Solcelleanlæg Elbranchens Faglæreruddannelse 2014 uge 26 Ivan Katic, Energi & Klima ik@teknologisk.dk
Indhold Er solceller CleanTech? Solcelleteknologien i korte træk Opbygning af typiske anlæg Beregning og dimensionering Regler for installation og afregning Montage på bygninger??????? Gerne undervejs
Er solceller CleanTech? Hvad sammenligner vi med? Kul eller vindstrøm Hvilken type byggemateriale erstattes eventuelt? Der findes ikke ET svar, men for de almindeligste solceller gælder: Stort energiforbrug til fremstilling Ubehagelige kemikalier i produktionen
Er solceller CleanTech? CO 2 ækvivalent belastning fra forskellige bygningsdele i Norsk kontorhus. Artikel fra Ingeniøren -> Måske for negative, men der er en tendens
Er solceller GreenTech Alligevel relevante fordi: Meget el bliver stadig produceret med fossile brændsler Solceller producerer el i mindst 20 år og energien er hentet hjem på under 2 år. Altså minimum 10 gange mere energi end der er gået til fremstillingen Nye og grønnere solcelleteknologier kommer til Ved erstatning af tegl eller andre energitunge produkter ser det endnu bedre ud
Solcelleteknologien
Solcellens princip En solcelle konverterer energien i lys direkte til elektrisk energi ved hjælp af den fotovoltaiske effekt (på engelsk forkortet PV) Nul bevægelige dele, nul støj, nul omsætning af stoffer under drift Enhed for elektrisk ydelse: WattPeak Sollysets fotoner får elektronerne til at bevæge sig mod overfladen, og der opstår en spænding
Definition af ydelse En solcelles nominelle elektriske effekt angives i enheden Wp. (Watt Peak) Denne bestemmes ved måling ved såkaldte Standard Test Conditions (STC): - solindstråling 1000 W/m 2 - celletemperatur 25 C - AirMass 1,5 (udtryk for sollysets kvalitet
Effektkurve for en typisk solcelle
Datablade for et modul eks.
Indstråling og temperatur Spændingens afhængighed af celletemperatur angives normalt ved en koefficient udtrykt i %/K eller mv/k. Effekttabet er mest udtalt i de markedsdominerende krystallinske silicium-celler med omkring 0,5 % pr. C, temperaturen stiger.
Elektriske karakteristika (øvelse) Princip for måling af karakteristisk strøm-spændingskurve Brug lille solcellepanel samt overhead projektor og mål UI kurven
Modularitet celle modul Fra lommeregner til kraftværk felt
Solcellemoduler/paneler Solcellemoduler findes i et stort udvalg af størrelser, udseende og kvaliteter. Standardmoduler til nettilsluttede anlæg leveres oftest i størrelser på 1-3m 2 og 100-300 W spidseffekt, angivet ved en solindstråling på 1000 W/m 2 og en temperatur på 25 o C i cellerne. Mindre moduler findes også og bruges mest til stand-alone anlæg. Modulerne består af et antal serieforbundne celler, som tilsammen giver en typisk arbejdsspænding på 30-40 volt, men celleantal, og dermed spænding, kan variere. Systemer med spændinger på op til 1000 volt kan opnås ved at serieforbinde modulerne. Større strømstyrke opnås ved at parallelforbinde modulerne.
