DTU BYG Center for arktisk Teknologi (ARTEK) Danmarks Tekniske Universitet Kemitorvet, Bygning 204, 2. sal 2800 Kgs. Lyngby

Transkript

1 Vejleder: Esben Larsen, DTU Elektro Studerende: Jonathan Dybkjær s Jesper Bo Larsen s Projektet er udført i samarbejde med: DTU Elektro Center for El-teknologi (CET) Danmarks Tekniske Universitet Elektrovej Kgs. Lyngby Tel.: cet@elektro.dtu.dk DTU BYG Center for arktisk Teknologi (ARTEK) Danmarks Tekniske Universitet Kemitorvet, Bygning 204, 2. sal 2800 Kgs. Lyngby Tel.: nih@byg.dtu.dk Side 1 af 40

2 Indholdsfortegnelse Projektoplæg... 4 Projektafgrænsning... 4 Overvejelser i forbindelse med projektet... 5 Elpriser... 5 Typer af solceller... 5 Valg af inverter... 5 Solcellepanelernes orientering og hældning... 5 Solindstråling... 9 Diffusindstråling... 9 Standard Test Conditions - STC Maximum Power Point Tracking MPPT Testmetode - to fritstående paneler Opstillingen Testmetode Opstillingen Testmetode Måleresultater Wp Multikrystallinsk Delkonklusion Wp tyndfilm Delkonklusion Komplet anlæg med batterilager Delkonklusion Konklusion Forslag til komplet anlæg Opstilling Inverter Solcellepaneler Samlet overblik Konklusion Litteraturliste Bilag 1 - Elpriser Bilag 2 Kildekode, program til automatisering Side 2 af 40

3 Bilag 3 - Rå simuleringsdata Bilag 4 - Matlab kode Bilag 5 - Måledata Bilag 6 - Tegning af spær og placering Bilag 7 Tidligere tilbud Side 3 af 40

4 Projektoplæg Når det kommer til ressourcer såsom fossile brændstoffer og el, så er Grønland i den grad et land med mange udfordringer. Det lave totale indbyggertal spredt ud over landets enorme areal i en afsides geografisk beliggenhed er basis for de mange udfordringer, som Grønland præsenterer. Grundet Grønlands størrelse, geografiske placering og meget klipperige natur er decentral elproduktion nødvendig. Den letteste metode til elproduktion, og den mest anvendte, er dieselgeneratorer. Problemet er, at dette er en dyr og forurenende form for elproduktion, da al dieselolien skal fragtes med skib, og der udledes da betydelige mængder CO2. Da den globale mængde af råolie er for nedadgående, vil dette betyde en stigning i elprisen, eftersom transporten af råolien sker med skibe drevet af fossile brændstoffer - dette kommer oveni råoliens egen prisstigning. Danmarks elnet er forbundet til Tyskland, Norge og Sverige (to forskellige net) - og vi kan dermed udveksle el med dem. De dage, hvor Danmark har en overproduktion fra f.eks. vindmøllerne i Jylland, vil Tyskland kunne aftage den overskydende el billigt. Grønland derimod, er nødt til at være i energibalance hele tiden, da man er beliggende for langt væk fra andre lande, og dermed ikke kan købe og sælge el hos andre lande. Grønland er i høj grad mange små samfund, og da disse er stærkt afhængige af netop fossile brændstoffer, vil en prisstigning ramme hårdt. Der er altså brug for en løsning på, hvordan der kan produceres el til en fordelagtig og stabil pris, for en nærmest uudtømmelig energikilde bare venter på at blive brugt: med blot en times sol modtager jorden energi nok til ca. at dække hele jordens forbrug af energi i et helt år 1 Projektafgrænsning Udarbejde arbejdstegninger til opstilling af et 6 kwp solcelleanlæg på et ILLORPUT hus i Sdr. Strømfjord (Kangerlussuaq). Yderligere ønskes det værende muligt at logge produktion mv., og at dette skal kunne fjernaflæses, f.eks. via en internetopkobling, at dokumentere, om der er nogen økonomisk gevinst ved at montere solcellerne i optimal vinkel, kontra hustagets vinkel. Samtidig er der ønske om, huset ikke visuelt forringes af installationen. 1 Bogen: Photovoltaic Systems Engineering 2 Udbredt typegodkendt hus Side 4 af 40

5 Overvejelser i forbindelse med projektet Elpriser Elpriserne i Grønland ligger de fleste steder over dansk niveau (Bilag 1). Netop på baggrund af dette er der ekstra grund til at undersøge mulighederne for rentabiliteten af et nettilsluttet solcelleanlæg. Typer af solceller Hvilken type af solcelle der vælges, har stor indflydelse på tre primære faktorer: Pris, effektivitet og levetid. Blandt de mest anvendte typer af solceller, kan nævnes disse: Amorfe Polykrystallinske Multikrystallinske Monokrystallinske Tykfilm Tyndfilm I dette projekt arbejdes og testes der med to typer paneler - et multikrystallinsk og et tyndfilms (Amorphous Silicon). Valg af inverter Valget af inverter har stor indflydelse på det samlede udbytte. Producerer en række solceller f.eks kwh på et år, så har det stor betydning, om man vælger en billig inverter med 85 % effektivitet, eller en dyrere med 95 % effektivitet. I dette tilfælde vil den dyre levere 4750 kwh til elnettet, mens den billige kun vil levere 4250 kwh - en difference på 500 kwh. Med en dagspris i Danmark på ca. 2 kr. vil det svare til 1000 kr. om året i tabt fortjeneste - og endnu mere i Grønland. De vigtigste faktorer i forbindelse med valget af en inverter ridses op her: Minimum kontinuerlig effekt på 6 kw Lavt tomgangstab Maximum Power Point Tracking (MPPT) Kommunikationsmuligheder via internettet Pris kontra ydelse kontra levetid Selvom inverterens effektivitet er en vigtig faktor, så skal det stadig vejes op mod inverterens pris kontra den ekstra økonomiske gevinst. Det anslås, at en inverter har en levetid på ca. 15 år. Tages der udgangspunkt i eksemplet længere oppe, så vil en inverter, der er f.eks. 1 % mere effektiv levere 50 kwh mere om året. Dette er svarende til ca. 100 kr. - og altså ca kr. i inverterens forventede levetid. Det er dermed vigtigt at kigge på gevinsten kontra udgiften. Solcellepanelernes orientering og hældning Et solcellepanel monteret med en ikke-optimal hældning kan betyde et lige så stort årligt tab - eller større end en dårlig inverter kan. Den mest optimale hældning og orientering er, når panelet er direkte vinkelret på solen - men det interessante spørgsmål er her, om det kan betale sig at investere i dyrt monteringsudstyr for at opnå den perfekte vinkel og orientering. Side 5 af 40

