Bengts nya villablogg

Solceller på varje hus i framtiden

Bengts nya villablogg

Bondfångeri när det gäller effekten av skuggning av solceller

Fick nedanstående brev från Vattenfall i juni 2019 tillskickat mig. Där står att

”I ett system utan optimerare producerar alla paneler i enlighet med den som presterar sämst. Blir en panel skuggad, slutar hela anläggningen att producera”.

Brev från Vattenfall från juni 2019, med gravt felaktig information om hur skuggning påverkar elproduktionen från ett solcellssystem.

Detta är rent bondfångeri och det är tråkigt att läsa sådana falsarier från landets största elhandelsbolag och som även är vårt nätbolag. Tyvärr är man inte ensam om denna vilseledande marknadsföring. Liknade utsagor kan läsas på flera andra webbsidor från olika leverantörer av komponenter och solcellsanläggningar.

Skuggning är ett lite knepigt och missförstått ämne. Alla borde läsa Skuggningshandboken från Energiforsk. Den ger en baskunskap som alla som säljer solceller måste ha, men som tyvärr vissa verkar sakna.

Uppbyggnaden av en solcellsmodul

Solcellsmoduler har ofta 60 eller 72 solceller. Då varje solcell bara ger runt 0,5 V vid drift seriekopplar man solcellerna för att höja spänningen. Alla solceller sitter som på en rad kan man säga. Det gör att solcellsmodulen skulle bli mycket känslig för skuggning om man inte vidtog åtgärder för det. Utan några åtgärder skulle skuggning av enda solcell sänka produktionen i hela solcellsmodulen och i hela solcellsanläggningen. Det skulle dessutom ge upphov till ”hot-spots” i den skuggade cellen då hela effekten från de oskuggade cellerna i modulen skulle dumpas i den skuggade solcellen.

MEN, så vill man förstås inte ha det. Därför monterar man så kallade bypassdioder i solcellsmodulerna. Vanligen är det tre bypassdioder i varje modul. I en modul med 72 solceller innebär det att en bypassdiod monteras parallellt med 24 solceller i serie, det vill säga 1/3 av modulens solceller. Så länge modulen är oskuggad är dioderna inaktiva, men när modulen blir skuggad blir dioderna aktiva och minskar skugginverkan.

Vad händer vid skuggning

Låt säga att vi skuggar 50% av en solcell i en modul. Den högsta ström som kan genereras av den skuggade solcellen halveras därmed jämfört med en oskuggad solcell. Bypassdioden kommer att aktiveras och släppa fram överströmmen. Om en oskuggad cell genererar exempelvis 8 A kommer 4 A att genereras av den skuggade solcellen och 4 A kommer att gå igenom bypassdioden.

Full ström kommer att genereras av övriga 2/3 av modulen. Det betyder att det är endast den tredjedel av solcellsmodulen som skuggas som får en lägre solelproduktion, övriga 2/3 av modulen och resterande moduler i serien av moduler kommer att producera normalt.

Värt att notera är att ett solcellssystem med effektoptimerare på modulerna bara kan minska förlusterna på grund av skuggning, det kan aldrig producera mer än ett oskuggat solcellssystem.

Läs Skuggningshandboken

Läs Skuggningshandboken för en mer utförlig beskrivning av hur skuggning av solceller fungerar, då ovanstående resonemang är kortfattat och något generaliserat. Professor Björn Karlsson är hjärnan bakom Skuggningshandboken och Björn har faktagranskat detta inlägg.

Se även nedanstående schematiska exempel.

Sluta med vilseledande marknadsföring

Det är inte bra för branschens förtroende att ge kunder felaktig information. Det finns risk för anmälningar till Konsumentombudsmannen.

Uppmanar alla som känner sig träffade att raskt sluta med vilseledande marknadsföring gällande skuggningseffekter på solceller.

Schematiska exempel

Nedan är några schematiska exempel jag gjort för högskole- och civilingenjörsstudenter i kursen Solceller och solfångare vid Mälardalens högskola

Oskuggad modul

En solcellsmodul har 40 solceller i serie i fyra kolumner. Det är 10 solceller i varje kolumn. Varje enskild solcell har Isc = 9 A (korslutningsström) och Imp = 8,5 A (ström vid max effekt) vid en solinstrålning på 1000 W/m2 och en solcelltemperatur på 25°C. Varje enskild solcell har Voc = 0,6 V (spänning vid öppen krets) och Vmp = 0,5 V (spänning vid max effekt).

Bypassdioder finns mellan kolumnerna 1 och 2 respektive mellan kolumnerna 3 och 4. Det betyder att man kan se det som två delserier med 20 solceller vardera där de två delserierna sitter i serie med varandra. Arbetsspänning över alla celler Vmp blir 40 oskuggade solceller * 0,5 V per solcell  = 20 V.

Orange linje visar strömmens väg igenom en oskuggad modul, då båda dioderna är inaktiva. All ström går igenom solcellerna och ingen ström går igenom dioderna, förutom en försumbar läckström.

Oskuggad solcellsmodul.

Modul med en helt skuggad solcell

En solcell är helt skuggad (solinstrålning = 0), helt snötäckt eller skadad. Det gör att strömmen är noll genom denna solcell och därmed kan ingen ström gå igenom någon av solcellerna i den delserien av solceller.

Strömmen går istället igenom bypassdioden som sitter parallellt med den delserien av solceller.

Spänningsfallet över bypassdioden är här satt till -0,6 V. Arbetsspänning över alla celler Vmp blir 20 oskuggade solceller * 0,5 V per solcell – 0,6 V över bypassdioden = 9,4 V.

Spänningen för öppenkrets Voc blir på motsvarande sätt 20 * 0,6 V – 0,6 V= 11,4 V.

Den andra dioden är inaktiv eftersom denna delserie med 20 solceller är oskuggad och där genereras full ström genom den delserien.

I detta fall tappar man 50% av modulens solelproduktion. Övriga moduler som sitter i serie med denna modul påverkas inte. Om man har en serie med låt säga 10 moduler tappar man 1/20 = 5% av systemets solelproduktion. I en solcellsmodul med tre bypassdioder skulle man tappa 1/3 av solelproduktionen och 1/30 = 3,3% av systems solelproduktion om man har 10 solcellsmoduler i serie.

Notera att det inte spelar någon roll hur många solceller man helt skuggar om de sitter i en och samma delserie. Det blir samma resultat om man exempelvis skulle ha snö längst ner på en liggande modul som helt skuggar alla 20 solcellerna i en delserie som om man exempelvis hade löv som helt täckte en enda solcell.

En solcell helt skuggad.

Modul med en solcell som är skuggad till 50%

En solcell är skuggad eller snötäckt till 50% (solinstrålning = 50% av oskuggad solcell). Det gör att högst halva strömmen kan genereras av den skuggade solcellen och dess delserie. Bypassdioden kommer att aktiveras och släppa fram överströmmen.

Den andra dioden är inaktiv eftersom denna delserie med 20 solceller är oskuggad och där genereras full ström genom den delserien.

I detta fall tappar man också 50% av modulens solelproduktion. Övriga moduler som sitter i serie med denna modul påverkas inte. I en solcellsmodul med tre bypassdioder skulle man tappa 1/3 av solelproduktionen och 1/30 = 3,3% av systems solelproduktion om man har 10 solcellsmoduler i serie.

En solcell skuggad 50%.

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.