Vad påverkar effekten hos en solcellsanläggning?

En vanlig fråga är varför en solcellsanläggning inte producerar den märkeffekt anläggningen har. Skrev om detta redan 2012 i inlägget “Varför ger solcellsmoduler inte märkeffekten?“. Här kommer en uppdatering.

Installerad effekt = märkeffekt

En anläggnings installerade effekt är summan av modulernas märkeffekt. Om man har låt säga 20 moduler och varje modul har en märkeffekt på 250 W blir anläggningens märkeffekt 20 x 250 W = 5 000 W = 5 kW.

Haken är dock att märkeffekten bara gäller vid så kallade “standard test conditions” (STC), vilka är

  • Solinstrålning 1000 W/m², med 0 graders infallsvinkel (normalt infall).
  • Solcelltemperatur 25°C.
  • “Air mass” = 1,5 vilket talar om den optiska väglängden genom atmosfären och som därmed definierar ett visst solspektrum. AM = 1 då solen står i zenit = rakt upp, vilket inte kan inträffa i Sverige.

Dessa parametrar är praktiska när tillverkaren ska testa modulens prestanda i fabrik. Däremot har man i stort sett aldrig dessa förhållanden i verkligheten och speciellt inte sommartid i Sverige. Om det är en klar dag på sommaren med hög lufttemperatur kan solcelltemperaturen bli 60-70°C, vilket är mycket högre än STC-temperaturen, se figuren här nedan. Den högre temperaturen gör att solcellsmodulens verkningsgrad sjunker. En vanlig temperaturkoefficient för effekten för kiselbaserade solcellsmoduler är -0,4%/°C, vilket beror på att spänningen sjunker vid ökad temperatur. Det betyder att för varje grad högre solcelltemperatur än vid STC-temperaturen 25°C sjunker effekten med 0,4% om övriga parametrar är lika. Vid exempelvis 35 grader högre temperatur än vid STC sjunker effekten med 1-0,996^35 = 0,13 = 13%, enbart på grund av den högre temperaturen. Om å andra sidan solcelltemperaturen går under 25°C ökar verkningsgraden jämfört med vid STC.

Exempel på solcelltemperatur och lufttemperatur hemma hos oss i Gäddeholm, Västerås, under en varm vecka i juli 2018.

En solcellsmoduls effekt

En generell formel för en solcellsmoduls effekt är

P = η·A·G

där

P = effekten i Watt (W). Notera att modulen ger likström (DC) och när man läser av den producerade effekten är det växelström (AC). Det uppstår förluster i kablar (vanligen högst 1%) och i växelriktaren (några %) som omvandlar strömmen till växelström (AC). Hur stora dessa förluster blir beror på kablarnas dimension och längd samt växelriktarens verkningsgrad. Grövre och kortare kablar ger lägre kabelförluster. Man vill ha en växelriktare med hög verkningsgrad för att minska förlusterna i växelriktaren.

η = solcellsmodulens verkningsgrad, som beror på solcelltemperatur, solstrålningens infallsvinkel och solstrålningens intensitet. Verkningsgraden talar om hur stor andel av den infallande solstrålning som omvandlas till elektricitet (DC). En vanlig modulverkningsgrad idag är 17-18% vid STC. Enligt exemplet ovan blir dock verkningsgraden en annan om temperaturen avviker från STC-temperaturen 25°C. Solcelltemperaturen beror av hur solcellen är monterad, solinstrålningens intensitet, lufttemperatur och vindhastighet.

Den direkta solstrålningens infallsvinkel beror på modulernas lutning och mot vilket väderstreck modulerna är riktade. Infallsvinkeln kommer dessutom att variera över dagen och året samt är vanligen en annan än de 0 grader som gäller vid STC. Modulens yta är antireflexbehandlad för att minimera reflektionsförluster. Vid höga infallsvinklar ökar dock reflektionsförlusterna enligt figuren och därmed sjunker solcellseffekten.

Figuren visar solstrålningens transmission genom glas vid olika infallsvinklar mot en solcellsmodul i förhållande till transmissionen med normalt infall (0° infallsvinkel). Källa: PVsyst.

Det finns även ett visst beroende hos verkningsgraden av solinstrålningens intensitet. Vid relativt höga intensiteter sjunker verkningsgraden sakta med sjunkande intensitet, vid låga intensiteter sjunker verkningsgraden mer markant enligt figuren.

Verkningsgradens beroende av solstrålningen intensitet för en solcell som har 15% verkningsgrad vid STC. Källa: Heinrich Häberlin. Photovoltaics System Design and Practice (bok).

A = ytan i kvadratmeter (m²). För en solcellsmodul ska man ta med hela ytan, även ramen om en sådan finns.