Opbygning af et PV modul Hærdet glasfront UV stabil EVA plast beskytter cellerne mod fugt og ilt Ridsefast og UV stabil teflon bagside Bages i vakuum laminator Alu ramme
Solcelletyper Wafers (skiver) Typisk 0,3 mm tykke Mono-Si Polyi-Si Poly-Si (string-ribbon) Poly-Si (EfG) Tyndfilm Aktivt lag typisk 0,003 0,008 mm tykke Amorft silicium CI(G)S CdTe + andre typer (GaAs, μsi, PEC/DSC, plastik, )
Krystallinsk Si Mono Poly (eller multi) Gennemprøvet teknologi (>50 år) Mest effektive kommercielle teknologi (13 21 %) Dokumenteret meget lang holdbarhed og høj pålidelighed Indeholder kun meget gængse materialer Mange procestrin og højt energiforbrug til fremstilling (For) stort indhold af aktivt materiale (højrent Si), som er meget dyrt Høj temperaturfølsomhed
Amorf Si Først udviklede tyndfilms-teknologi Gode lavlysegenskaber Lavt forbrug af aktive materialer (1 % ift. x-si) Lav temperaturfølsomhed Kan laves fleksible Rigelige materiale ressourcer Mindst effektive tyndfilms-teknologi (5 8 %) Degraderer voldsomt de første måneder
CI(G)S Copper-Indium-(Gallium)-diSelenide. Lang tid undervejs, men nu flere producenter. Lavt forbrug af aktive materialer (1 % sammenlignet med krystallinsk silicium) (Sandsynligvis) lang levetid P.t. den tynd-film-teknologi med den højeste effektivitet (10-13 %) Kan laves fleksible Flot sort homogent udseende Relativ høj temperaturfølsomhed Indium et relativt sjældent grundstof
CdTe Cadmium-Telluride. (tynd-film) Adskillige år under vejs. P.t. én meget stor producent, men flere nye klar til at komme ind på markedet P.t. betragtet som den PV teknologi med de laveste omkostninger Lavt forbrug af aktive materialer (1 % sammenlignet med krystallinsk silicium) (Sandsynligvis) lang levetid Tynd-film teknologi med medium virkningsgrad (10-12%) Homogent mørkt udseende Rimelig lav temperaturfølsomhed Kontroversiel pga. cadmium indhold. Sælges mest til store solfarme, hvor hvert modul trackes Tellurium et relativt sjældent grundstof
Polymer solceller (tynd-film) På forskningsstadiet (Risø) Potentiale for meget lave fremstillingsomkostninger (billige materialer, kendte trykketeknikker, lavt energiinput). Er født fleksible og kan nemt skæres til i forskellige former og mønstre Meget lav vægt Meget kort energitilbagebetalingstid Meget lav virkningsgrad (dog potentiale for væsentlig forbedring) Meget kort levetid sammenlignet med dagens arbejdsheste (dog potentiale for væsentlig forbedring)
Virkningsgrader for kommercielle moduler
Temperaturfølsomhed Teknologi Klassisk x-si -0,45 Amorf Si -0,20 Micromorph Si -0,25 CIS -0,35 CdTe -0,25 Temp. koeff. (effekt) [%/ C] Elproduktionen falder ved stigende solcelletemperatur - mest på de klassiske krystallinske solceller, men også en del på CIS
Relativ udendørs moduleffektivitet Lav-lys egenskaber, Solcellers ydeevne bestemmes ved Standard Test Conditions (1000W/m2, 25 C, AM1,5) Amorf Si-tripple Klassisk krystallinsk silicium Ved overskyet vejr falder indstrålet energi, og lysets spektrum forskydes
Sammenfatning, PV teknik 1. generation: c-si vil fortsat have førertrøjen på i nogle år. Høj virkningsgrad, robust, dokumenteret lang levetid, rigeligt med råmaterialer, ingen miljøskadelige stoffer. Men fortsat energikrævende og med en mindre automatiseringsgrad i fremstilling 2. generation: a-si/μc-si, CdTe, CIS vil vinde markedsandele. Lavere virkningsgrad, knap så dokumenteret levetid, visse råmaterialebegrænsninger på meget langt sigt, enkelte typer indeholder miljøproblematiske stoffer. Men fortsat potentiale for virkningsgradsforbedringer, egnet for højautomatisk fremstilling med lavt energiinput 3. generation: polymer (Risø), organiske. Lavest virkningsgrad og levetid endnu lav og næppe nogensinde så høj som 1. og 2. generation. Men potentiale for ekstremt lav kostpris gennem billige materialer og simple fremstillingteknikker ved meget høj hastighed
Ideer til undervisning Små forsøg med måling af sollys på forskellige flader Forsøgsopstilling med lille solcellepanel på overheadprojektor eller halogenlampe Forsøg med delvis skygge på solcellepanel http://www.pveducation.org/ har masser af inspiration
Solcelleteknologien Anlægsopbygning
Systemtyper Ikke-nettilsluttede, direkte drift Ikke-nettilsluttede, med regulator og batteri Nettilsluttede
Princip for nettilsluttet anlæg Køb/salg Jævnstrøm Inverter Vekselstrøm M1 M2
Store og små anlæg Modulstørrelse typisk 1-3 m2 30-40V pr modul Elektrisk opbygning kan variere Effekt fra 0,2->500 kw 31
Sikkerhedsstyrelsen Stiller kun specifikke krav til nettilsluttede systemer Krav til systemjording og beskyttelse mod elektrisk stød Forsyningsnettet anses for kilden, solcelleanlæg som belastning Krav til mærkning af forbindelsesdåser Til dels mulighed for gør det selv De nye krav til solcellesystemer findes i stærkstrømsbekendtgørelsen 6A kapitel 712.
