alternativ energi i undervisningen solcelleprojekt

Transkript

1 Alternativ energi i undervisningen solcelleprojekt På Den jydske Haandværkerskole har vi som en del af et større projekt (EFP projekt Solceller i undervisningen ) udarbejdet en lærebog (solcellenoter) og et opgavehæfte (opgavesamling solcelle). Materialet henvender sig primært til undervisningsbrug for elektrikere og stærkstrømsteknikere og er tænkt som et redskab til at foretage enkle beregninger og dimensionering af solcelleanlæg. Materialet er udviklet af Den jydske Haandværkerskole og DTI og finansieret af Energistyrelsen. Lærebogen (solcellenoter)indeholder fakta om forskellige solceller og deres virkemåde, opbygning af såvel stand alone som nettilsluttede solcelleanlæg. Teksterne er tilstræbt at være så kortfattede og konkrete som muligt. Under de enkelte afsnit er der henvisninger til kilde og yderligere information om det konkrete emne. Opgavehæfte (opgavesamling solcelle) indeholder beregningseksempler på solcelle anlæg, ud fra tal og korrektionsfaktorer m.m. Undervisningsforløb for elektrikere på grundforløbet strøm, styring og IT Eleverne arbejder under uddannelsen med forskellige projekter. Solcelleundervisningen integreres i to af projekterne, et kredsløbsmåleprojekt og et drømmehusprojekt. Forløbsplan for solcelleundervisning. Forløbet integreres i elevernes kredsløbsmåleprojekt 1 : Lektioner Emne Indhold 8 Måling på solceller Bygning af solcellebil 8 Måling og beregning Måling på paneler: Fastsætte Pmax, Umpp og Impp Ydelsen. Herunder hensyn til skygge, varme og retning mod solen Evt. tilslutning af stand alone anlæg Forløbsplan for solcelleundervisning. Forløbet integreres i elevernes drømmehusprojekt 2 : Lektioner Emne Indhold 8 Måling og beregning Nettilsluttet anlæg: Beregning af vekselretter Skygger, mismatch, varme og retning mod solen 12 Dimensionering og tilslutning Dimensionere et nettilsluttet solcelleanlæg der dækker ca. 10 % af drømmehusets elforbrug 1 Se projektbeskrivelse: Kredsløbsmåleprojekt 2 Se projektbeskrivelse: Drømmehusprojekt 1

2 Projektbeskrivelse: Kredsløbsmåleprojekt Indhold Kredsløbsmåleprojektet handler om at kunne måle og beregne på et svagstrømskredsløb med en max. spænding på 24 volt. De komponenter der skal arbejdes med er ohmske modstande, LED dioder, transistorer, osv. Det praktiske arbejde Du skal tegne og fremstille et måle/beregningskredsløb, der skal indeholde forbindelserne serie og parallel, således at du får et blandet kredsløb. Du skal udfærdige en skriftlig rapport over projektet, der indeholder dine beregninger. Du skal lodde kredsløbet på en printplade og montere den i en plastkasse som du fremstiller i plastafdelingen. Der skal være mulighed for at kunne måle både modstand, strøm og spænding aktuelle steder i kredsløbet. Projektet er tværfagligt med grundfagene matematik og informationsteknologi. Du opnår i arbejdet med dette projekt: Kendskab til brugen af diverse værktøjer At kunne lodde et færdigt printlayout Kendskab til diverse svagstrømskomponenter Et grundlæggende kendskab til ohm s lov, kirchoffs 1. og 2. lov, effektformlen samt en god almen viden om beregning på elektriske kredsløb At kunne indstille måleinstrumenterne korrekt for måling af strøm, spænding og modstand Begynderkendskab til fejlfinding på kredsløb Du lærer at: Tegne kredsløbet med de rigtige komponent symboler Dokumentere beregningerne for kredsløbets strømme, spændinger, modstande og effekter ved hjælp af de gældende lov og regneregler Redegøre for de anvendte komponenter Måle de aktuelle værdier for strøm, spænding og modstand med et multimeter Udfærdige det aktuelle print layout samt montere det i plastkassen Redegøre for fejlfinding Måle på solceller og paneler Der loddes og fremtidens bil testes 2