6 For at finde svar på dette anvendes programmet Mantlsim. Programmet er oprindeligt lavet til at simulere et komplet solvarmesystem, men en del af programmet beregner den indstrålede effekt på en overflade af selvvalgt størrelse for x antal år. Følgende parametre blev brugt i programmet: Hældning mellem 0 og 90 (0 er vandret) Orientering mellem -180 og 180 (0 er stik syd, negativ vinkel er øst) Valgt areal på 1m 2 Simulering for ét år Det blev derefter valgt at simulere med ændringer på 5. Dette medførte 19 steps for hældningen og ikke færre end 73 steps for orienteringen. I alt 1387 simuleringer. Dette medfører et ikke beskedent problem! Mantlsim er lavet sådan, at simuleringen skal køres via en.exe-fil, hvor der først indtastes navnet på inputfilen, derefter trykkes enter, derefter indtastes antal år og til sidst trykkes enter - og så kører simuleringen. Efter endt simulering vil resultatet ligge i en fil, programmet har lavet. At lave så mange simuleringer manuelt vil tage i omegnen af 15 timers non-stop arbejde. For at lette arbejdet blev der skrevet et program, som simulerede tastetryk, selv læste output-data og skrev dette ind i en kommasepareret fil. Programmet kan ses i Bilag 2. De rå data fra simuleringen kan findes i Bilag 3. Efterfølgende blev dataene behandlet i Matlab (Matlab kode kan ses i Bilag 4). Figur 1-3D plot af årlig indstrålet effekt pr. m 2 Side 6 af 40

7 Første plot er et 3D contour plot, hvor x-aksen angiver hældningen, y-aksen orienteringen og z-aksen den totale årlige indstråling på 1m 2. Et 3D contour plot giver et rigtig godt indtryk af, hvilket område man skal beskæftige sig med. Det ses her, at området med højeste udbytte ligger en lille smule forskudt mod vest i forhold til stik syd. Hvilken hældning, der er bedst, kan være svært at bedømme ud fra billedets størrelse. Figur 2 - Grafisk repræsentation af indstrålet effekt pr. m 2 Ses 3D grafen ovenfra, fås dette billede. Dette plot fortæller rigtig meget om, hvordan man bør montere sine solcellepaneler. Hotspottet i midten (dyb rød farve) indikerer, at der her er tæt på 1100 kwh pr. år pr. m 2. I midten opnås den højeste effekt - dette er ved en hældning på 55 der er orienteret 15 vest. Side 7 af 40

8 Årlig indstråling [kwh/m 2 ] 1100 Indstrålet effekt ved en orientering på 15º som funktion af hældningen Hældning [grader] Figur 3 - Indstrålet effekt som funktion af hældningen For at få et bedre indtryk af hvor meget den optimale hældning har at sige i forhold til enhver anden vilkårlig vinkel, så er Figur 3 et 2D linieplot for den optimale orientering på 15. Ændres vinklen til mellem 30 og 35, eller 75 og 80, tabes der 5 % indstrålet effekt (1045 kwh kontra ~1100 kwh). Tages der udgangspunkt i det store panel, der i denne rapport kigges på, vil et 6 kwp anlæg fylde ca. 44 m 2. Dermed er der et tab på i alt 2420 kwh i indstrålet effekt. Regnes systemets totale effektivitet som værende 15 %, er det svarende til 363 kwh i tabt produktion. Denne tabte produktion skal dermed holdes op imod elprisen, den forventede ændring af elprisen, anlæggets levetid og prisen for udstyr til at montere anlægget i korrekt vinkel og orientering. Først efter at disse faktorer er regnet med, kan det siges, om det er rentabelt at købe udstyr til optimal montering, kontra at lade være. Side 8 af 40

9 Årlig indstråling [kwh/m 2 ] 1100 Indstrålet effekt ved en hældning på 55º som funktion af orienteringen Orientering [grader] Figur 4 - Indstrålet effekt som funktion af orienteringen For at få en idé om hvor meget orienteringen har af betydning for den totale energiproduktion, er ovenstående et 2D linieplot, hvor fladens hældning er fasthold på 55 (den optimale hældning). Afviger orienteringen med fra den optimale 15 Vest, vil tabet være ca. 5 %. Orienteringen er dermed mindre følsom pr. grad end hældningen er. Med det komplette datasæt er det muligt at se, hvor meget en vilkårlig hældning og orientering afviger fra den optimale opstilling. Solindstråling Undersøgelser udført af NASA med SORCE-satellitten 3 viser at TSI 4 for Jorden er ca W/m 2. I forbindelse med de praktiske målinger og tests af solcellerne anvendes der et Pyrheliometer. Dette instrument vil give en spænding på 180 mv, når indstrålingen er på 1000 W/m 2. Dette bruges til at sammenholde med de målinger, der foretages med solcellepanelerne. Diffusindstråling Generelt set, så jo lysere et materiale er, jo mere lys vil det reflektere det tilbagekastede lys vil oftest være diffust. Blanke overflader vil også reflektere lys, men er bedre til at bibeholde formen på lyset. Grønland er et oplagt sted for begge disse typer. Sne og vand er begge gode til at give en ekstra indstråling udover den direkte fra solen. Det er dermed muligt at opnå en indstråling, der ligger over de ca W/m 2. 3 Solar Radiation and Climate Experiment 4 Total Solar Irradiance (total solstråling) Side 9 af 40

