Facadebeklædning med TFS-solceller

Facadebeklædning med TFS-solceller Af Lars Yde November 2001 Projektet er udført med tilskud fra det 3-årige udviklings- og demonstrationsprogram for bygningsintegrerede solceller som administreres af Energistyrelsen

Facadebeklædning med TFS-solceller ENGLISH SUMMARY... 3 BAGGRUND... 3 State of the art...3 Fremtidens solceller...4 BYGNINGSINTEGRERING... 5 BESKRIVELSE AF HUS OG FACADE...5 Tilpasning til bygning...7 Aluminiumsprofiler...8 ELEKTRISK DESIGN... 12 Solcellemodulerne...18 Thin Film Silicon Technology...18 Solar panels for domestic and professional systems...18 Building Integration...19 Designing with Thin Film Silicon...19 Nettilslutning...19 ØKONOMI... 21 Investering...21 Direkte tilbagebetalingstid...22 KONKLUSION... 23 EFTERSKRIFT.... 24 2

English Summary Facade cladding with TFS solar cells The object of this project was to develop a very cheap but proper standard solution with regard to the construction as well as the architectural conditions based on Thin Film Silicon (TFS) solar cells. The goal with regard to prices is a simple payback time of 10 years with a grant of 50%. By covering large areas, that means the whole facade or the whole roof, high architectural quality can be obtained. By using a well-proven aluminium profile system high quality on the construction is obtained. The PV plant is installed on the facade of SkibstedFjord Training Center at the Folkecenter for Renewable Energy in Denmark. The price of TFS modules is 2.6$ per watt, which is about half of the price of crystalline modules. Therefore the price per kwh produced is also half. TFS modules have only 45 Watt per m 2 which is a advantages because the PV plant then will cover a lager area compared to a plant of the same power using crystalline cells. 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. 100.000 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. Polykrystallinske. 3

3. Tynd Film Silicium (TFS). De krystallinske moduler er de dominerende. Der er så vidt vides ikke til dato installeret et eneste virkeligt bygningsintegreret anlæg i Danmark, hvor solcellemodulerne erstatter en anden facade- eller tagbeklædning. At virkningsgraden kun er den halve af, hvad den er for krystallinske celler, er ikke nødvendigvis en ulempe. Anvendes PV moduler som facadebeklædning, 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. Fremtidens solceller Det må forventes, at TFS solceller bliver den dominerende teknik i fremtiden. Dels på grund af det mikroskopiske forbrug af halvledermateriale i forhold til krystallinske celler, og især fordi der ikke er loddearbejde forbundet med modulfremstillingen. De enkelte celler forbindes ved med laser at skære til forskellige dybder af halvledermaterialet. Hermed er TFS teknikken særdeles velegnet for masseproduktion. Alt i alt betyder det, at modulerne kan sælges for en pris pr. watt, som kun er det halve af, hvad krystallinske moduler koster. Dermed bliver prisen pr. produceret kwh også den halve af, hvad der er almindeligt for anlæg, der anvender krystallinske solceller. Der har tidligere været tvivl om TFS cellernes levetid. Selv om den sikkert aldrig bliver så lang som de krystallinske cellers, så er producenterne nu nået så vidt, at de giver 10 års garanti på ydelsen. Det er det samme, som var almindeligt for krystallinske celler for få år siden. Der har været et meget tæt samarbejde med solcelleleverandøren Intersolar i England omkring modificering af deres standardmodul. Modificeringen har omhandlet modulets plus og minus terminaler, samt montering af vandtætte stik i stedet for terminalbokse. 4

Det var nødvendigt at udvikle en løsning, som gav terminalerne tilstrækkelig styrke, idet den originale ledning, der kommer ud af modulet, er et 0.1 mm tykt og 5 mm bredt aluminiumsbånd. Ved at anvende krympeflex, som blev indstøbt i modulets laminering i den ene ende og en forstærkning med 1 mm aluminium tråd i den anden ende med stikket, lykkedes det at lave en robust og billig løsning, som samtidig opfylder kravene til den elektriske isolation. Bygningsintegrering BESKRIVELSE AF HUS OG FACADE Solcelleanlægget blev installeret på facaden på SkibstedFjord Kursus- og Træningscenter. Træningscenteret havde allerede to bygningsintegrerede solcelleanlæg. Begge vinduesintegrerede og på 1 kw; men forskellige i cellemønster, størrelse og type. Det ene anlæg er med mono- og det andet med polykrystallinske celler. Se nedenstående billeder. 5