3 Projektbeskrivelse: Drømmehusprojekt Indhold Du lærer at udarbejde dokumentation for en boliginstallation i henhold til gældende love og regler. Det praktiske arbejde Du skal på en plantegning af dit drømmehus indtegne elinstallationen efter gældende love og regler. Du skal udvælge og opmåle materiale til installationen samt beregne tidsforbruget. Du skal monterer dele af elinstallation efter egen dokumentation samt udføre, idriftsætte og afprøve installationen efter gældende regler. Du opnår på begynderniveau: At kunne udfærdige dokumentation i henhold til gældende love og regler At kunne udføre lys og 3 faset motor installation i boliger efter gældende love og regler At kunne udvælge installationsmateriel og anvende dette i henhold til fabrikantens anvisninger At kunne udføre en mindre tele og datainstallation i boliger efter gældende love og regler At kunne tilslutte 1 og 3 fasede brugsgenstande At kunne opmåle materialeforbruget At kunne fejlfinde på og idriftsætte en installation efter gældende love og regler At kunne færdigmontere resten af din styringsinstallation Begynder kendskab til fejlfinding på relæstyring At kunne overføre teori til praksis At reflekterer over og kontrollere egen arbejdstid og arbejdsindsats At kunne måle og beregne på et nettilsluttet solcelleanlæg At udnytte din kreativitet Du lærer at: Tegne en plantegning med alle elinstallationer Dokumentere og redegøre for de gældende love og regler for en bolig installation Udfører stærk, svagstrøms og tele datainstallationer håndværksmæssigt korrekt under vejledning Udvælge og anvende elmateriel efter fabrikantens anvisninger. Dette også i forhold til el sikkerhed, miljø og sikkerhed på arbejdspladsen Foretage tilslutning til elforsyningsnettet, på baggrund af kendskab til produktion, transmission og distribution af elektrisk energi samt forsyningsnettes opbygning Skabe sikkerhed for personer og husdyr. Sikre en ejendom mod de farer og skader, som kan opstå ved normal brug af elektriske installationer, herunder chokstrømme og høje temperaturer Under vejledning at kunne foretage eftersyn og afprøvning før idriftsættelse af el installationen, samt foretage målinger på installationer og kredsløb med forskellige former for belastning Under vejledning udføre mindre automatiske anlæg, herunder tilslutte 1 og 3 fasede brugsgenstande samt motorer med forskellige styringsprincipper og standardkoblinger på baggrund af kendskab til de mest almindelige mekaniske styrer/føle organer, elektromekaniske relæer og tidsrelæer under vejledning Anvende dokumentation til at udføre mindre relætekniske opgaver Dimensionere og tilslutte solcelleanlæg 3

4 Den jydske Haandværkerskole Opgavesamling Solcelle KVU og El-lærlinge Ole Bønlykke og Lars Dam

5 2 Solcelle noter Indholdsfortegnelse Opgave Måling på enkelt celle... 3 Opgave Måling på enkelt panel... 4 Opgave Beregn standalone anlæg... 6 Side 2 af 8

6 3 Solcelle noter Opgave 1 Måling på enkelt celle Mål strøm og spænding ved fuld sollys, direkte mod solen 1. Volt 2. Ampere Mål U oc ( Spændingen over solcellen uden belastning ) Mål I sc ( Kortslutningsstrømmen ) U uc = I sc = Prøv at skygge for en del af solcellen, hvad sker der så? Målingerne kan ikke umiddelbart bruges til at beregne effekten på cellen, men giver et udtryk for cellens kvalitet. I den næste opgave vil vi forsøge, at finde den strøm og spænding hvor cellerne yder mest. Side 3 af 8

7 4 Solcelle noter Opgave 2 Måling på enkelt panel A Variabel modstand V Aflæs mærkepladen på panelet P max W U pmax V System spænding V Mål som i opgave 1. tomgangsspændingen og kortslutningsstrømmen U uc = I sc = Solintensitet W/m 2 Indfør værdierne i kurvebladet næste side. Pyranometer til måling af solintensitet Side 4 af 8