10 Standard Test Conditions - STC STC beskriver en standardiseret testmetode til specificering af solceller. Denne metode består af tre kriterier: - Solindstråling på 1000 Watt pr. kvadratmeter (1kW/m 2 ) - Air Mass på 1,5 - Celletemperatur på 25 C For at undgå at solcellerne opvarmes som følge af de 1kW/m 2, så anvendes en kraftig blitz fremfor en konstant lyskilde. Dermed er det muligt at holde celletemperaturen på samme niveau, som den omgivende luft. Ovenstående STC er normalt noget, der opnås i et laboratorium, og vil dermed ikke være muligt at overholde i projektets forløb. De tests, der er beskrevet i denne rapport, er alle foretaget i almindeligt sollys (virkelighedstests) - hvorfor det derfor ikke har været muligt at overholde ovenstående STC. Maximum Power Point Tracking MPPT Effektiviteten af solcellerne er direkte afhængig af den elektriske belastning. Hvis der ikke belastes optimalt, vil der ikke kunne opnås den producentspecificerede effektivitet. Dette kan være tilfældet for systemer, hvor der lades direkte på batteribank her er det batterispændingen, der bestemmer, hvilken spænding solcellepanelet skal producere med. Figur 5 I/V graf 5 Figur 5 viser en karakteristisk I/V graf. Den orange kurve viser sammenhængen mellem strømmen og spændingen. Da denne kurve er resultatet af de fysiske egenskaber for solceller, så vil det også betyde, at kurven blot flyttes op og ned ved henholdsvis højere og lavere indstrålet effekt. Tilnærmelsesvis kan siges, at kurven blot parallelforskydes i y-aksens retning. Grunden til, at der siges tilnærmelsesvis, er, at det ikke passer helt perfekt. Der er to yderpunkter open-circuit spænding og kortslutningsstrøm. Spændingen, som panelet genererer, når der ikke trækkes nogen strøm, vil altid være ca. den samme den er bestemt af de fysiske egenskaber for panelet (type såvel som konfiguration af celler spiller ind). Kortslutningsstrømmen er igen en fysisk 5 Kilde: Side 10 af 40

11 egenskab bestemt af solens evne til at slå elektroner løs, som er afhængig af den indstrålede effekt jo højere denne er, jo større kortslutningsstrøm. Testmetode - to fritstående paneler Følgende afsnit vil afdække, hvorledes de to solcellepaneler er blevet testet i Sisimiut. Opstillingen Figur 6 - Grafisk repræsentation af testopstillingerne Testmetode I forbindelse med de virkelige tests i Sisimiut blev der bygget et stativ, hvorpå solcellerne enkeltvis kunne monteres. Denne opstilling gjorde det let at flytte panelerne rundt og fastholde dem i en bestemt position. Ydermere kunne opstillingen vinkles trinløst mellem 25 og 70 med vandret. Til fremstillingen af I-U-kurven blev følgende udstyr anvendt: - Trinløse effektskydemodstande (1 stk. på 10 Ohm og 1 stk. på 500 Ohm) - Multimeter til måling af strøm - Multimeter til måling af spænding - Pyrheliometer - Multimeter til måling af spænding fra Pyrheliometer Fremgangsmåden er at koble solcellepanelet til effektskydemodstanden i serie med det ene multimeter - så det bliver muligt at måle strømmen. Dertil kobles et multimeter på terminalerne fra solcellepanelet, så det bliver muligt at aflæse den aktuelle spænding. Ved at variere modstanden og aflæse de to multimetre er det dermed muligt at fremstille en I-U-kurve for panelet. Det har i forbindelse med projektet også været ønskeligt at kende panelernes effektivitet. For at kunne gøre dette, har der sideløbende været opstillet et Pyrheliometer. Dette Pyrheliometer vil ved en indstråling på 1000W/m 2 generere 180 mv. Når arealet af solcellepanelet er kendt, og når solindstrålingen på fladen er kendt, og den afsatte effekt også er kendt - er det derefter muligt at beregne en praktisk effektivitet på solcellepanelet. Side 11 af 40

12 Figur 7 - Opstilling på hustag i samarbejde med Ole Villumsen Opstillingen I samarbejde med Ole Villumsen blev et komplet anlæg, bestående af nedenstående, testet. 9 stk. 40Wp tyndfilms solcellepaneler 1 stk. 1500W Inverter 6 4 stk. 12V 100 Ah SLA-batterier (Sealed Lead Acid) De ni paneler er forbundet parallelt, da inverteren er lavet til at lade på fire serieforbundne 12V batterier - dette er svarende til en batterispænding på mellem ca. 40V og 54V (henholdsvis fuldt afladet og fuldt opladet). Idéen bag dette system er dermed, at panelernes optimale punkt (MPPT) ligger i området for ladespændingen på batterierne. Dermed kan inverteren konstrueres langt simplere - og dermed vil slutprisen for forbrugeren blive lavere. Hvorvidt dette komplette system performer, og om det var værd at optimere med MPPT - er alt noget, der afdækkes i de følgende afsnit. Testmetode Fremgangsmåden for at lave målinger på det komplette system, er: Måle spænding fra panelerne Måle strømmen fra panelerne Måle effektindstrålingen fra solen 6 TN 1500 True sine wave inverter Side 12 af 40

