Solcelletag til Dronningegården

Transkript

1 Solcelletag til Dronningegården af Lars Yde April 2002 Projektet er udført med tilskud fra det 3-årige udviklings- og demonstrationsprogram for bygningsintegrerede solceller som administreres af Energistyrelsen. J.nr /

2 Solcelletag til Dronningegården af Lars Yde FC-print April 2002 ISBN

3 INDHOLDSFORTEGNELSE: BAGGRUND 4 STATE OF THE ART 4 BYGNINGSINTEGRATION 5 ALUMINIUMSPROFILER 5 ELEKTRISK DESIGN 11 EFFEKT 12 TOMGANGSSPÆNDING 13 MPP (MAXIMUM POWER POINT) 13 ØKONOMI 14 PRISANALYSE 15 KONKLUSION 17 BILAG 1: TEKNISKE DATA 18 BILAG 2: KSC CERTIFIKAT 19 3

4 Baggrund State of the art Det evigt tilbagevendende problem med solceller er, at de er for dyre. Selv når man tager alle solcellernes gode egenskaber til indtægt, er prisen pr. produceret kwh som oftest skræmmende. Der er dog områder, hvor solceller allerede i dag kan konkurrere på almindelige markedsvilkår. Det er f.eks. i geografiske områder, som ikke kan nås med det offentlige forsyningsnet. Der findes således i USA ca hjem, som er selvforsynende med energi, hvor solceller indgår som en del af systemet. I Danmark samler interessen sig omkring bygningsintegrerede systemer, idet man her ved at anvende solcellemoduler, så de erstatter andre materialer, kan tilskrive materialebesparelsen solcelleanlæggets økonomi. Det kan være moduler, som anvendes til facadebeklædning, hvor de erstatter andre dyre beklædninger som f.eks. granit, aluminium eller glas med silketryk. Cellerne kan også integreres i en bygnings vinduer og derved erstatte vinduesglas. Det kan være facadevinduer eller tagvinduer. Der findes i dag på markedet tre forskellige typer solcellemoduler. Det er: 1. Monokrystallinske 2. Pollykrystallinske 3. Tynd Film Silicium (TFS) De krystallinske moduler er de dominerende. Virkningsgraden for tyndfilmceller er kun den halve af, hvad den er for krystallinske celler, men det er ikke nødvendigvis en ulempe. Anvendes PV moduler som facade- eller tagbeklædning, er der ofte store arealer til rådighed. De kan være så store, at der ikke er råd til eller brug for, at hele arealet dækkes. Det kan give nogle arkitektoniske vanskeligheder, idet PV modulerne så skal harmonere med en anden facadebeklædning. Ved at bruge TFS moduler kan hele facaden beklædes, uden at det bliver urimeligt dyrt. 4

5 Bygningsintegration Den oprindelige ide var at beklæde de to tagflader 100% med tyndfilmceller af fabrikatet Intersolar. Erfaringerne fra projektet Facadebeklædning med TFS-solceller gjorde det imidlertid nødvendigt at finde en anden løsning. Ydelsen fra disse celler faldt i løbet af få måneder til ca. 50% af den nominelle ydelse. I forbindelse med et elektrificeringsprojekt i Mali havde Folkecenteret fået tilbudt solcellepaneler fra GAIA Solar til en relativ lav pris. Modulerne var opbygget af såkaldte skrapceller fra Shell. Det er celler, som er frasorterede på grund af misfarvning, beskadigelse eller for lav ydelse. Da lav ydelse netop er en fordel, når det gælder tagbeklædning, var det en oplagt mulighed at bruge denne type moduler. Ved at få leveret modulerne som laminater, dvs. uden rammer og med en billig junctionbox uden eksterne kabler og stik lykkedes det at få prisen ned på samme niveau som tyndfilmcellerne. Aluminiumsprofiler Konceptet, hvor et standard drivhusprofil anvendes til bygningsintegrering af solenergianlæg, er ikke ny. Nogle af de allerførste solvarmeanlæg, som blev installeret i Danmark sidst i halvfjerdserne, anvendte den samme profil. Selve solabsorberen i form af en panelradiator blev placeret oven på et undertag og dækket med et lag glas monteret i drivhusprofiler. Mange af disse anlæggene er stadig i brug. 5