Generel installation
DC kredsen a.) b.) Seriekoblede moduler kaldes strenge Flere strenge kan parallel-forbindes Bypass dioder er normalt indbygget i modulernes forbindelsesboks Vigtigt at overholde maksimal spænding i f.t. jord
Seriekobling af moduler med ens strømstyrke Ved seriekobling af moduler er det vigtigt at deres nominelle strømme er så ens som muligt. Spændingerne kan godt være forskellige, så moduler med forskelligt celleantal i serie kan godt forbindes på denne måde.
Parallelkobling af moduler med ens spænding Ved parallelkobling af moduler er det vigtigt at deres nominelle spændinger er så ens som muligt. Strømstyrken kan være forskellig, så man kan godt parallelkoble forskellige størrelser af solcellemoduler, bare celleantallet i serie er det samme.
Mismatch tab ved kobling af uens moduler Mismatch tab skyldes at der altid vil være en lille afvigelse i de elektriske data fra modul til modul. Endvidere kan modulerne komme til at sidde under lidt varierende temperaturmæssige forhold; fx vil moduler i kanten af et felt ofte være lidt bedre ventileret.
Mismatch Der kan ikke passere mere strøm igennem serien, end hvad det lavest ydende solcellepanel kan producere! HUSK ens belysning af hele strengen.
Skygger
Bypass-dioder a) b) c) I K I [ A ] b) a) I K 2 c) U L 2 U L U [ V ] 3 U L
Samlebokse Samleboks med bypass dioder for seriekobling af moduler. Bruges mest i større anlæg med central inverter Samleboks med sikringer for parallelkobling af strenge
Kabler og stik Der anvendes (desværre) mange forskellige typer stik alt efter fabrikat af solcellemoduler. Hvert mærke har typisk sit eget specialværktøj for montage af stik.
Spændingsfald Spændingsfaldet i DC kredsen bør holdes under 3% ved fuldlast Beregnes som: U=R*I mpp R er den samlede modstand i kredsen som kan findes af den samlede ledningslængde ganget med modstanden pr meter (kobber): Leder mm2 2,5 4 6 10 16 Ohm/meter 0,0074 0,0046 0,0031 0,0018 0,00073
Vekselretter / inverter Funktioner MPP tracking Konvertering Dataopsamling Display
Forskellige invertertyper = = = a) Central = = = b) Streng c) Modul = = = PV-Abzweig = = = = 3 1/3 1/3 1/3 1/3 Netz Netz Netz a) b) c)
Smart grid funktionalitet Vekselretterne Skal koble helt fra ved ustabilt net, men må gerne blive inde hvis frekvensen falder lidt Skal fremover kunne reguleres med signal udefra, for eksempel reducere effekten hvis netspændingen stiger Skal fremover kunne levere reaktiv effekt til nettet ved signal udefra 46
Virkningsgrad
Kombinering af solcellemoduler med inverter
Placering af inverter Inverteren skal som udgangspunkt placeres tørt og køligt og i rene omgivelser. Et varmt og støvet loftsrum er således ikke den bedste løsning. Inverteren tager måske ikke skade i første omgang, men høj temperatur kan dels betyde reduceret ydelse fordi den selv drosler ned for at undgå overbelastning, dels vil levetiden blive reduceret.