Polykrystallinske celler. Monokrystallinske celler. Det nye anlæg med TFS moduler blev monteret på den lodrette brystning ovenover vinduespartiet, der som et 75 meter langt glasbånd dækker hele bygningens sydfacade. Brystningen er en meter høj og består af hårde rockwool bats beklædt med et 100x100 mm galvaniseret Rionet. Det var meningen, at brystningen skulle begroes med vedbend, men det forhindrer den kraftige og saltholdige vestenvind. Se ovenstående foto. 6

Modulerne som måler 935x330 mm og er 6 mm tykke blev leveret uden rammer og junktionbokse. De blev monteret som vist på tegningen i et sprosseprofil, som skrues direkte på facaden. Profilet med tilhørende glaslister anvendes normalt i professionelle drivhuse og koster kun 33 kr./m inklusiv skruer og glasliste. Der skal ved opbygningen af facaden sikres passende afkøling af modulerne ved ventilation af bagsiden. Den opvarmede ventilationsluft kan eventuelt på et senere tidspunkt anvendes til forvarmning af varmt vand eller ventilationsluft til bygningen. Tilpasning til bygning På steder, hvor der er så meget skygge, så elproduktionen bliver urentabel, monteres der dummymoduler. Det vil sige moduler, der ser ud som de øvrige moduler; men som ikke kan producere strøm. Det er moduler, som er frasorterede i produktionen. Pris ca. 200 kr./m 2. Dummymodulerne kan i modsætning til krystallinske moduler let tilskæres, så det samlede solcellefelt kommer til at dække facaden 100%. Bemærk hvordan dummymodulerne er skåret til omkring bygningens hjørne. 7

Aluminiumsprofiler Konceptet, hvor et standarddrivhusprofil anvendes til bygningsintegrering af solenergianlæg, er ikke ny. Nogle af de allerførste solvarmeanlæg, som blev installeret i Danmark sidst i halvfjerdserne, anvendte det 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 anlæg er stadig i brug. I stedet for at anvende de glaslister, som hører til drivhusprofilerne, blev der fremsillet to specielle glaslister. Et til fastholdelse af de yderste moduler og et til de midterste. Det var ikke muligt at finde et standardprofil, som kunne danne overgang mellem solcellemodulerne og den bagvedliggende facadebeklædning langs solcellefeltets kant vandret for oven og forneden. For at få et ensartet look blev der fremstillet en tilsvarende glasliste til brug midt på solcellefeltet. Se efterfølgende 4 tegninger. 8

9

10

For at markere solcellefeltets afslutning omkring bygningens gavle blev der monteret et rødt bånd af stålplader i samme nuance som glaslisterne. Et tilsvarende bånd danner overgang mellem solcellefeltet og bygningens tag. Se nedenstående tegning. For at kunne fastgøre de lodrette inddækninger på solcellefeltet føres sprosseprofilerne 20 mm udenfor modulerne. Se efterfølgende to tegninger. 11

Elektrisk design Det elektriske design tager udgangspunkt i inverteren og dens maksimal tilladelige spænding på dc siden. P.g.a. prisen blev der valgt en 2,5 kw Sunmaster fra MASTERVOLT Holland. Den kan klarer en maksimal dc-spænding på 180 V. Tomgangsspændingen på TFS modulerne fra Intersolar er på 24 volt ved standardforhold. D.v.s. indstråling på 1.000 W og en celletemperatur på 25 grader Celcius. Otte moduler i serie vil give en spænding på 192 V og syv 168 V. Da inverter blot afbryder forbindelsen til solcellerne ved for høj spænding, blev der valgt en strænglængde på otte moduler. I praksis vil standardforholdene yderst sjældent forekomme, så valget af otte moduler i stedet for syv vil ikke medføre noget produktionstab. Facaden gav plads for 26 strenge, i alt 208 moduler. De efterfølgende tegninger viser modulernes placering samt kabeltilslutningerne til diodeboksen. 12