8 5 Solcelle noter I/A 1. Indsæt dine målinger U uc og I sc i kurvebladet til højre 2. Reguler på den variable modstand så strømmen stiger med 0,5A pr måling og aflæs spændingen. Se om du kan tegne en kurve som den vist nedenfor til højre. Det er ikke sandsynligt den bliver helt magen til, da det er et andet solcellemodul end det du måler på. 3. beregn nu P max og sammenlign med mærkepladen. 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0, U/V P max = U mpp x I mpp Beregning af Standalone anlæg Side 5 af 8

9 6 Solcelle noter Opgave 3 Beregn standalone anlæg Kilde Damgaard marine I en jagthytte ønskes følgende installeret: 3 lamper a` 10 W bruges 3 timer pr. dag 1 vandpumpe a`50 W bruges 10 min. pr. dag Vi regner med at bruge hytten hver weekend eller i ferier max.8 dage pr. måned, i perioden fra april til juli. Beregn solceller og Akkumulator. Manuel beregning: solceller = Akkumulator = solceller = Akkumulator = Side 6 af 8

10 7 Solcelle noter Måling og beregning på anlæg Opgave 4 Beregn den årlige ydelse for anlægget nedenfor: Anlægget skal nettilsluttes. Placeringen er stik syd. Areal areal: m 2 Solcellemodul faktor: Hældningsvinkel: 0 hældningsvinkel faktor: Orienteringsvinkel: 0 Orienteringsvinkel faktor: Vekselretter type: Vekselretter faktor: ( ) Beregning ved 1000(kWh/m 2 : Paneler på tag Panel nr Kabel længde Lednings. farve 18 m. 18 m. 20 m. 2* 2,5mm 2 2*2,5mm 2 2* 2,5mm m 22 m. 22 m. 24 m. 24 m. 33 m. 2* 2,5mm 2 2* 2,5mm 2 2* 2,5mm 2 2* 2,5mm 2 2* 2,5mm 2 2* 2,5mm 2 SH +BR BL +S SH +BR BL +S SH +BR BL +S SH +BR BL + S SH +BR Voc 20,35 V 20,59 V 20,62 V 19,74 V 21,46 V 19,49 V 20,24 V 21,36 V 21,36 V Isc 3,15 A 2,73 A 3,22 A 3,20 A 2,99 A 3,24 A 3,13 A 2,70 A 3,04 A Wp 30,36 W 28,96 W 30,07 W 27,28 W 31,12 W 30,79 W 27,59 W 29,58 W 31,96 W Hældning paneler 20 0 Solhøjde 25 o 20 Side 7 af 8

11 8 Solcelle noter Opgave 4 Solcelle anlæg til drømmehus I forbindelse med dit projekt drømmehus skal du udføre et nettilslutted Solcelle anlæg der dækker ca. 10% af boligens elforbruget. Side 8 af 8

12 1 Solceller Den jydske Haandværkerskole Solcelle noter El og KVU Ole Bønlykke og Lars Dam

13 2 Solceller Indholdsfortegnelse Forord...4 Solceller før, nu og i fremtiden...5 Fremtid...5 Eksempler fra Danmark i dag...5 Hvad er en solcelle?...6 Robust og driftsikker teknologi...7 Solcelleteknologi i Danmark Pionéranlæg...8 Eksempel på et solcelleanlæg fra Forskellige typer af solceller og teknologier...8 Forskellige typer af solceller og teknologier...9 Med eller uden ramme...9 Monokrystallinske celler...9 Polykrystallinske celler...9 Amorfe celler...9 Mest anvendte solceller...10 Nye metoder og materialer...10 Nano-flager...11 Integration af solenergi på forsyningsnettet...12 Vekselrettere...13 Generelt...13 Typer...14 Virkemåde...15 Faktorer med indflydelse på solcellens ydeevne...16 Solcellens virkningsgrad...16 Derfor er nogle solceller blå...16 Solceller skal afkøles...16 Undgå skygger...17 Dimensionering af nettilsluttede solceller...18 Bestemmelse af placering, modultype, modulstørrelse...20 Skyggers utilsigtede virkning...21 Beregning af årlig ydelse...23 Beregningseksempel...23 Dimensionering af vekselrettere:...24 Dimensionering af kabler...27 Ideel udenfor elnettet (Stand alone)...28 Eksempel (KildeThe Renewable Energy Handbook William H. Kemp )...28 Hybridanlæg...30 Elselskabernes rolle...31 Elnettet som lager...32