Batterilager?
Dimensionering: En iterativ proces Omtrentlig størrelse Valg af modultype Geometrisk opbygning Overslagsberegning og evt. justering Elektrisk opbygning Detailberegning
Ideer til undervisning Små forsøg med måling af sollys på forskellige flader Forsøgsopstilling med lille solcellepanel på overheadprojektor eller halogenlampe Forsøg med delvis skygge på solcellepanel Beregning af spændingsfald i DC kredsen
Solcelleteknologien Anlægsopbygning Beregning
Princip for beregninger Årlig ydelse: Kan beregnes ud fra solindstrålingen på den pågældende flade gange den årlige anlægsvirkningstrad Årlig anlægsvirkningsgrad = Nominel virkningsgrad fra moduldatablad gange en systemfaktor Systemfaktor eller Performance Ratio (PR) er et mål for hvor ideelt anlægget kører i praksis og inkluderer en lang række faktorer.
Systemtab i praksis (beregningseksempel) Tabskilde Reduktions Typiske -faktor værdier Tolerance på moduleffekt (Wp afvigelse) 0,97 0,9-1,05 Temperatur og belysningsafvigelse fra 0,97 0,9-1,00 STC Mismatch ved modulsammenkobling 0,98 0,97-0,995 Dioder og samlinger 0,99 0,99-0,997 Skygger på moduler 1,00 0,7-1 Tilsmudsning / sne 0,98 0,3-0,995 Ældning 1,00 0,7-1,00 DC kabler, spændingsfald 0,99 0,97-0,99 Inverter (EU virkningsgrad) 0,94 0,88-0,98 AC kabler, spændingsfald 0,99 0,98-0,993 Rådighedstid (netfejl, udkobling) 0,99 0,97-1,00 Samlede anlæg 0,82
Nøgletal Specifik ydelse i kwh/kwp pr år svarer til antal fuldlasttimer = Anlæggets målte ydelse Modulernes nominelle effekt Systemfaktor eller Performance Ratio (PR): Anlæggets målte virkningsgrad Modulernes nominelle virkningsgrad For gode anlæg i Danmark kan man regne med 950 kwh/kwp og PR = 0,85 Anlægsmåling f.eks. på www.pvoutput.org
Beregningsmetoder for ydelse Manuelt med skema eller nomogram Forenklet online beregning på www.pvgis.org eller http://www.nrel.gov/rredc/pvwatts/ Simuleringsprogram, f.eks. www.pvsyst.com Fabrikantspecifik software, for eksempel SMA eller Danfoss
Overslagsberegning anlægsstørrelse tabskilder placering
Sol i Danmark (fra DMI) Baseret på DMI statistik Viser årlig indstråling på vandret i kwh/m2 Se evt. aktuel målt solfordeling på DMI hjemmeside
Solindstråling årsvariation i Dk
Sollys, begreber Der er cirka lige meget energi i det direkte og det diffuse sollys i Danmark Silkeborg December 2009 61
Solenergi i % af optimum 60 65 70 75 80 85 90 95 100 90 75 60 45 30 Hældning fra vandret 15 0-90 -60-30 0 30 60 90 Afvigelse fra syd 62
Ideer til undervisning Regneopgaver i dimensionering og vurdering af performance ratio Analysere målinger af elproduktion og sætte det i forhold til det forventede www.pvoutput.org indeholder data for mange anlæg som man kan sammenligne
Solcelleteknologien Anlægsopbygning Økonomi og regler Beregning
Afregning af nye PV anlæg (Lov om ændring af lov om fremme af vedvarende energi 2013-07-04 + Energinet.DK) Anlægstype Placering Max størrelse Privat+Boligfore n. Individuel model Boligforen. kollektiv model Boligforen. Fælles Boligforen. Fælles Kommuner** Egen installation Egen installation 6 kw / husstand 6 kw / husstand Tarif første 10år Tarif næste 10 år Tarif herefter 130 *) Markedspris Markedspris 130 *) Markedspris Markedspris Tagplaceret ingen 145 *) Markedspris Markedspris Anden placering Egen installation ingen 130 *) Markedspris Markedspris ingen 60 40 Markedspris *) : Årlig nedtrapning ved etablering senere end 2013. Takster opnås kun ved EU-kommissionens godkendelse! **): En forudsætning for nettoafregning er deltagelse i 20MW pujle for anlæg på eksisterende bygninger eller dispensation for selskabsdannelse for nybyggeri