13

Otte moduler pr. streng betyder, at der for hver otte moduler i serie skal føres et plusog et minuskabel frem til inverteren. De efterfølgende regneark viser beregningen af kabellængder. Ved at indtaste et givet solcellemoduls koordinater beregnes kabellængden automatisk. Den samlede kabellængde blev 1.288 meter, hvilket skyldes, at der er tale om et meget langt og smalt solcelleareal. 14

KABELLÆNGDER FOR PLUSKABLER TIL ØSTFACADER Kabel- Kabel- Diode boks Række 39 Facade, sal sydøst Facade, sal øst Facade, kantinefløj længde længde 0,24 0,48 0,24 0,16 0,24 0,45 i alt Ind- Dum- Ind- Dum- Ind- Dum- Antal dæk- my dæk- my dæk- my kabler ning ning ning 1.0m 105,50 35,17 3 1.0m 0.5m 63 A+ 71 ABC+ 27,69 27,69 1 60 BC+ 49,76 24,88 2 58 B+ 23,01 23,01 1 49 ABC+ 43,79 14,60 3 40 ABC+ 18,54 6,18 3 268,28 13 I alt 15

KABELLÆNGDER FOR MINUSKABLER TIL ØSTFACADER Kabel- Kabel- Diode boks Række 39 Facade, sal sydøst Facade, sal øst Facade, kantinefløj længde længde 0,24 0,48 0,24 0,16 0,24 0,45 i alt Ind- Dum- Ind- Dum- Ind- Dum- Antal dæk- my dæk- my dæk- my kabler ning ning ning 1.0m 125,13 41,71 3 1.0m 0.5m 70 ABC- 78 ABC- 102,69 34,23 3 59 C- 23,95 23,95 1 56 ABC- 63,42 21,14 3 47 ABC- 38,18 12,73 3 353,36 13 I alt 16

INTERNE KABLER TIL ØSTFACADER Kabel- Kabel- Diode boks Række 39 Facade, sal sydøst Facade, sal øst Facade, kantinefløj længde længde 0,24 0,48 0,24 0,16 0,24 0,45 i alt Ind- Dum- Ind- Dum- Ind- Dum- Antal dæk- my dæk- my dæk- my kabler ning ning ning 5,18 5,18 1 58 B+ 62 A- 5,18 5,18 1 61 B- 65 B+ 5,18 5,18 1 61 C- 65 C+ 1,44 1,44 1 59 B- 59 C+ 16,96 4 17

Solcellemodulerne De anvendte moduler er leveret og produceret af Intersolar i England. nedenstående er et uddrag af deres hjemmeside. Thin Film Silicon Technology Photovoltaics is recognised as the most promising of the new renewable energy technologies. The cells are basically large-area light-sensitive diodes that produce DC electricity when exposed to light. After the space programmes of the 1960's the first generation of solar cells for use on earth utilised individual wafers of crystalline silicon. The crystals had to be grown, then sliced and soldered by hand. By the mid 80's Thin Film technologies had achieved acceptable standards of performance. This is generally viewed as the way forward for the industry. Production of Amorphous Thin Film Silicon is automated and has greater opportunities for cost reduction. Microscopic amounts of the active material are vapour deposited in a layer 0.3 microns thick on glass, lasers are then used to define each cell boundary. Cells and panels are produced at a higher output than rated to compensate for the slight loss in performance (Stabler-Wronski effect) over the first six weeks of life. TFS uses no heavy metals in the production process and operates in low light levels. Amorphous Thin Film Silicon (ASi) modules give a better flexibility in power output and a more attractive uniform appearance than is possible with crystalline technology. The panels can be cut for use in consumer products, laminated into stand-alone panels and incorporated as an alternative cladding material into the facade of a building. Solar panels for domestic and professional systems The most popular panel in Intresolar s Phoenix range of thin film silicon panels is approximately 1 metre x 0.3 m (3ft x 1ft) and generates 14 Watts at peak output (Wp). Panels can be used singly or wired together to power any DC load. The number of panels in a system depends on how much power the equipment needs, and how long it will be in use. System performance varies according to the amount of light received on the panels: TFS operates better at lower light levels than other forms of photovoltaic power. Systems which use power at night or round-the-clock (lighting, refrigeration, radios, etc) need a storage battery, as well as a controller to regulate the power flow. Systems linking with mains electricity use the grid effectively as storage but need to convert the DC power generated to AC through an inverter. 18