6 Som det kan ses af ovenstående tegning, er der tale om en meget enkel og økonomisk konstruktion. Der blev indhentet en prisliste fra elinstallatøren med en samlet sum for et nøglefærdigt anlæg på kr., svarende til 30 kr. pr. watt før tilskud. Efterfølgende meddelte GAIA Solar, at deres garanti bortfaldt på panelerne, hvis de ikke blev monteret med gummi på både overside og underside. Det har derfor været nødvendigt at anvende en dyrere glasliste samt en ekstra gummiliste. Denne løsning støttede elinstallatøren også, idet han fandt den oprindelige glasliste for klejn. 6

7 GAIA Solar var desuden ikke tryg ved, at panelerne blev taglagt. D.v.s. at et panel overlapper det næste i rækken vertikalt. Det var derfor nødvendigt at ændre konstruktionen således, at samlingen mellem to paneler horisontalt sker v.h.a. et H-profil. Disse erfaringer giver anledning til nogle generelle overvejelser i forhold til præmisserne for det treårige program, som støtter dette projekt. Programmet kræver, at udvikling og demonstration sker i samme projekt. Det kræver, at der er en bygherre, som er parat til at tage et par hundrede tusinde kr. op af lommen og bruge den på et forsøg med den usikkerhed, det indebærer. Det er derfor ikke underligt, at flere projekter er gennemført med egenfinansiering via andre støtteordninger, i tilfældet Dronningegården kvarterløftsmidler. 7

8 Dernæst skal leverandørerne levere en vare med normale garantier. Det siger sig selv, at disse rammer for forsøg er meget snævre. I dette projekt var der valgt en løsning med en standard aluminiumsprofil, som anvendes til professionelle væksthuse. Der er i Danmark installeret i størrelsesordenen 5 millioner m 2 med dette profil, og det har været anvendt i mindst 30 år. I et drivhus anvendes der ikke hærdet glas, og der er ikke noget undertag. På Dronningegården er solcellerne lamineret med hærdet glas, og der er et vandtæt undertag. Disse kendsgerninger har ikke kunnet overbevise leverandørerne af anlægget om, at den i ansøgningen anførte løsning er fuldt forsvarlig og sikker. Da det er leverandørerne, som skal stille garantierne, er det dem, der bestemmer. Det har medført nogle mindre, men relativt dyre modifikationer. De ekstra gummilister kostede 10 kr. pr. meter og den kraftigere sprossehætte 6 kr. ekstra pr. meter. I alt en merudgift på 26 kr. pr. meter sprosse idet der er to sæt gummilister i en sprosse. Den oprindelige pris på sprosse, gummilister og sprossehætte var henholdsvis 27 kr., 6 kr. og 5 kr. pr. meter sprosse. I alt 38 kr. D.v.s. en fordyrelse på 68%. Test af solcellelaminater. Inden den endelige beslutning blev truffet om at skifte fra amorfe laminater fra Intersolar til krystallinske laminater fra GAIA Solar, blev der fremstillet en prototype, som blev ydelsestestet af SolEnergiCenteret. Se testresultatet nedenfor som var yderst tilfredsstillende. 77 W fra et 70 watt panel. 8

9 9

10 Som kvalitetskontrol af de 155 laminater, som blev fremstillet til Dronningegården, blev der udtaget 8 til test ved ydelsesmåling Det var aftalt, at modulerne skulle leveres i fem klasser i et multiplum af strenglængden. F.eks. hvis der var 6 paneler i en streng, skulle der leveres f.eks. i alt 162 moduler, fordelt som følger: Klasse 1 (62 Wp): 18 stk. (-8 watt) Klasse 2 (66 Wp): 24 stk. (-4 watt) Klasse 3 (70 Wp): 78 stk. Klasse 4 (74 Wp): 24 stk. (+4 watt) Klasse 5 (78 Wp): 18 stk. (+8 watt) Således at den gennemsnitlige effekt af alle panelerne blev 70 W. Der skulle udtages mindst 5% af de 155 laminater svarende til 8 stk. med mindst et laminat fra hver klasse. Laminaterne blev leveret i følgende grupper og antal. Da 155 stk. á 70 watt giver watt ses det, at leverancen til fulde lever op til det aftalte. Wp områdfekt Nom. ef- Celle Stk. Samlet Effekt 63-66,9 64 1, ,9 68 1, ,9 73 1, ,9 77 1, ,9 81 1, Sum =