13 Måleresultater Følgende afsnit vil omhandle måleresultater, alle foretaget i dagslys. 215 Wp Multikrystallinsk 215 Wp panelet er multikrystallinsk og anses for værende den mest anvendte type til elproduktion, der fødes ind på elnettet. Disse paneler er ofte skrøbelige, da de primært er fremstillet af silicium. Det her anvendte panel har følgende specifikationer: Fysiske mål: 1652x992x50mm (længe x bredde x tykkelse) Vægt: 22 kg P max : 215 W Open-circuit spænding: 36,96 V Kortslutningsspænding: 8,34 A Effektivitet: 13,12 % Figur Wp Multikrystallinsk Figur 8 viser testopstillingen med 215 Wp panelet. Side 13 af 40

14 Effekt [W] Current [I] Voltage [V] 197 Wp 196 Wp 178 Wp 100 Wp 12 Wp Figur 9 Sammenligning af fem I/V kurver (215 Wp panel) I/V kurverne på Figur 9 viser solcellens karakteristiske egenskaber ved forskellige lysindfald. Det ses, at der er små afvigelser på 197W-målingen. 100W-målingen varierer grundet varierende skydække. 250,00 200,00 150,00 100,00 50, Wp 196 Wp 178 Wp 100 Wp 12 Wp 0, Voltage [V] Figur 10 - Effektkurver Ved brug af samme data, som brugt i Figur 9 er ovenstående graf lavet. Grafen viser sammenhængen mellem effekt og spænding. Side 14 af 40

15 Effektivitet [%] 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0, Voltage [V] 197 Wp 196 Wp 100 Wp Figur 11 - Effektivitetskurver På Figur 11 er effektiviteten for hver af måleserierne beregnet og visuelt repræsenteret via en kurve. Denne kurve har to formål, hvoraf det første er se vigtigheden af MPPT. Det andet er at kunne forudse en forventet effektivitet i et system, hvor en batterispænding (eller inverter uden MPPT) afgør spændingen over panelerne. Anvendes f.eks. batterier direkte koblet på, ses det to batterier i serie er det mest optimale tre batterier vil have en samlet seriespænding på ca. 40V når de er fuldt opladte, så det kan ikke lade sig gøre. Dermed må bedste valg til dette panel, såfremt direkte kobling på batterier, være to stk. i serie (kan udvides parallelt). Delkonklusion Det multikrystallinske panel har et areal på 1,45 m 2 og opnåede på det højeste 197W ved et lysindfald på 950 W/m 2. Panelet er mest effektivt i området 25-27V, hvor den højeste opnåede effektivitet er på 14 %. Dette stemmer fint overens med specifikationerne faktisk en smule bedre. 40 Wp tyndfilm 40 Wp panelet er et tyndfilms-panel. Denne type paneler er yderst fleksible, og de kan dermed monteres, så de følger konturen på det, de monteres på. Tyndfilm-solceller (Amorphous Silicon) er i skrivende stund knapt så effektive de bedste på markedet præsterer at omdanne ca. 9 % af solens stråling til elektrisk energi. Det har ikke været muligt at fremskaffe et datablad på dette tyndfilmpanel, men jf. Ole Villumsen er panelet angivet til at have en effektivitet på ca. 5 %. Side 15 af 40

16 Current [I] Figur 12 viser testopstillingen med 40 Wp panelet. Figur Wp tyndfilm-solcellepanel 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 43 Wp 33 Wp Voltage [V] Figur 13 - Sammenligning af to I/V kurver (40 Wp panel) I/V kurven viser solcellepanelets karakteristiske egenskaber. 40 Wp panelet har en kortslutningsstrøm på 1A, og en open-circuit spænding på 60,4V. Grundet varierende skydække er 33W-målingen knapt så pæn. Side 16 af 40

17 Effektivitet [%] Effekt [W] 50,00 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0, Voltage [V] 43 Wp 33 Wp Figur 14 - Effektkurver Ved brug af samme data, som brugt i Figur 13, er der fremstillet en effektkurve for panelet ved to forskellige lysindfald. Panelet yder faktisk mere end lovet. 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 43 Wp 33 Wp 1,00 0, Voltage [V] Figur 15 - Effektivitetskurver Som med Figur 11 er det interessant, hvor panelets MPP (Maximum Power Point) er.. Et fuldt afladet SLA-batteri vil ligge på 10,5V, hvor et fuldt opladet vil ligge på ca. 13V altså svarende til 42V-52V ved fire stk. i serie. Ved at kigge på kurven vist i Figur 15 ses det, at fire batterier i serie vil passe rigtig godt til dette panel. Delkonklusion Tyndfilm-solcellen har et areal på 0,73 m 2. Målingerne viser, at højeste opnåede effekt er 43W dette var ved et lysindfald på 915 W/m 2. Solcellen er mest effektiv i området mellem 49-51V her er effektiviteten ca. 6 %. Yderst positivt, at panelet yder bedre end lovet. Side 17 af 40