14 3 Solceller Lagring...32 Solceller i fremtidens byggeri...33 Bilag...34 Lovgivning...34 Bilag SB Afsnit 6A Kap

15 4 Solceller Forord Vi har her samlet fakta om forskellige solceller og deres virkemåde, opbygning af såvel standalone - som nettilsluttede solcelleanlæg. Her har vi foretaget beregnings eksempler på solcelle anlæg, ud fra tal og korrektionsfaktorer mm. udviklet af blandt andet af DTI og finansieret af energistyrelsen. Vi har tilstræbt at være så kortfattede og konkret som muligt. Under de enkelte afsnit er der typisk henvisninger til yderligere information og ophav om det konkrete emne. Solcelle noter henvender sig primært til undervisningsbrug for elektrikere og stærkstrømsteknikere og er tænkt som et redskab til at foretage enkelte beregninger og dimensionering af solcelleanlæg. Den jydske Haandværkerskole Lars Dam og Ole Bønlykke

16 5 Solceller Solceller før, nu og i fremtiden Den franske fysiker Alexandre Edmond Becquerel opdagede i 1839, at nogle kobberoxid elektroder kunne frembringe en elektrisk strøm, når de blev belyst. Charles Fritts fremstillede de første solceller af grundstoffet selen i 1880'erne, og forudså allerede dengang, at fremtidens bygninger ville være dækkede af solceller til elektricitetsproduktion. Rumforskningen som drivkraft Den første silicium solcelle, der havde en nyttevirkning på ca. 6%, blev fremstillet af Fuller, Pearson og Chapin i 1954 på Bell Laboratories i USA. I 1958 blev de første solceller sendt ud i rummet med satellitten Vanguard 1. Det var således udviklingen inden for rumfart og rumforskning der var drivkraften bag den udvikling, der skete med solcelle teknologien i 60'erne og 70'erne. Et af de mest kendte anlæg fra den periode er det amerikanske Skylab, der var forsynet med et solcelleanlæg, der havde en middeleffekt på ca. 20 kwp. Fremtid Det naturlige spørgsmål vil efterfølgende være hvor er vi nu og hvor er vi på vej hen? Hvor vi er på vej hen er naturligvis ikke let at spå om, men måske et par facts kan give et billede. I 2003 udgjorde produktionen af solceller 560 MW solcelle energi. I dag (2009) bygges der fabrikker, der enkeltvis er lige så store som den samlede verdensproduktion af solceller var for få år tilbage. ( Eksempler fra Danmark i dag 1. Eksempel: Det danske solenergiselskab Renewagy udvider sin aktiekapital her i Uanset kriser og hvad vi nu fokuserer på i øjeblikket, har det tyske selskab Colexon Energy besluttet, at tilbyde 1,1 mia. kr. for de nyudstedte aktier. Dette kan måske være en indikation på solcellens forventede betydningen som en fremtidig energikilde. 2. Eksempel: Det danske clentech-selskab Gaia Solar Blev grundlagt i 1996 og har over 300 afsluttede projekter. Et af disse, et solcelleanlæg er på Lunds Universitet tog prisen som årets solcelleanlæg i Sverige 2008.

17 6 Solceller Hvad er en solcelle? Den traditionelle solcelle består i korte træk af to forskellige typer silicium lagt ovenpå hinanden. Den ene type er beriget med boron og den anden med fosfor, således at de meget enkelt forklaret, har henholdsvis overskud af elektroner og mangler elektroner. En udligning mellem de to lag er ikke mulig. Det derved fremkomne elektriske spændingsfelt udnyttes ved at tilføre lys, lyset vil løsne elektroner i både det positive og det negative lag, hvilket yderligere forrykker den elektriske balance. Differencen mellem de to lag udgør en elektrisk spænding som illustreret af nedenstående. (*principskitse fra solceller i fremtidens byggeri) Solcellens følsomhed over for bestemte bølgelængder af lys afhænger af, om lyset kan passere cellens overflade, trænge igennem cellens øverste lag og stadig have tilstrækkelig energi til at skabe positive områder i PN-overgangen. Da der som før nævnt er en spændingsforskel, og det indtrængende lys overfører energi til frie elektroner, kan solcellen optræde som en elektromotorisk kraft-kilde - en generator. I klart vejr leverer silicium cellen ca. 0,5 Volt og ca. 25 ma for hver kvadratcentimeter overflade, eller med andre ord mw/cm 2 eller W/m 2. PEC-cellen, er en helt speciel type tyndfilmcelle, der udmærker sig ved at være billig at fremstille. PEC står for Photo Electro Chemical. Selve cellen består af et sandwichelement af to elektroder adskilt af en elektrolyt. Den aktive elektrode, fotoelektroden, består af halvledermaterialet titandioxid samt et farvestof. PEC-cellen virker principielt som fotosyntesen idet fotoner fra solen omsættes via et farvestof og et bæremateriale til energi,