11 De 8 laminater, som blev udtaget ved stikprøvekontrollen af SolEnergiCenteret (Prøvestationen), blev målt igennem med følgende resultater ved brug af GAIA Solars solsimulator: Ref Panel nr. Uoc Isc Vp Ip Pnom nr Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 1.4% 0.8% -0.1% 0.1% -0.6% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 0.3% -3.3% 3.8% -4.0% -0.5% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 0.7% -0.5% 1.8% 2.1% 3.1% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 1.2% 2.8% -1.3% 4.7% 3.2% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 0.7% -1.8% 8.1% -4.9% 3.1% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 1.1% -2.6% 1.7% -0.6% 2.1% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 1.1% 0.8% 5.3% -0.6% 5.0% Forskel i % Oplyst på mærkeplade Målt af Prøvestationen 0.4% 0.6% 6.4% -0.3% 5.3% Forskel i % Den gennemsnitlige effekt af de 8 laminater målt af Prøvestationen kan beregnes til 76,5 watt. Elektrisk design Elektrisk design er et puslespil, hvor husets og laminaternes fysiske mål skal matches arkitektonisk samtidig med, at solcellefeltet elektrisk skal deles op i et antal strenge, som elektrisk skal matche en eller flere invertere, som omformer jævnspændingen fra solcellerne til vekselspænding, som sendes ind på husets elnet. Kabelføringen fra panel til panel og videre frem til inverteren udgør den største del af monteringsarbejdet på et solcelleanlæg. Det er derfor helt afgørende, at anlægget designes således, at kablerne bliver kortest muligt, hvilket opnås ved at koble flest mulige laminater i serie i hver streng. Det stiller krav til inverterne om at kunne klare en høj indgangsspænding. De invertere, som kan det, er ikke nødvendigvis de billig- 11

12 ste, hvorfor den billigste løsning kan være at trække nogle få ekstra kabler for til gengæld at kunne bruge en billigere inverter. Designet til Dronningegården blev kompliceret af, at anlægget skulle deles op på to tagflader vinkelret på hinanden. Den ene 30 grader fra syd og den anden 60 grader fra syd. Tagfladen 30 grader fra syd har desuden en eftermiddagsskygge fra nabohuset. Som det fremgår af ovenstående testresultater, så er der en vis spredning i laminaternes ydelse. Hvis to laminater med forskellig ydelse, hvilket i praksis betyder forskellig strøm, kobles i serie, således at strømmen fra den ene skal passere igennem den anden, vil strømmen blive bestemt af det dårligst ydende laminat. Det er derfor vigtigt, at laminater med samme ydelse(strøm) placeres i samme streng i serie med hinanden. Effekt Det endelige design kom til at bestå af 4 stk. FRONIUS Maxi invertere. Hver inverter kan maksimalt aftage 3 kw fra et solcellefelt, før den begynder at derate. Det vil sige at arbejdspunktet flyttes til en højere spænding, hvorved strømmen falder kraftig og dermed solcellernes ydelse. Dette sker for at beskytte inverteren mod overbelastning. På de to tagflader blev arealerne mellem altanerne udfyldt med solceller, medens tagfladerne ovenover altanerne og trekanterne ved gavlene blev holdt fri for solceller. Ligeså en flade tæt på nabohuset, som er i skygge sidst på eftermiddagen. 12