18 Målinger er ikke foretaget ved helt skyfri himmel, da forholdene var skiftende, både meget og hurtigt. Komplet anlæg med batterilager I samarbejde med Ole Villumsen blev der udført en test på det færdigopstillede anlæg over et tidsrum på 5 timer. Denne test er en virkelighedstest, som blev lavet for få en idé om sammenspillet mellem inverter og solceller, da inverteren er uden MPPT. 350,00 300,00 250,00 Effekt [W] 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 09:00 10:12 11:24 12:36 13:48 time : min på dagen Figur 16 - Effektkurve for komplet solcelleanlæg med batterilager Figur 16 viser effekten fra de 9 tyndfilm-solceller, målt over en periode på 5 timer med et interval på 15 minutter. Den samlede elproduktion er beregnet ved at tage integralet af kurven. Det viser sig, at for de 5 timer, der er taget målinger, er der produceret i alt 850 Wh (0,85 kwh), med et gennemsnit på 170 W kontinuerligt. Sideløbende med det komplette anlæg blev et fritstående panel af samme type og model testet manuelt for at have en idé om, hvorledes inverteren uden MPPT klarede sig. Det generelle indtryk efter denne sammenligning er, at der for det meste er meget lidt forskel i effektiviteten. Forskellen var for det meste under 0,30 % forskel i effektivitet. Omregnes dette til Watt, er der kun tale om ca. 2W til forskel dette er når panelerne yder deres maksimale, og dermed vil forskellen være endnu mindre ved lavere lysindfald. Denne forskel er så lille, at prisforskellen på en inverter uden MPPT og en med, skal være meget lille for, at det er økonomisk rentabelt at købe den med MPPT. Delkonklusion Værd at bemærke er, at systemet samlet set belaster solcellerne i det område, hvor de yder bedst, og at de dermed opnår en effektivitet, der kun marginalt kan komme højere op med MPPT. Dog ses det, at effektiviteten falder en smule under specifikationerne for panelerne, når batterispændingen ligger i området, hvor batterierne er fuldt afladte. Side 18 af 40

19 Konklusion Der hersker ingen tvivl: For at opnå højest mulig effektivitet er det nødvendigt at have et system, der belaster solcellerne efter MPPT-princippet. Dermed ikke sagt, at systemer uden MPPT ikke kan være at foretrække rent økonomisk det er nødvendigt at se det i forhold til merprisen for inverteren, kontra det ekstra udbytte. De multikrystallinske solceller har deres optimale punkt med højeste effektivitet mellem 26-28V, hvorimod tyndfilm-solcellerne ligger mellem 48-50V. De to forskellige typer solcellepaneler, der her er arbejdet med, henvender sig i deres konfiguration til hvert sit marked de multikrystallinske til elproduktion, der fødes direkte ind på elnettet, og tyndfilm-solcellerne til ø-drift med batterier. Begge typer kan uden problemer anvendes til begge formål, blot de konfigureres anderledes, så spænding og strøm passer til formålet. Jo større anlægget er, jo større økonomisk gevinst er der ved at vælge en inverter med MPPT. Det er derfor anbefalelsesværdigt, at der vælges en inverter med MPPT-teknologi i forbindelse med et 6 kwp anlæg i Grønland. Side 19 af 40

20 Forslag til komplet anlæg For at kunne designe det komplette solcelleanlæg er det nødvendigt at kende så meget til husets konstruktion som overhovedet muligt. Og netop på dette punkt var Qeqqata Kommunia utroligt hjælpsomme og fremskaffede komplette bygningstegninger for typehuset ILLORPUT 2000, der tænkes anvendt til projektet. Byggetegning for spær tilføjet som Bilag 6 - Tegning af spær og placering Figur 17 - Husets sydside Ud fra tegningerne udleveret af Qeqqata Kommunia, er huset blevet opbygget i et 3D tegneprogram. Figur 17 viser huset set fra sydsiden og dermed den tagside, der tænkes anvendt til solceller. Figur 18 - Husets nordside Side 20 af 40

21 Figur 18 viser husets nordside, komplet med indgangsparti osv. Tagets hældning på begge sider er beregnet til værende 25 grader. Denne vinkel skulle være nok til, at panelerne er mere eller mindre selvrensende pga. regnvejr. Om viklen er stejl nok til at holde panelerne isfri, er der her ikke undersøgt, men det forventes ikke at være et problem. Figur 19 - Husets trækonstruktion Huset er opbygget primært af træ. Figur 19 er en 3D tegning baseret på tegningerne udleveret af Qeqqata Kommunia. Via 3D tegningerne er det muligt præcist at designe solcelleanlægget, så det passer ind i husets konstruktion. Side 21 af 40

22 Opstilling Figur 20 - Eksempel 1 Eksempel 1: Opstilling med 28 paneler, der i alt dækker 41,5 m 2, monteret direkte på taget alt efter hvilke paneler der vælges, kan det være nødvendigt at reducere antallet, for at overholde lovgivningen om maksimalt 6 kwp installeret. Panelerne følger tagets hældning på 25 grader, og dermed er robuste stativer ikke nødvendige. Rent visuelt er dette den pæneste måde at montere solcellerne på. Figur 21 - Eksempel 2 Eksempel 2: Opstilling med 27 paneler (40 m2 overflade), arrangeret i tre rækker á 9 paneler igen kan det være nødvendigt at reducere antallet af paneler, hvis den samlede kapacitet overstiger 6 kwp ved brug af 27 paneler. I denne opstilling er alle panelerne monteret på et stativ, således at Side 22 af 40

23 Årlig indstråling [kwh/m 2 ] vinklen med vandret giver en hældning på 55 grader. Ydermere er der taget højde for at panelerne ikke må kunne skygge for hinanden. Dog vil panelerne stikke 40 cm ud over hver ende af huset, samt at de øverste paneler vil rage så langt op, at de kan ses fra husets forside Indstrålet effekt - 25º kontra 55º 55º 25º Orientering [grader] Figur 22 - Sammenligning mellem 25 og 55 Tagets hældning er 25, og da dette ikke er den optimale hældning af panelerne, er det interessant at kigge på, hvor meget forskel der er på tagets hældning kontra den optimale. Som det ses af Figur 22, er der en forskel på ca. 100 kwh ved den optimale orientering. Nedenstående skema viser en sammenligning mellem de to eksempler: Tabel 1 Beregning af forskel Eksempel 1 Eksempel 2 Paneler 26 stk. 26 stk. Installeret effekt 5850 Wp 5850 Wp Hældning Overflade 38,54 m 2 38,54 m 2 Årlig indstråling 38,54 MWh 42,39 MWh Maksimal teoretisk årlig elproduktion kwh 6359 kwh Materialer 28 paneler Inverter Simpelt stativ Evt. batterier 27 paneler Inverter Robust stativ Evt. batterier 7 Ved estimeret total 15 % effektivitet Side 23 af 40