G = solinstrålningens intensitet (W/m²). Den består av tre olika komponenter; direkt, diffus och reflekterad solstrålning. Om det är mulet väder finns bara diffus och reflekterad solstrålning. Läs mer i inlägget Skillnad mellan global, diffus och direkt solinstrålning?. Den solstrålning som når modulens yta kan minska på grund av skuggning, smuts, pollen eller snö på modulerna.

Solinstrålningens olika komponenter. Källa: NREL.

Utanför jordens atmosfär är solstrålningen 1 361 W/m². Vid havsnivå får vi nöja oss med som mest ungefär 1 000 W/m². Det är dock ett känt fenomen att reflektion i moln vid varierad molnighet kortvarigt kan ge en högre effekt än vid molnfritt väder. Exempelvis uppmätte man som mest 1 477±30 W/m2 vid havsnivå i Brasilien 2008. I en norsk studie nära havsnivå registrerade man 2012 som mest 1 528 W/m2 kortvarigt och på hög höjd har intensiteter på över 1 800 W/m2 registrerats.

Tolerans

Man ska även komma ihåg att modulernas märkeffekt har en viss tolerans. Exempelvis -0% till +3%. Det betyder att när modulens testades hos tillverkaren var modulens effekt minst lika stor som märkeffekten och i bästa fall upp till 3% högre än märkeffekten. En modul med märkeffekten 250 W skulle då kunna ge 257,5 Watt vid STC. I praktiken är det dock inte säkert att man har så stor nytta av det. När man köper en bunt moduler är det att förvänta att modulerna har lite olika tolerans inom det angivna intervallet. Modulerna monteras i serie i en sträng. Det blir då den modul som ger lägst ström utan skuggning som bestämmer vilken strömmen blir, eftersom samma ström måste gå genom alla moduler som monterats i serie.

En alltför vanlig missuppfattning är att skuggning av en modul sänker effekten i hela strängen av seriekopplade moduler. Vid skuggning går bypassdioderna in och det blir bara hos den eller de skuggade modulerna som effekten sänks. Övriga moduler kommer att producera normalt.

Ska man vara oroad?

En fråga blir om man ska vara oroad över att en solcellsanläggning inte ger lika hög effekt som märkeffekten. Generellt blir svaret nej på den frågan. Man kan för det mesta sitta lugnt i båten.

Det händer dock ibland att en modul eller en växelriktare går sönder. När det gäller moduler är ett tänkbart fel att en så kallad bypassdiod går sönder och kortsluts. Man har vanligen tre bypassdioder per modul och om en kortsluts kommer man då att förlora 1/3 av den modulens elproduktion eller 1/60 (1,7%) av anläggningens produktion om man har 20 moduler. I en solcellsanläggning blir ett sådant bortfall så litet att det kan vara svårt att upptäcka om man bara tittar på effekten.

Om däremot en växelriktare slutar fungera blir bortfallet 100% om man har en växelriktare eller 50% om man har två växelriktare. Sådana fel är lättare att upptäcka.

Kopplingsfel mellan moduler vid installationen skulle kunna leda till att alla moduler inte är inkopplade till växelriktaren, vilket då sänker anläggningens effekt. För att upptäcka sådana fel kan man studera vilken spänning anläggningen ger. I modulernas datablad finns en angiven spänning vid STC, anges ofta som Vmp. Våra första solcellsmoduler hade Vmp = 35,5 V. Om man seriekopplar 20 sådana moduler blir spänningen 710 V vid STC. Det kan vara ett riktvärde för vilket spänning man bör förvänta sig mitt på dagen vid soligt väder, men man får tänka på att spänningen sjunker när solcelltemperaturen stiger över 25°C.

Ett alternativ är använda effektoptimerare på modulerna som ger loggning på varje eller varannan modul. Det är då lätt även för den som inte är insatt att se om någon modul producerar sämre än övriga moduler. Dock tillkommer kostnaden för optimerare och det är inte så vanligt med modulfel, så det är en avvägning man får göra mellan kostnad och funktion.

Solcellsanläggningar behöver tillsyn

Det sägs ibland att solcellsanläggningar är underhållsfria. Oftast är det så, men det betyder inte att de är tillsynsfria. Det är viktigt att man regelbundet tittar till anläggningen och kollar att den producerar el. Man kan enkelt kolla det själv genom att titta på växelriktarens display, om den har en sådan, eller i en portal där produktionsdata laddas upp eller i en app i telefonen. Ofta kan man också ställa in så att man får meddelande via e-post eller sms om det är något som avviker när det gäller produktionen. Oavsett hur man gör ska man komma ihåg att solcellsanläggningar behöver din tillsyn.

PS 16/4. Gjorde några språkliga justeringar och kompletterade med lite information om höga intensiteter av solstrålning. Lade dessutom in tre nya figurer:
1) Solcelltemperatur hemma hos oss under en varm julivecka ifjol.
2) Reflektionsförluster i glasytan på en solcellsmodul, beroende på solljusets infallsvinkel.
3) Solstrålningens olika komponenter.