18 7 Solceller der i naturen bidrager til plantens vækst og i PEC-cellen giver elektrisk energi. Kort fortalt fungerer cellen ved at en foton rammer farvestoffet, hvorved farvestoffet får tilført energi og en elektron overføres gennem halvlederen ind til bagkontakten. Farvestoffet regenereres af elektrolytten. Elektrolytten kan så igen regenereres ved tilførsel af en elektron ved modelektroden og kredsløbet er således etableret. Siliciummet udvindes af kvarts, som findes i store mængder i naturen. Det skal dog gennem en lang og krævende forarbejdningsproces (herunder rensning og energikrævende smeltning), for at det kan anvendes til solceller. Dette er den væsentligste årsag til solcellernes høje kostpris. Produktionsprisen er dog faldende samtidig med at effektiviteten stiger. Det betyder, at solceller i dag kan være et godt supplement til husstandens elforsyning, derudover er en nye typer solceller baseret på nanoteknologi på vej ud på markedet denne type forventes at bliver både billigere og bedre. Almindelige solceller kan omdanne 9-15 % af sollysets energi til el, men de nyeste og bedste typer kan udnytte op til 40 % af den indstrålede energi. Robust og driftsikker teknologi Da omsætningen af lys til elektricitet sker helt uden bevægelige dele, er der tale om en meget robust og driftsikker teknologi. Blandt andet derfor har solceller længe været brugt i rumfarten, og senere på fjerntliggende installationer rundt om på jorden. Fremstillingsomkostningerne er imidlertid faldet drastisk og effektiviteten øget, så solceller i dag er relevante i mange sammenhænge til elforsyning i stor eller lille skala.

19 8 Solceller Solcelleteknologi i Danmark 2009 Pionéranlæg Først sidst i 70'erne kom solcelleteknologien til Danmark. Støttet af det danske energiforskningsprogram (EFP-82) etablerede Jysk Telefon i 1983 i samarbejde med vindmøllefabrikken Dansk Vind Teknik og batteriproducenten Lyac et hybrid stand-alone forsøgsanlæg bestående af et solcelleanlæg på 4,4 kwp, en vindmølle på 20 kw, et batterilager på 132 kwh og et 12 kw diesel-generator anlæg. Hensigten var at demonstrere sol/vind/diesel anlæg som elforsyningskilde for fjerntliggende telekommunikationsanlæg med høje krav til driftspålidelighed. Anlægget, som blev opsat ved en telefon landcentral i Ølst syd for Randers, fungerede frem til 1989, og solcelledelen af anlægget er stadig i drift, og er således et af Danmarks ældste kørende solcelleanlæg. Eksempel på et solcelleanlæg fra 2003 Siden den gang i 70érne er der naturligvis sket rigtig meget, et eksempel på det kunne være et andet anlæg fra Randers. I 2003 renoverede man beboerhuset J. V. Martins plads 3, i Randers. Anlægget på ca. 150m 2 blev opført med tilskud fra Energistyrelsen, ( og Randers Kommune ( ). Tekniske data: Areal:I alt 150m 2 solceller orienteret med syd, hældning 45 grader Moduler:183 stk Beregnet årsproduktion:den installerede effekt på 12 kw leverer kwh om året eller som 3 almindelige husstandes elforbrug. Ydelsen svarer til 781 kwh/kwp* Monteringssystem: Der er tale om et rammesystem i form af ekstruderede aluminiumsprofiler, som kan anvendes til alle fabrikater af solcellelaminater. I kraft af valgfriheden er det et meget fleksibelt system som vil stille arkitekterne fri mht. valg af solceller og dermed tagets arkitektoniske udtryk. Solcellemodul: Lavpris 25 DKK/Wp polykrystallinske solcellelaminat, med en pris på 25 kr. pr. Watt. Nettilslutning: 5 stk. Fronius Maxi vekselrettere. *kwp ~ Nominel ydelse 1kWp = 1kiloWattpeak; betyder den standardiserede eller nominelle topydelse af et solcelle modul. Den nominelle ydelse for en solcelle/fotovoltisk celle, moduler eller rækker af moduler under internationalt specificerede test forhold: dvs. 1000W/m 2 indfaldende sollys og en celle temperatur på 25ºC. kwh/kwp ~ Specifik ydelse Dette parameter repræsenterer målt netto energi til nettet divideret med modulets nominelle effekt. Kan ligesom kwp bruges som mål for både en celle, et modul eller et helt system af moduler.