24 Inverter Da inverteren er en vigtig del af det komplette system, er der valgt at tage udgangspunkt i en Danfoss TripleLynx Pro 8k. Dette er en inverter af meget høj kvalitet. Denne inverter udmærker sig på en række punkter, der her nedenfor er fremhævet: Nominel DC Power: 8250 W Maksimal effektivitet: 97,9 % Standbyforbrug: < 5 W MPPT (statisk): 99,9 % MPPT (dynamisk): 99,8 % Web Server Ethernet kommunikation Sensorinput til temperatur og bestråling GSM Modem indbygget Figur 23 - Danfoss TLX Pro 8k Inverteren er beregnet til montering indendørs, hvilket forventes muligt. Solcellepaneler Baseret på de udførte tests anbefales det, at der anvendes multikrystallinske solcellepaneler, da tyndfilm-solceller på nuværende tidspunkt ikke har høj nok effektivitet, og dermed vil fylde for meget. Rent æstetisk set anbefales det at montere solcellerne, så de følger tagets hældning. Jf. Tabel 1 ses det, at den årlige forskel i elproduktionen estimeres til at være ca. 600 kwh. Det vurderes, at den ekstra økonomiske gevinst ved at montere panelerne i optimale vinkel ikke opvejer eller overstiger den æstetiske gene, den optimale montering samtidig medfører. Samlet overblik Bilag 7 indeholder et tilbud givet af Jan Vedde fra SiCon for ca. 1 år siden. Siden da er der modtaget et opdateret tilbud (20. september 2011) - det kan ses nedenfor: Tabel 2 - Tilbud på komplet solcelleanlæg Antal Produkttype Producent Model Pris pr. stk. Total 26 Solcelle TrinaSolar TSM-225PC05 kr ,04 kr ,93 1 Inverter Danfoss TripleLynx Pro 8k kr ,00 kr ,00 I alt ekskl. moms: kr ,93 Tilbuddet er uden stativ eller andet til montering af panelerne, som skal tilkøbes eller fremstilles alt efter hvilken konfiguration, der vælges. Det vurderes, at tilbuddet præsenteret i Tabel 2, er yderst rimeligt. Side 24 af 40

25 Konklusion Samlet set vurderes det, at et 6 kwp anlæg monteret på et ILLORPUT 2000 typehus, vil være en økonomisk sund investering, der i løbet at relativt kort tid vil have tjent sig selv hjem. Simuleringerne viser, hvor meget der er vundet ved at montere solcellerne i deres optimale vinkel, kontra at montere dem direkte på taget. Simuleringerne kan dermed bruges til at vurdere, om det kan betale sig at investere i monteringsudstyr for at opnå den optimale hældning og orientering. De praktiske tests og målinger har vist, at det kan lade sig gøre at lave systemer til ø-drift, som opnår en acceptabel effektivitet uden brug af MPPT. Dette er specielt godt til små systemer, da et komplet system derved bliver langt billigere, og dermed når ud til en bredere vifte af forbrugere. Samtidig har målingerne vist, at den ekstra elproduktion, som en MPPT inverter kan trække ud af solcellerne, bliver økonomisk rentabel, når anlægget når en vis størrelse. I sidste ende kan simuleringer og grafer kun vise, om investeringen kan betale sig, men det er også vigtigt at overveje, hvordan omgivelserne rent visuelt vil blive påvirket af et solcelleanlæg. Hvis grøn og vedvarende energi skal vinde frem, kan det overordnet set koges ned til to vigtige parametre: Rentabilitet og æstetik. Det vurderes, at det reviderede tilbud modtaget fra Jan Vedde, monteret fladt på taget, opfylder de her i rapporten opstillede krav. Litteraturliste Photovoltaic Systems Engineering af Roger A. Messenger og Jerry Ventre. Side 25 af 40

26 Bilag 1 - Elpriser Side 26 af 40

27 Bilag 2 Kildekode, program til automatisering using System; using System.Collections.Generic; using System.Linq; using System.Text; using System.Diagnostics; using WindowsInput; using System.Threading; using System.IO; using System.Text.RegularExpressions; namespace SolSimApp { class Program { static string start = " \n \n \n "; static string end = " \n \n \n \n \n \n \n \n \n \n \n \n \n \n"; static TextWriter input; static TextWriter output; static StreamReader sr; static int tilt = 90; static int ori = 180; static void Main(string[] args) { output = new StreamWriter("output.txt"); output.writeline("tilt,ori,val"); for (int i = 0; i <= tilt; i += 5) { for (int j = -180; j <= ori; j += 5) { generateinputfile(i, j); Thread.Sleep(1000); runshizzle(); Thread.Sleep(20000); p_exited(i, j); } } output.close(); } private static void runshizzle() { Process p = new Process(); p.startinfo.filename = "MANTLSIM-SIS.exe"; p.startinfo.useshellexecute = false; p.start(); InputSimulator.SimulateKeyDown(VirtualKeyCode.RETURN); Thread.Sleep(250); InputSimulator.SimulateTextEntry("1"); Thread.Sleep(250); } InputSimulator.SimulateKeyDown(VirtualKeyCode.RETURN); static void p_exited(int tilt, int ori) { sr = new StreamReader("RESULTAT.1"); string result = sr.readtoend(); Side 27 af 40