Building Integration Thin Film Silicon is architecturally attractive. It looks like tinted glass and replaces prime time tariff day-time electricity with power generated by light. For prestige corporate or public buildings thin film silicon makes a strong visual and environmental statement, whether used as an entire facade, or as an architectural detail Thin Film Silicon laminates are more cost-effective than expensive cladding materials and can make an important energy contribution especially in a building designed for energy sustainability. Suitable for new-build projects, as well as retro-fitting onto existing structures. TFS is ideal for the urban environment where other renewables are inappropriate. Designing with Thin Film Silicon The current output of a cell is specified at a standard irradiation level (1kWm2 at air mass 1.5) which relates to output in full direct sunlight (100,000 lux). A cloudy day is typically 10,000 lux, and indoor typically 500 lux. Voltage output is proportional to the number of cells: 26-29 produces 12 Volts output. Each cell gives an open circuit voltage about 900mV but is most efficient at an operating voltage of about 600mV per cell. Voltage output is not sensitive to light level which remains constant down to low light levels. TFS generates power even in low light levels under 10% of full light ideal for Northern Europe and indoor applications. Citat slut. Intersolars største marked ligger i dag indenfor apparat-integrerede solceller. Firmaet har tidligere forsøgt sig med bygnings-integrerede solceller, men uden held fordi løsningen ikke prismæssigt kunne konkurrere med krystallinske moduler. Intersolar har derfor meget store forventninger til designet, som er udviklet i dette projekt. Nettilslutning De enkelte moduler kan levere en maksimal effekt på 14 W. Med 208 moduler giver det en samlet effekt på 2912 W. SUNMASTER 2500 er beregnet for en installeret solcelleeffekt på mellem 2,0 og 3,4 kw, hvilket giver en fin matchning mellem inverter og solcellerne. Nedenstående diagram viser, hvorledes 8 moduler sammenkobles til en streng, hvorefter de 26 strenge parallelkobles og tilsluttes inverteren. Inverteren omformer de maksimalt 180 volt dc. til 3x400 volt ac., som sendes ind på det offentlige elnet. Dioderne, en for hver streng, sørger for, at en streng med en højere spænding ikke kan sende strøm baglæns gennem en streng med en lavere spænding. 19

Da alle strengene ikke har samme orientering i forhold til syd, vil der være tidspunkter hvor nogle af strengene ligger i skygge, medens andre har fuld sol. Som følge heraf vil strengene opnå vidt forskellig spænding, og strengdioderne er derfor nødvendige. 20

Økonomi Solcellemodulerne til de to eksisterende anlæg med vinduesintegrerede celler koster ca. det dobbelte af, hvad standardmoduler koster. Et anlæg med standardmoduler er installeret på Folkecenterets biblioteksbygning. Se nedenstående billede. Ved at anvende TFS moduler kan der opnås en pris på det halve af, hvad krystallinske standardmoduler koster. Modulerne leveres uden rammer og junktionbokse. Investering Investeringerne i det nøglefærdige anlæg fordeler sig som vist i nedenstående tabel. Der er ikke afsat noget beløb til rådgivning, idet det forudsættes, at elinstallatøren efter det første anlæg kan installere de efterfølgende med et minimum af vejledning fra leverandøren af solcellerne. Denne rådgivning forventes det, at celleleverandøren stiller gratis til rådighed som en service i lighed med, hvad der ar almindeligt indenfor solvarmesektoren. 21

