Bengts nya villablogg

Solceller på varje hus i framtiden

Bengts nya villablogg

Solelproduktion under ett dygn i olika väderstreck?

Det kom en fråga hur solelproduktionen varierar över ett dygn i olika vädertreck, som söder, väster och öster. Med hjälp av programmet PVGIS gjorde jag en beräkning för ett tak med lutning 27 grader, som vårt tak, i Västerås. Använde solstrålningsdatabasen PVGIS-ERA5 som verkar ge de mest korrekta årsvärdena för Västerås.

Valde ut två dagar, där den ena var solig och den andra mulen, se nedanstående diagram. Under den soliga dagen kommer tiden för den högsta effekten vid olika tider i de olika väderstrecken. Att effekten blir så pass hög även när solen står bakom modulen har att göra med att solhöjden är högre än taklutningen under en stor del av dagen, se diagrammet när nedan för solhöjden. Produktionen under dagen blev 6,60 kWh i söder, 5,99 kWh i öster och 5,84 kWh i väster, vilket motsvarar 9,2% respektive 11,4% lägre produktion i öster och väster jämfört med i söder.

Under den mulna dagen är det en liten skillnad mellan öster, söder och väster samt att effekten från solcellerna är betydligt mindre än under den soliga dagen. Produktionen under dagen blev 1,46 kWh i söder och väster samt 1,36 kWh i öster, vilket motsvarar 7% lägre produktion än i söder och väster. 

Man får ha i åtanke att den totala solstrålning som når en solcellsmodul har tre tänkbara komponenter: direkt, diffus och reflekterad strålning. Under mulna dagar har man ingen direkt solstrålning utan då är det bara en diffus strålning, som kommer från alla håll från himlen. Det gör att under mulna dagar spelar väderstrecket ingen eller liten roll, beroende på hur tjock molnighet man har.

Effekt (W) från 1 kW solceller i Västerås vid en taklutning på 27 grader en solig dag (12 juni 2015). Beräkning med PVGIS.

Effekt (W) från 1 kW solceller i Västerås vid en taklutning på 27 grader en mulen dag (18 juni 2015). Beräkning med PVGIS.

Solhöjd den 12 juni i Västerås. Tiden på x-axeln är soltid, vilken skiljer sig något från Sveriges normaltid. När solen står rakt i söder är soltiden 12:00.

Hur påverkar lutning och väderstreck produktionen av solel? Uppdatering

För Västerås anges lutning 47 grader och en vridning 5 grader mot öster från rakt söderläge ge högst årsproduktionen av solel enligt det webbbaserade beräkningsprogrammet PVGIS version 5.1. Med hjälp av PVGIS gjorde jag en tabell för Västerås enligt nedan som visar hur mycket solelproduktionen påverkas av hur modulerna sitter monterande med avseende på lutning och väderstreck. Tabellen visar relativ solelproduktion i förhållande till den i bästa läge, som är satt till 100%. Detta är en uppdatering av den tabell som gjordes 2013-04-12 med en äldre version av PVGIS. En utökning har gjorts till nordväst respektive nordost. 

Ur tabellen kan man utläsa en hel del intressant information. Vid söderläge sjunker den beräknade elproduktionen med mindre än 10% vid lutningar mellan 20 och 70 grader. Om man har lutning 45 grader förlorar man mindre än 10% vid orientering mellan 50 grader mot öster och 40 grader mot väster. Det är med andra ord inte så kritiskt att man har exakt söderläge och exakt “rätt” lutning på sitt tak. I orientering mot norr sjunker dock årsproduktionen rejält, utom vid mycket låga lutningar.

Det är något bättre att ha solcellsmodulerna i öster än i väster. Det kan bero på att det oftast är klarare väder med mera sol på mornarna och att solcellerna har lägre temperatur (vilket höjer verkningsgraden) tidigt på dagen med sol från öster än senare på dagen med sol från väster.

Sätter man modulerna vertikalt på en vägg förlorar man i Västerås 23% i söderläge och 48-51% i öster respektive väster jämfört optimerad placering för maximal årsproduktion.

MEN

Tabellen är teoretiska beräkningar utan hänsyn tagen till snötäckning eller nedsmutsning, som kan påverka solelproduktionen olika beroende på lutning och väderstreck. Tabellen blir därför lite missvisande. Vid montering i öster eller väster blir modullutningen för optimerad årsproduktion lägre än i söderläge. Att montera modulerna horisontellt är dock definitivt inget som rekommenderas. Det blir då problem med snö- och smutsansamling och produktionen blir säkert åtskilliga procent sämre än den teoretiskt beräknade och därför borde ett motsvarande avdrag göras för horisontell montering.