28 sr.close(); Regex r = new Regex("QMD\\(5,IMD,4\\) :\\s[\\s*\\d.\\d]{1,}"); Match m = r.match(result); } if (m.success) { string[] val = Regex.Split(m.Value, "\\s+"); generateoutputfile(tilt, ori, val); } Thread.Sleep(250); } } private static void generateoutputfile(int tilt, int ori, string[] val) { output.writeline(tilt + "," + ori + "," + val[val.length - 2]); output.flush(); } private static void generateinputfile(int tilt, int ori) { input = new StreamWriter("input.txt"); input.write(start); input.write(" " + tilt + " "); input.write(" " + ori + " "); input.write(end); input.close(); } Side 28 af 40

29 Bilag 3 - Rå simuleringsdata Side 29 af 40

30 Side 30 af 40

31 Bilag 4 - Matlab kode %% 3D Plot for årlig indstråling pr. m2 clc; clear; clf; load('solstraaling.mat') x = 0:5:90; y = -180:5:180; surfc(x,y,z(2:74,2:20)) title('3d plot som funktion af varierende hældning og orientering') xlabel('hældning [grader]') ylabel('orientering [grader]') zlabel('årlig indstråling [kwh/m^2]') %% 2D Linieplot for optimal vinkel, med varierende orientering clc; clear; clf; load('solstraaling.mat') x = -180:5:180; plot(x,z(2:74,13),'linewidth',2.5) grid on title('indstrålet effekt ved en hældning på 55º som funktion af orienteringen') xlabel('orientering [grader]') ylabel('årlig indstråling [kwh/m^2]') %% 2D Linieplot for optimal orientering, med varierende hældning clc; clear; clf; load('solstraaling.mat') x = 0:5:90; plot(x,z(41,2:20),'linewidth',2.5) grid on title('indstrålet effekt ved en orientering på 15º som funktion af hældningen') xlabel('hældning [grader]') ylabel('årlig indstråling [kwh/m^2]') %% Husets 25º hældning sammenlignes med den optimale hældning på 55º clc; clear; clf; load('solstraaling.mat') x = -180:5:180; hold on plot(x,z(2:74,13),'linewidth',2.5) plot(x,z(2:74,7),'linewidth',2.5,'color','r') grid on title('indstrålet effekt - 25º kontra 55º') xlabel('orientering [grader]') ylabel('årlig indstråling [kwh/m^2]') legend('55º','25º') hold off Side 31 af 40

32 Bilag 5 - Måledata Multikrystallinsk 197 W solcelle areal 1,45 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] Soleffekt [W/m2] Effektivitet [%] 7,53 0,02 0,15 910,56 0,01 7,54 0,767 5,78 915,56 0,44 7,54 2,198 16,57 916,11 1,25 7,53 5,11 38,48 915,00 2,90 7,44 7,83 58,26 915,00 4,39 7,44 9,72 72,32 916,11 5,44 7,43 12,2 90,65 913,89 6,84 7,42 14,24 105,66 913,33 7,98 7,4 17,68 130,83 913,89 9,87 7,4 18,84 139,42 913,33 10,53 7,4 20,74 153,48 914,44 11,57 7,39 22,97 169,75 913,33 12,82 7,31 25,69 187,79 913,89 14,17 7,15 27,19 194,41 913,33 14,68 6,93 28,38 196,67 915,56 14,81 6,02 30,65 184,51 913,33 13,93 5, ,94 915,00 13,41 5,56 31,3 174,03 915,00 13,12 5,34 31,6 168,74 915,00 12,72 4, ,72 914,44 11,97 4,52 32,3 146,00 914,44 11,01 4,35 32,6 141,81 913,89 10,70 4,15 32,8 136,12 914,44 10,27 3, ,70 913,89 9,71 3, ,39 916,11 9,51 3,66 33,2 121,51 914,44 9,16 3,49 33,3 116,22 912,22 8,79 3,14 33,6 105,50 912,22 7, ,8 0,00 910,00 0,00 Side 32 af 40

33 Multikrystallinsk 196 W solcelle areal 1,45 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] Soleffekt [W/m2] Effektivitet [%] 8 0 0,00 948,89 0,00 7,96 1,516 12,07 945,00 0,88 7,92 2,255 17,86 942,22 1,31 7,97 3,56 28,37 947,22 2,07 7,96 4,33 34,47 946,11 2,51 7,98 5,17 41,26 950,56 2,99 7,99 6,4 51,14 951,11 3,71 7,97 7,3 58,18 950,00 4,22 7,96 9,6 76,42 950,00 5,55 7,95 10,97 87,21 950,56 6,33 7,96 12,6 100,30 951,67 7,27 7,96 13,97 111,20 952,22 8,05 7,96 16,12 128,32 951,67 9,30 7,95 18,04 143,42 951,11 10,40 7,95 20,03 159,24 950,56 11,55 7,88 22,29 175,65 950,56 12,74 7,67 24,17 185,38 950,56 13,45 7,64 24,95 190,62 949,44 13,85 7,45 26,09 194,37 950,00 14,11 7,22 27,15 196,02 949,44 14,24 6,77 28,17 190,71 948,33 13,87 5,71 29,87 170,56 949,44 12,39 4,96 30,73 152,42 948,33 11,08 4, ,22 948,33 10,42 4,08 31,6 128,93 949,44 9,37 3, ,00 948,89 8, ,5 0,00 948,89 0,00 Side 33 af 40

34 Multikrystallinsk 178 W solcelle areal 1,45 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] 0 33,5 0, ,2 93,60 3,08 31,1 95,79 3,28 30,9 101,35 3,56 30,6 108,94 3,73 30,4 113,39 4,02 30,1 121,00 4,06 30,1 122,21 4,46 29,7 132,46 5,1 28,9 147,39 5,73 28,2 161,59 6,82 26,2 178,68 7,37 24,2 178,35 7,7 21,95 169,02 7,81 18,07 141,13 7,82 16,19 126,61 7,82 14,12 110,42 7,9 10,95 86,51 7,92 7,57 59,95 7,93 6,31 50,04 7,97 5,17 41,20 7,89 1,397 11,02 Side 34 af 40