20 9 Solceller Forskellige typer af solceller og teknologier Med eller uden ramme Et standard solcelle-panel varierer i størrelse fra 0,4-1,5 m 2. De fleste standardpaneler leveres med fast ramme, men kan også leveres rammeløse. Disse er specielt velegnede til bygningsintegration, hvor solcellepaneler f. eks. kan indgå til erstatning for glas i almindelige kendte profilrammesystemer. De fleste solceller, der findes i handelen i dag, er siliciumbaserede. Der findes primært tre forskellige typer. Man betegner dem henholdsvis monokrystallinske, polykrystallinske og amorfe solceller. Monokrystallinske celler Monokrystallinske celler er skåret af en rund siliciumblok. Som regel bliver cellerne dog skåret til, så de bliver kantede. Det gøres for at få mindre afstand mellem cellerne i panelet. De fremtræder oftest med en ensartet grå eller sort bund. Monokrystallinske celler er de mest effektive, men er også de dyreste. Polykrystallinske celler Polykrystallinske celler består af store siliciumkrystaller, som er dannet ved støbning direkte i en firkantet form. De forskellige krystalretninger i cellen giver et stærkt blåt farvespil i lyset. Amorfe celler Amorfe celler optræder i tyndfilmsform. De kendes f. eks. fra lommeregnere. De kan udfores i så tynde film, at lyset kan skinne igennem. Effekten er dog væsentlig lavere end hos de krystalliske, men de er også tilsvarende billigere, og der sker en stor udvikling på området.

21 10 Solceller Mest anvendte solceller De monokrystallinske siliciumceller er i dag dominerende til professionelt brug som f. eks. kommunikation og energiforsyning i afsides områder. Fordelene er en relativt høj virkningsgrad og en stabil drift i mange år. Ulemperne, er en høj pris, da cellerne ikke er egnede til masseproduktion. Mange spår derfor at tyndfilmcellerne (amorft silicium) vil vinde større udbredelse i fremtiden. Fordelene er væsentligt lavere priser på grund af en kontinuerlig produktion. Ulemperne er, at disse typer ikke har så høj en virkningsgrad som de krystallinske og at ydelsen falder mere i løbet af panelets levetid. Begge forhold bliver dog løbende forbedret. Nye metoder og materialer En af dem der er langt i udviklingen af PEC-cellerne er Teknologisk Institut i Taastrup. PEC-celler efterligner fotosyntesen. Cellen er en sandwich mellem to glasplader, der er belagt med elektroder. Øverst ligger det fotoaktive lag. Laget består af nanopartikler af halvlederen titaniumdioxid (TiO 2 ; hvide kugler), som er dækket af et farvestof (pink), der fanger sollyset. Hver gang en foton rammer farvestoffet, sendes en elektron på arbejde i et elektrisk kredsløb. Næste lag er elektrolytten (gult), som erstatter den tabte elektron i farvestoffet, og som selv regenereres med en elektron, der vender tilbage fra kredsløbet. PEC-celler udnytter typisk 5-7 procent af sollysets energi, og rekorden er 13 procent. Tests i laboratorier viser, at den første generation af cellerne har en levetid er over 10 år. Levetiden og ydelsen skal hæves og prisen sænkes før PEC-cellerne er rentable men det forventes at vil ske inden for den nærmeste fremtid.