Investeringsregnskab for TFS solceller til SkibstedFjord Kursuscenter Enhedspris Antal kr. enheder 208 stk 14 W solcellemoduler á 302,25 62.868 30 dummimoduler á 88,00 2.640 Fragt 2.812 2,5 kw inverter 7.500 Kabler og diverse elmateriel 1.682 Elarbejde: PV-montør 232 30 6960 Svend 232 34 7888 Lærling 95 27 2565 Alusprosser+ montering, montering af moduler 21.720 Glaslister 4.800 I alt 121.435 Installeret effekt: 2912 W Pris pr. watt installeret 42 Pris pr. m 2 (78 m 2 og 2912 W) 1557 Direkte tilbagebetalingstid Ved beregning af den samlede økonomi for solcelleanlægget skal det huskes, at solcellerne erstatter en anden facadebeklædning. Eller sagt på en anden måde. Udover at huset har fået en elgenerator, har det også fået en facadebeklædning af glas. Værdien af denne glasbeklædning skal fratrækkes. I beregningen er det forudsat, at glasfacaden kan monteres 20% billigere, når montøren ikke skal samle stikforbindelserne mellem de enkelte moduler. Værdi af glasfacade Antal Enhedspris enheder 238 dummimoduler á 88,00 238,00 20.944 Alusprosser+ montering, montering af moduler 17.376 I alt 38.320 I alt pr. m 2 ( 78 m 2 ) 491 22

Herefter kan finansieringsplanen opstilles som følger: Financieringsplan kr. Anlægspris 121435 50% tilskud 60718 Omkostninger efter tilskud 60718 Værdi af glasfacade 38320 Netto investering i solcelleanlæg i alt 22398 Netto investering i solcelleanlæg pr. Watt 7,69 Der findes forskellige metoder til at vurdere en investering. Den mest enkle og overskuelig er den direkte tilbagebetalingstid. Det vil sige, hvor lang tid tager det, før investeringen er betalt af indtægterne. Simplificeringen består i, at der ikke tages hensyn til renter samt prisstigninger på elektricitet. Direkte tilbagebetalingstid kr. Investering pr. watt 7,69 Årlig produktion i kwh per watt installeret 0,80 Elpris excl. moms, kr./kwh 1,02 Årlig indtægt pr. Watt installeret 0,81 Direkte tilbagebetalingstid i år 9 Konklusion For at holde prisen så lav som muligt, er det vigtigt, at anlæggene kan installeres uden rådgivere. Da der er tale om et elproducerende anlæg, vil det være naturligt, at det er elinstallatøren, som står som leverandør på samme vis, som det er VVS-installatøren, der står som leverandør af et solvarmeanlæg. Selve bygningsintegreringen, det vil sige monteringen af drivhussprosserne på facaden samt monteringen af solcellemodulerne i sprosserne, blev udført af en drivhusbygger, men det kan også være en tømrer, som udfører denne underentreprise. Det kan således på baggrund af erfaringerne fra det gennemførte projekt konkluderes, at solcelleanlæg kan installeres efter det beskrevne koncept, af en elinstallatør med assistance fra en tømrer med vejledning fra solcelleleverandøren. Med 50% i anlægsstøtte kan denne type anlæg producere strøm til normal netpris, med en direkte tilbagebetalingstid på under 10 år svarende til garantiperioden på solcellemodulerne. 23

Efterskrift Efter installeringen af anlægget har det desværre vist sig, at solcellemodulerne ikke producerer de lovede 14 W. Efter en del forhandlinger og test har producenten Intersolar tilbudt at udskifte samtlige moduler for egen regning. Hvis ydelsen efter et år ikke er under 14 W i gennemsnit pr. modul, betales modulerne som aftalt ved ordreafgivelsen, i modsat fald reduceres prisen forholdsmæssigt. Det betyder, at prisen pr. produceret kwh og den direkte tilbagebetalingstid ikke ændres. 24