35 Multikrystallinsk 100 W solcelle areal 1,45 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] Soleffekt [W/m2] Effektivitet [%] 3,54 0,00 0,00 561,11 0,00 4,74 2,20 10,43 538,89 1,33 4,33 4,67 20,22 533,33 2,61 4,24 6,44 27,31 538,89 3,49 4,12 9,43 38,85 550,00 4,87 4,30 13,84 59,51 500,00 8,21 4,01 15,68 62,88 483,33 8,97 3,73 19,70 73,48 500,00 10,14 3,80 23,20 88,16 488,89 12,44 3,83 26,70 102,26 483,33 14,59 3,53 29,00 102,37 494,44 14,28 3,31 30,00 99,30 472,22 14,50 3,17 30,58 96,94 444,44 15,04 2,88 30,78 88,65 444,44 13,76 0,00 35,00 0,00 444,44 0,00 Multikrystallinsk 12 W solcelle areal 1,45 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] 0,53 0,8 0,42 0,52 2,8 1,46 0,51 7,88 4,02 0,49 10,3 5,05 0,48 18,8 9,02 0,44 26,84 11,81 0,41 29,3 12,01 0,34 30,44 10,35 0,3 31,92 9,58 0,25 31,3 7,83 Side 35 af 40

36 Tyndfilm 43 W solcelle areal 0,75 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] Soleffekt [W/m2] Effektivitet [%] 1 0,003 0,00 918,33 0,00 1 0,695 0,70 914,44 0,10 0,99 16,76 16,59 915,00 2,42 0,97 33,3 32,30 915,00 4,71 0,94 43,7 41,08 916,67 5,97 0,92 46,4 42,69 912,22 6,24 0,86 50,3 43,26 912,22 6,32 0,75 53,2 39,90 916,11 5,81 0,56 55,9 31,30 916,11 4,56 0,45 57,1 25,70 916,67 3,74 0,37 57,9 21,42 916,67 3,12 0,32 58,3 18,66 916,67 2,71 0,25 58,9 14,73 917,22 2,14 0,21 59,2 12,43 917,22 1,81 0,2 59,3 11,86 917,78 1,72 0,18 59,4 10,69 918,33 1,55 0,17 59,5 10,12 916,67 1,47 0,15 59,6 8,94 918,33 1,30 0,15 59,6 8,94 917,22 1,30 0,13 59,7 7,76 918,33 1,13 0,12 59,8 7,18 917,22 1,04 0,11 59,9 6,59 917,78 0, ,4 0,00 918,89 0,00 Side 36 af 40

37 Tyndfilm 33 W solcelle areal 0,75 m2 Strøm [I] Spænding [V] Effekt [W] Soleffekt [W/m2] Effektivitet [%] 0,63 0,84 0,53 572,22 0,12 0,61 9,98 6,09 611,11 1,33 0,65 15,79 10,26 594,44 2,30 0,61 21,45 13,08 600,00 2,91 0,67 31,20 20,90 705,56 3,95 0,68 37,80 25,70 711,11 4,82 0,68 48,40 32,91 700,00 6,27 0,64 50,40 32,26 655,56 6,56 0,57 51,90 29,58 655,56 6,02 0,54 54,40 29,38 683,33 5,73 0,49 55,90 27,39 666,67 5,48 0,40 56,40 22,56 627,78 4,79 0,31 58,10 18,01 650,00 3,69 0,26 58,10 15,11 566,67 3,55 0,20 58,50 11,70 522,22 2,99 0,17 58,6 9,96 511,11 2,60 0,15 59,9 8,99 505,56 2,37 0,11 59,2 6,51 477,78 1, ,4 0,00 455,56 0,00 Side 37 af 40

38 9 stk. Tyndfilm sat parallelt sammen Spænding kl.: Strøm [I] [V] Effekt [W] effekt pr. p. [W] Areal 6,75 m2 Soleffekt [W/m2] Effektivitet % opladet [Wh] 09:15 4,20 48,00 201,60 22,40 522,22 5,72 09:30 4,85 47,79 231,82 25,76 594,44 5,78 54,18 09:45 2,70 46,00 124,20 13,80 411,11 4,48 98,68 10:00 4,60 45,98 211,50 23,50 634,44 4,94 140,64 10:15 5,70 46,48 264,94 29,44 713,33 5,50 200,20 10:30 6,00 46,00 276,00 30,67 727,78 5,62 267,82 10:45 6,50 48,00 312,00 34,67 750,00 6,16 341,32 11:00 4,42 48,67 215,13 23,90 495,00 6,44 407,21 11:15 2,87 46,01 132,04 14,67 387,22 5,05 450,60 11:30 2,70 45,44 122,77 13,64 373,33 4,87 482,45 11:45 2,28 44,49 101,43 11,27 338,33 4,44 510,48 12:00 2,90 46,80 135,81 15,09 355,56 5,66 540,13 12:15 3,10 47,59 147,53 16,39 444,44 4,92 575,55 12:30 3,10 47,78 148,32 16,48 420,56 5,22 612,53 12:45 2,65 47,85 126,84 14,09 344,44 5,46 646,93 13:00 2,84 48,08 136,40 15,16 385,56 5,24 679,83 13:15 3,05 47,94 145,96 16,22 405,56 5,33 715,13 13:30 4,30 47,38 203,51 18,99 468,33 6,44 758,81 13:45 2,32 47,48 110,15 12,24 311,11 5,25 798,02 14:00 2,02 47,46 96,06 10,67 261,11 5,45 823,79 14:15 2,18 47,70 104,13 11,57 296,11 5,21 848,82 Side 38 af 40

39 Bilag 6 - Tegning af spær og placering Side 39 af 40

40 Bilag 7 Tidligere tilbud Side 40 af 40