13 Det gav plads til 152 laminater á 70 W. I alt watt. Fordeles denne effektligeligt på 4 invertere, giver det watt til hver. Da anlægget skal fordeles på to tagflader, og fordi 152 laminater fordelt på strenge med 8 laminater i hver giver 19 strenge, var det ikke muligt. Det blev derfor til 3 invertere med hver 5 strenge og en inverter med 4 strenge. Inverterne med 5 strenge vil således skulle aftage 5 x 8 x 70 = watt. Da der også skal betales for den inverterkapacitet, som anlægget ikke kan udnytte, ses det, at matchningen er ganske god. Tomgangsspænding Fra tagrende til tagryg er der plads til 4 laminater. Ved at forbinde 2 vertikale rækker i serie blev kabelarbejdet mindst muligt. Hver laminat kan ubelastet maksimalt give 24 Volt og 8 i serie give 192Volt. Da inverteren maksimalt kan tåle 350 Volt på indgangen, er 192 Volt på den sikre side, også når der tages hensyn til, at spændingen vil stige med ca. 4%, hver gang temperaturen falder 10 o C under standardtemperaturen, som er 25 o C. Det betyder, at ved -10 o C vil tomgangsspændingen blive 219 Volt. MPP (Maximum Power Point) Det optimale arbejdspunkt for et laminat er ved standardbetingelserne ca. 19 Volt. Med 8 i serie giver det 152 Volt. Inverterens MPP tracker kan arbejde indenfor et vindue fra 120 til 280 Volt. Det betyder, at selv ved et spændingsfald på ( ) 32 Volt p.g.a. temperaturstigning på solcellerne, så vil inverteren kunne arbejde i det optimale arbejdspunkt. Der vil sige med den kombination af strøm og spænding, som giver den største effekt. Omregnes 32 volt til % af 152 Volt giver det 21%. Da 4% svarer til 10 o C temperaturstigning svarer 21% til 52,5 o C. Standardtemperaturen er 25 o C, hvilket betyder, at MPP trackeren vil arbejde optimalt helt op til ( ,5 ) 77,5 o C. Det kan således konkluderes, at det er lykkedes at matche solcellefeltet og inverterne mht. effekt, tomgangsspænding og MPP. 13

14 Økonomi Økonomien var i ansøgningen baseret på billige TFS celler. Da det i projektforløbet viste sig, at laminater med krystallinske celler kunne fås til ca samme pris, blev de valgt. Herefter blev anlægget designet, og der blev indhentet priser fra Elinstallatør EL Jacobsen. Se nedenfor. Dronningegården, Solcelleanlæg Prisliste Regning kr. kr. 3 stk. Invertere á , stk. Invertere á , m. Alusprosser á 27, stk. sprosse hætter á 7,40 pr. stk 5,- pr. m 1302 Sprossehætter 264 m á 11, H-profiler 9550 Skruer til do Gummiliste 2x264 m 1584 Gummiliste 2x264 m á (10,57 + 5,33)/m 7914 Fragt fra GAIA til Randers Fragt til Randers

15 Opklodsning af profiler Kabel 1x2,5 mm² PVIK Solpaneler i alt Diverse småting Dioder og boxe 1490 Montering Manual 5000 Dækningsbidrag/diverse m.m Bankgaranti 3000 I alt excl. moms I alt incl. moms Det er pr. watt excl. moms Som beskrevet tidligere i denne rapport blev det i projektforløbet nødvendigt at foretage nogle fordyrende konstruktive ændringer i monteringsmetoden for solcellelaminaterne. Kolonnen længst til højre (Regning) viser de økonomiske konsekvenser det medførte sammen med de poster, som var glemt i prislisten. Prisanalyse Nedenstående skema viser hvorledes udgifterne fordeler sig på de forskellige hovedposter samt de tilsvarende nøgletal udregnet som pris pr. m 2 og pr. watt. 15