22 11 Solceller Skal solceller have en større udbredelse er der tre indlysende faktorer der skal være på plads. Prisen skal være rigtig. Ydelsen skal være acceptabel. Solcellen skal have en tilstrækkelig stabilitet. På Risø er man langt fremme med en plastsolcelle der står over for et kommercielt gennembrud. Man taler om en stabil solcelle med en produktionspris til omkring en krone, der mangler kun lidt effektivitet i, at den kan honorer de tre før nævnte faktorer. Den meget lave pris kombineret med de fysisk meget små dimensioner metaltykkelser på nano mm eller mindre, åbner for et utal af muligheder. Nogle oplagte muligheder i fremtiden er, at man f.eks. kan trykke solcellerne på stof det kan f.eks. være på rygsækken, så brugeren kan oplade sin mobiltelefon eller lignende. Nano-flager Måske findes løsning på plastsolcellens manglende effektivitet i en dansk opfindelse? Den danske forsker Martin Aagesen ved Nano-Science Center på KBH universitet har udviklet en metode hvor nano-flager skal gøre solceller dobbelt så effektive, som de man kender i dag. Solcellen bliver samtidig meget billig, idet den kun anvender en procent af den meget dyre silicium som anvendes i de almindeligt kendte solceller.

23 12 Solceller Integration af solenergi på forsyningsnettet Solcellerne producerer jævnstrøm, der kan lagres i akkumulatorbatterier. Når solcellerne skal tilsluttes det offentlige elnet benyttes en elektronisk enhed, en såkaldt inverter, der omdanner jævnstrømmen til vekselstrøm. Inverteren frekvensstyres fra netfrekvensen, og den synkroniseres automatisk når den tilkobles elnettet. Når et solcelleanlæg tilsluttes det offentlige elnet fungerer det således: Ved megen sol og stort elforbrug produceres der alene til eget forbrug. Ved megen sol og lille forbrug leveres til elnet. Ved ringe sol forsynes fra elnet. Princip skitse (Kilde The Renewable Energy Handbook William H. Kemp )

24 13 Solceller Vekselrettere Ovenstående er eksempler på vekselrettere af mærket FRONIUS Generelt Vekselrettere, til forskel fra ensrettere, omformer som navnet også antyder jævnspænding til vekselspænding, eller jævnstrøm til vekselstrøm. Vekselrettere kan være små simple enheder der tilsluttes i bilens lighterstik og leverer 230 Vac til en barbermaskine eller ligende. Det kan også være enhederne i Konti-skan forbindelsen hvor meget store elektriske effekter, op til 1000 MVA, som højspændings jævnstrøm sendes gennem kabler under Kattegat og så på landsiden igen omdannes til vekselspænding. En meget stor del af de vekselrettere vi kender i dag anvendes i frekvensomformere, enheder der anvendes til hastighed- og belastningsstyring af vekselstrømsmotorer. Frekvensomformeren omformer elnettets frekvens på 50 Hz til en variabel frekvens, de kan være 1- eller 3- fasede, og varierer i størrelse fra enheder, der er så små at de kan indbygges direkte i små cirkulationspumper til store enheder for højspændingsmotorer på mange MW. Vekselrettere til solcelleanlæg opdeles i de følgende to anvendelsesområder: Vekselrettere til Ø-drift (Stand-alone) Vekselrettere til nettilslutning. Begge typer har fælles træk, men er meget forskellige i udformningen af deres kontrolkredsløb. Den første skal kun levere energi når brugerens belastning kræver dette, den anden skal til enhver tid levere og omforme al den solenergi, der er tilgængelig i solcellerne.