Træerne vokser ikke ind i himlen Afregningsprisen aftrappes efter følgende plan: Genforhandling om satser fra 2018
Hvad betyder ændringerne? Det kan ikke betale sig at bygge anlæggene for store hvis de er tilsluttet egen installation. På privatmarkedet vil systemerne derfor blive mindre eller helt forsvinde. Hvis man dimensionerer anlægget så det kun dækker grundlasten får man den største besparelse Hvis man ikke kender sit (forventede) forbrug time for time, er det ikke muligt at gennemføre en retvisende økonomiberegning
Afregningsmåling Måleren skal i reglen udskiftes når der installeres solcelleanlæg. M2/M3 kan være en enkelt måler med to tælleværker M1 er ikke altid nødvendig.
Eksempel, Campingplads Flest gæster om sommeren hvor solen skinner Spidslast i weekender Timeforbrug vs produktion for 2. kvartal:
Værdi af anvendt solcellestrøm Afhænger bl.a. af elpris og eksport tarif Værdi for slutbruger op til 2,2 kr/kwh Husk elvarme rabat Vær opmærksom på måleropsætning Faser og måleretning Evt. rådighedsbetaling til netselskab Kilde: PWC
Hvad bringer fremtiden? Strammere energikrav i byggerier Dyrere el Billigere PV SmartGrid
Ideer til undervisning Estimering af egetforbrug ud fra hidtidigt elforbrug (Datahub) Opstilling af økonomi for privat husstand med og uden elvarme/varmepumpe Beregning af hvad energilagring betyder for økonomien Opstilling af økonomi for erhverv
Bygninger og solceller Solcelleteknologien Anlægsopbygning Økonomi og regler Beregning
Nybyggeri og renovering Energirammekrav til nye bygninger og større renoveringer er meget skrappe Solcelle/solvarme anlæg er stadig en gangbar metode til at opfylde kravene på. Prisen på en kvadratmeter solcellemodul er lavere end visse andre byggematerialer. Rentabelt tiltag hvis Besparelse 1.år x levetid / investering > 1,33 IEA studie over solceller i bygninger Rustfri stål Glasfacade Solceller Natursten Poleret sten 0 5 10 15 20 25 30 Kvadratmeterpris i 1000 kr
Fra demoprojekter til marked Før 2010: Dyre solceller, dyr integration demonstrationsprojekter Nu: Billige solceller, dyr integration Fremtid: Billige solceller i integrerede standardprodukter? 75
Bygninger og solceller Husk arkitektur Undgå værdiforringende energiforbedringer
Muligheder for integration eller montage Tagflade Facade Vinduespartier Terræn Del af klimaskærm eller monteret udenpå?
Bygningsskader Snelast Vindlast Gennemtæring Råd og svamp
Hjælpen er på vej Træinformation www.træinfo.dk er ved at beregne bæreevne af typiske danske tagkonstruktioner Energistyrelsen vil bruge resultaterne til en officiel bekendtgørelse Dansk Standard har udgivet en generel håndværkerguide om solcelleanlæg Teknologisk Institut udgiver specifikke guidelines på www.bis.teknologisk.dk
Montagesystemer til skråtag
Flade tage
Montagesystem facade Naps Solar Glazing system Solar Photovoltaic Ventilated Rainscreen / KingSpan
Facadeinstallation
Generende reflekser fra solceller? - Glans Visse kommuner stiller specifikke krav til glansværdi! I forbindelse med fx maling og tagsten ses ofte en inddeling i glanstal: Helmat: 0 5 Mat: 5-10 Halvmat: 5 30 Halvblank: 30 60 Blankt: 60 90 Højglans: 90 + METODEN UEGNET TIL SOLCELLEMODULER!