16 Regnskab for PV GAIA 70 W delvis tagbeklædning, kr./stk. kr./m kr./m 2 kr./w kr./w GAIA moduler 84 W/m 2 (1480x560) = 0,83 m ,30 20,30 Alusprosser ,67 Glaslister ,27 Skruer 1 2 0,03 Gummiliste ,75 H-profiler ,90 Opklodsning ,50 3,12 Alt monteringsarbejde 317 3,78 3,78 Inverter 4 stk W ,08 Kabler mm. 82 0,97 5,05 Fragt ,41 Overhead ,94 Manual ,47 Bankgaranti ,28 2,11 I alt ,36 34,36 Det ses, at monteringsarbejdet og monteringssystemet tilsammen udgør ca. 50% af de udgifter, som ligger ud over selve solcellerne. Medens prisen på solcellerne i høj grad er bestemt af det internationale marked og derfor vanskeligt at påvirke, så er monteringsarbejdet og monteringssystemet bestemt af nationale priser og det valgte monteringssystem. Det er derfor på disse to poster, at der især er muligheder for besparelser på fremtidige projekter. 16

17 I følge ansøgningen er det projektets mål at vise, at det er muligt at etablere et tagintegreret solcelleanlæg med en direkte tilbagebetalingstid på 10 år under forudsætning af 50% støtte og godskrivning af anlæggets værdi som tag. De realiserede priser blev som vist i nedenstående tabel: Finansieringsplan kr. Anlægspris % tilskud Omkostninger efter tilskud Værdi af tag 126 m 2 á 507 kr Netto investering i solcelleanlæg Det er pr. Watt 15.5 Den direkte tilbagebetalingstid kan herefter udregnes som nettoprisen pr. installeret watt divideret med værdien af den producerede strøm. Se nedenfor: Tilbagebetalingstid Investering pr. watt, kr Årlig produktion i kwh pr. watt installeret 0.9 Elpris incl. moms, kr./kwh 1.5 Årlig indtægt pr. watt installeret, kr. 1.3 Direkte tilbagebetalingstid i år 12.1 Den direkte tilbagebetalingstid blev således 12 år i stedet for 10 år. Konklusion På trods af at den oprindelige ide med at anvende prisbillige tyndfilmceller måtte opgives, fordi erfaringerne fra et tidligere opført anlæg viste, at ydelsen ikke levede op til det lovede, lykkedes det at etablere et anlæg med en beregnet tilbagebetalingstid på kun 12 år. Dvs. 2 år eller 20% mere end målet på 10 år. Erfaringerne fra projektforløbet har vist, at det er problematisk at udføre udvikling og demonstration i et og samme projekt med finansiering fra en privat anlægsvært. Det betyder, at anlægget skal leveres med de sædvanlige garantier, som er gældende for byggeleverancer. Leverandørerne er derfor tvunget til af vælge de sikre og dermed velafprøvede løsninger, hvilket let kommer i konflikt med programmets intentioner om innovation og nyudvikling. 17

18 Bilag 1: Tekniske data Tekniske data: I alt watt 56 m 2 solceller orienteret 30 o fra syd mod øst 70 m 2 solceller orienteret 60 o fra syd mod vest Beregnet årsproduktion: kwh. Monteringssystem: Standarddrivhusprofiler med ekstra stærk glasliste. Montering af solcellemoduler mellem to Dafacell tætningslister. Horisontal samling af solcellemoduler med H-profil. Fast undertag med underpap. Solcellemodul: Mål: x560 mm. Nominel effekt: 70 W ved en indstråling på W/m 2 og 25 o C. Tomgangsspænding: 23,6 Volt. Kortslutningsstrøm: 4,5 Amp. Spænding ved maksimal ydelse: 18,3. Strøm ved maksimal ydelse: 4,2. Gennemsnitlig ydelse for de installerede solcellemoduler: 77 watt. 40 stk. polykrystallinske celler á 125x125 mm. Nettilslutning: 4 stk. FRONIUS Maxi Maksimal effekt uden forringelse af inverterens virkningsgrad: 3 kwdc. Maksimal spænding på indgangen uden inverteren beskadiges: 350 Vdc Spændingsområde for maksimal virkningsgrad ( MPP): 120 til 280 Vdc. 18

19 Bilag 2: KSC certifikat Solcellecertifikat for Thøger Larsen der sammen med firmaet El-Jacobsen ApS installerede anlægget. 19