25 14 Solceller Stand-alone vekselretteren er beregnet til at arbejde uafhængig af forsyningsnettet. Den har bl.a. en indbygget 50 Hz frekvensgenerator således at den kan levere en standard vekselspænding. Den nettilsluttede vekselretter adskiller sig fra stand-alone enheden ved at den kun kan fungere når den er tilsluttet et forsyningsnet. Den benytter normalt netfrekvensen til at styre sin egen frekvens således at den altid er synkroniseret med forsyningsnettet. Samtidig har den forskellige styresystemer, der måler den tilgængelige solcelleeffekt og sørger for at så stor en del som muligt af denne effekt den bliver sendt ud på nettet. Typer I det nuværende stade for solcelleanlæg skelnes der mellem følgende 3 hovedtyper for vekselrettere: Centralvekselrettere. Det er vekselrettere der er beregnet til relativt store solcelleanlæg og hvor der typisk kun er installeret een vekselretter til hele anlægget. De enkelte solcellemoduler er normalt forbundet i mindre serieforbundne grupper som så igen er samlet i een stor parallelforbundne enhed. De kan være i størrelsesordenen fra 2 kw og opefter. Strengvekselrettere. Her er vekselretteren forberedt til at der direkte kan tilsluttes een eller flere sæt af serieforbundne solcellemoduler (strenge) på klemmer i selve vekselretteren. De fås i størrelser fra 500 W og op til et par kilowatt. Modulvekselrettere. Det er små vekselrettere, normalt på 100 til 200 W, der af fabrikanten er monteret direkte på det tilhørende solcellemodul. Der bliver således ikke behov for nogen egentlig DC-installation. Denne kombination med en fabriksmonteret vekselretter direkte på solcellemodulet kaldes også for AC-moduler. AC-moduler er nok dem der har det største potentiale mht. at gøre solcellesystemer billigere. Der kan laves et systemdesign med en høj modularitet samtidig med at installationsomkostninger og kabeltab mindskes. Denne inddeling i forskellige typer går primært på vekselretterens anvendelse. Kravene til de funktionsmæssige og sikkerhedsmæssige faciliteter er derimod de samme uanset vekselretterens anvendelse og størrelse.

26 15 Solceller Virkemåde De bedste og mest effektive vekselrettere bruger den såkaldte pulsbredde modulation. Det er et system med højeffekt transistorer, der i et styret forløb tænder og slukker for strømmen i korte og længere intervaller. Når disse pulstog med strømme derefter sendes igennem et filter med spoler og kondensatorer bliver de til en ren sinusformet strøm med et meget lille indhold af overtoner. Større vekselrettere, 10 kw og derover, kan arbejde efter andre principper, men de skal ikke omtales nærmere her. *Pricipskitse kilde Dansk Solenergi RI

27 16 Solceller Faktorer med indflydelse på solcellens ydeevne Solcellens virkningsgrad Solstrålingen udenfor jordens atmosfære, solarkonstanten, er ca W/m 2. Ved jordens overflade er solintensiteten i Danmark omkring 1000 W/m 2 på en klar sommerdag. Virkningsgraden i en solcelle udregnes som forskellen i procent mellem den indstrålede effekt {Watt} pr. arealenhed og den af solcellen leverede effekt. Der skelnes imellem den teoretiske virkningsgrad, laboratorievirkningsgrad og praktisk virkningsgrad. Det er den praktiske virkningsgrad, der har størst interesse for brugere af solceller. Silicium solceller har en teoretisk virkningsgrad på ca. 30 % og en praktisk virkningsgrad på 16 til 18 %. Derfor er nogle solceller blå Sollyset har sin maksimale relative intensitet i området 450 til 500 nanometer - i det blå lys område. Det er derfor vigtigt, at solcellen fremstilles således, at dens maksimale følsomhed ligger tæt her på. Når man betragter en solcelle, er den blålig. Det er fordi det blå lys bliver delvis reflekteret fra cellen. En typisk silicium solcelle har sin største relative følsomhed i området 700 til 900 nanometer - altså i det infrarøde område. Dette manglende sammenfald er en af årsagerne til, at solceller ikke har nogen særlig høj virkningsgrad, og dette er et af de områder, der udvikles på. Solceller skal afkøles En anden væsentlig årsag til den lave virkningsgrad er reflektioner fra cellens overflade. Dette kan modvirkes ved antirefleks belægninger eller ved at udforme cellens overflade som mange små pyramide-strukturer. Solcellernes virkningsgrad nedsættes også ved stigende temperatur (gælder ikke de amorfe solceller), og de kan ødelægges, hvis temperaturen i længere tid overstiger den af fabrikanten angivne max værdi.