En normal vinter förlorar man i Västerås några procent av årsproduktionen på grund av snötäckning vid normala taklutningar. Monterar man modulerna vertikalt på en vägg minskar däremot problemen med framför allt snö, men även med smuts, och man skulle även kunna få en något ökad solinstrålning vintertid på grund av reflektion i snö. Därför är skillnaden i årsproduktion mellan vertikal montering och optimerad montering inte lika stor som tabellen indikerar.

Tar man hänsyn till snö- och smutsförluster ger vertikal montering något högre årsproduktion än montering mot väster eller öster för oskuggade solcellssystem. Men med vertikal montering ökar sannolikt risken för skuggning, speciellt i stadskärnor, vilket kan göra att vertikal montering i praktiken ger lägre årsproduktion än montering mot väster eller öster.

Färger i tabellen

Den bästa möjliga årliga produktionen i Västerås blev 997 kWh/kW vid en modullutning på 47 grader och en vridning 5 grader mot öster från rakt söderläge.

De två gröna färgerna i tabellen visar vid vilka kombinationer av lutning och väderstreck årsproduktion som är i intervallet 800-900 kWh/kW respektive över 900 kWh/kW. Årsproduktion i intervallet 700-800 kWh/kW har getts orange färg, på grund av lägre och mera tveksam lönsamhet. Årsproduktion i intervallet 600-700 kWh/kW respektive under 600 kWh/kW har getts röda nyanser, då sådana installationer med normala antaganden knappast är lönsamma i Sverige i dagsläget.

Lönsamheten beror av flera faktorer som investeringskostnad, årlig solelproduktion, årlig degradering av solelproduktionen, driftkostnader, livslängd, kalkylränta, elprisets utveckling i framtiden, varaktigheten hos skattereduktionen för överskottsel och hur stor andel av den producerade solelen man använder själv. Det gör att lönsamhetskalkyler för en solcellsinvestering har vissa osäkerheter och kan variera mycket beroende på omständigheterna. Därför får man se färgerna i tabellen som en rätt grov generalisering när det gäller lönsamheten.

Att tänka på

Om man skulle göra samma tabell för en plats med en högre årlig solstrålning än Västerås skulle ett större intervall av lutningar och väderstreck ge gröna färger, det vill säga mer än 800 kWh/kW,år. Det gäller exempelvis Gotland, Öland och längs de sydliga kusterna. På motsvarande sätt skulle intervallet minska för platser med lägre årlig solstrålning, exempelvis i inre Norrland och fjälltrakterna, se nedanstående solstrålningskarta från SMHI.

Årligt genomsnitt av total solinstrålning mot horisontell yta i Sverige under perioden 1961-1990 (kWh/m2). Källa SMHI.

Klicka på tabellen för att se den i full skala.

Relativ solelproduktion i förhållande till den optimerade (997 kWh/kW,år), som är satt till 100%, vid modulmontering med olika lutningar (grader mot horisontalplanet) och väderstreck (noll grader är söder) i Västerås. Beräknat med PVGIS 5.1 – solstrålningsdatabas ERA5, kristallina solceller, 14% systemförluster och montering “free-standing” vilket passar bättre för system som är monterande på tak än montering byggnadsintegrerade.

Hur påverkar lutning och väderstreck produktionen av solel? II

Gjorde för knappt två år sedan inlägget Hur påverkar lutning och väderstreck produktionen av solel?

Här är en variant på detta med beräkningar gjorda för Stockholm med hjälp av PVGIS. Här nedan visas i Figur 2-4 simulerad solelproduktion per månad för de olika modullutningarna:

  • 44 grader. Optimerad lutning för maximal årsproduktion om man använder solinstrålningsdata från “Climate-SAF”. Med gamla “Classic” blev det 41 grader. I sig intressant att det blev tre graders skillnad efter uppdatering av solinstrålningsdata. Visar att man får ta simuleringar med en viss nypa salt…
  • 27 grader. Lutningen på vårt tak. Antar att det är en hyggligt vanlig taklutning.
  • 70 grader. Högre lutning gör att man får kortare tid med snötäckning vintertid och mindre påverkan av nedsmutsning.

Lutningen räknas från horisontalplanet, vilket gör att 0° är horisontellt monterade solcellsmoduler och 90° är vertikalt (vägg)monterade moduler. I Figur 5 jämförs månadsproduktion i söderläge vid de tre olika lutningarna.

Gjorde även ett diagram i Figur 6 som visar årsproduktionen vid olika lutningar (0°-90°) och väderstreck (söder, sydost, öster och norr). Resultaten blev så lika för väster och öster (högst 0,9% skillnad) att jag bara tog med kurvan för öster.