Problemer ved brand Belyste solcellepaneler kan ikke afbrydes (spændinger op til 1000 V dc) Risiko for alvorlige lysbuer pga. dc Udvikler visse toksiner ved brand Solcellepaneler kan gøre det vanskeligt at færdes på et tag og kan udgøre en vanskeligt gennemtrængelig barriere for brandfolkene
Vedligehold og levetid Regn med 1% af investering til årligt vedligehold. Eventuelt udskiftning eller reparation af inverter efter 10 år+ Rengøring normalt unødvendig ved hældning over 15 grader Fald i ydelse 0,5% pr år som gennemsnitsværdi Delaminering og svigt af elektriske samlinger kan evt. forekomme efter 25-30 år, meget fabrikatafhængigt 86
Kvalitet & garantier for PV-moduler Design kvalifikation og typegodkendelse, standarder: IEC61215 & IEC61646 Materiale- og fabrikationsfejl garanti typisk 2 til 5 år (op til 12 år) Ydelsesgaranti på 90% af den nominelle udgangseffekt i de første til 10 år og 80% i løbet af 25 år... eller endnu bedre =>
Produktkvalitet Vær på vagt ved ukendte fabrikater, typisk made in China Forlang dokumentation i form af testrapporter fra uafhængig kilde Anmod om flashtest-rapport for hvert modul. Disse udføres helt automatisk af mange fabrikanter. Forlang referencer som kan tjekkes, eventuelt besøges Se efter produkt- og ydelsesgaranti i forhold til lignende produkter IEC 61730: Photovoltaic (PV) module safety qualification (obligatorisk) IEC 61215 og IEC 61246: terrestrial photovoltaic (PV) modules Design qualification and type approval for hhv. krystallinske siliciummoduler og tyndfilmsmoduler Inspiceres fabrik af uafhængigt institut?
Kvalitetssikring i DK Bygningsreglementet stiller krav om at anlægget ikke må skade bygningen og giver mulighed for at egenproduktion kan modregnes i energirammen Energinet.DK foretager egen vurdering af vekselrettere og har oprettet en positivliste KSO ordningen for frivillig certificering af installatører: uddannelse, stikprøver Energistyrelsen overvejer positivliste eller lignende redskaber for uvildig forbrugervejledning Resultatkontrakt: Bygningsintegreret solenergi www.bis.teknologisk.dk Link: www.kso-ordning.dk
Tyske minimumskrav til måling Modstand af jordingssystem Isolationsmodstand for PV generator Isolationsmodstand for DC hovedledning Åbenkredsspænding på PV generator Åbenkredsspænding på hver streng Kortslutningsstrøm for hver streng Spændingsfald over hver eventuel spærrediode Spændingsfald over hver strengsikring
BIPV Særligt behov for kvalitetssikring i forbindelse med bygningsintegration: Brand, vandindtrængen, vindlaster..kontakt med Brandmyndigheder, notat udarbejdet om forholdsregler ved brand. Tværfaglig EU arbejdsgruppe under ledelse af Schüco er i gang med at definere oplæg til standarder der både tager byggeteknik og elteknik med. NYT: Cenelec TC 82 starter ny arbejdsgruppe Photovoltaics in buildings. Følger arbejdet.
Den gode løsning Gør bygningen mindre CO2 belastende over levetid Giver ejer/bruger en økonomisk gevinst Må gerne give et arkitektonisk løft Er i symbiose med de tekniske anlæg i bygningen Giver ikke merbelastning af elnettet passer forbrug og produktion sammen? Og allervigtigst: Spar først på energien!
Ideer til undervisning Udfylde et afleveringsskema Måle på et konkret anlæg på et hus Find fem fejl / billedeksempler Demonstrere lysbuer i.f.t. brandrisiko
Nyttige links www.solcellepriser.dk www.solenergi.dk www.bis.teknologisk.dk www.pvoutput.org www.energinet.dk www.energitjenesten.dk www.kso-ordning.dk