Slutsatser

Alla slutsatser gäller för Stockholm och enligt beräkningar gjorda med PVGIS. Gör man beräkningar med andra simuleringsprogram kan man säkert få något annorlunda resultat. Speciellt är det kvalitén på solinstrålningsdata som bestämmer noggrannheten.

  • En modullutning som skiljer sig upp till 25° från den som ger optimerad årsproduktion sänker solelproduktionen med högst 7%.
    • 44° grader är optimal lutning i söderläge i Stockholm, men med 20°-70° lutning förlorar man högst 7% jämfört med optimal lutning i söderläge.
    • Vid andra väderstreck än söder ger lägre lutningsvinkel högst årsproduktion. I sydost eller sydväst är 40° optimal lutning. Med 15-65 graders lutning förlorar man högst 7% jämfört med optimal lutning i sydost eller sydväst.
  • I söderläge blir solelproduktionen per år bara 3,3% lägre vid 27° lutning och 7,5% lägre vid 70° lutning.
  • Fördelningen över året påverkas speciellt när man ökar modullutningen till 70°. Under speciellt maj-augusti sjunker månadsproduktion medan den ökar något under oktober-mars. Det betyder att man får mindre sommaröverskott och att egenanvändningen av solel ökar, vilket är bra eftersom egenanvänd el på sikt kommer att ha ett högre värde än såld överskottsel. MEN årsproduktionen sjunker också vilket gör att det inte är givet att det blir någon ekonomisk fördel. För att kunna dra slutsatser om detta behövs beräkningar som är betydligt mer detaljerade.
  • Med placering mellan sydost och sydväst blir det högst 8% skillnad mot söderläge vid olika lutningar. En optimerad taklutning i sydost eller sydväst kan ge lika hög årsproduktion som en låg eller hög taklutning rakt mot söder.
  • Som kuriosa visas även kurvor för solcellsmoduler monterade mot norr. Som man kan se får man även vintertid lite solel i nordläge trots att man inte har någon direkt solinstrålning mot modulerna.
    Gjorde detta därför att under den senaste veckan har jag sett en debattartikel (författad av en “fil dr i miljö- och energisystemanalys”…) och en anonym kommentar till solcellsartikel i Ny Teknik, där författarna verkar glömt bort att det finns något som heter diffus solinstrålning och som är riktningsoberoende. Vid molnigt väder finns ingen direkt solinstrålning utan den solinstrålning vi ser och som träffar solcellsmodulerna är vad man kallar diffus, utan någon speciell riktning. Vid diffus solinstrålning blir det därför meningslöst att prata om solvinklar. Den diffusa solinstrålningen är en stor andel av den globala solinstrålningen i Sverige. Fick värden för svenska stationer från Tomas Landelius, SMHI, dagen efter jag skrev detta inlägg. Andelen diffus solinstrålning var i medel under åren 1999-2007 mellan 43% och 57% för SMHI:s 12 mätstationer som hade mätt detta. I runda slängar kan man därför säga att hälften av den globala strålningen i Sverige är diffus solinstrålning.
    Som jämförelse kan nämnas att i boken ”Photovoltaics fundamental, technology and practice” av Konrad Mertens anges att i München är 54% av solinstrålningen diffus och i Hamburg nästan 60%.
Figur 1. Solinstrålningens olika komponenter. Källa: NREL.

Figur 1. Solinstrålningens olika komponenter. Källa: NREL.

Kom ihåg

  • Beräkningarna tar inte hänsyn till snötäckning eller nedsmutsning. Med tanke på snö och smuts är en horisontell montering av solcellsmodulerna direkt olämplig. Lite högre vinkel än den simulerat optimala är att föredra om man vill maximera årsproduktionen med tanke på inverkan av snö och smuts. Om man har möjlighet att välja vinkel kan det därför finnas anledning att välja en lite högre vinkel än den beräknat optimala. Sätter man solcellsmodulerna på ett tak bör de följa takets lutning och i praktiken får man därför gilla läget och ta den taklutning man har. Om man har ett horisontellt tak ska man dock montera modulerna med en lutning.
  • Simuleringarna tar inte heller hänsyn till eventuell skuggning, som ska undvikas eftersom även delbeskuggning kan ge en märkbar minskning av solelproduktionen.

Klicka på figurerna för att se dem i full skala.

Figur 2. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 44 grader.

Figur 2. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 44 grader.

Figur 3. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 27 grader.

Figur 3. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 27 grader.

Figur 4. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 70 grader.

Figur 4. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm vid modullutning 70 grader.

Figur 5. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm i söderläge vid olika modullutningar.

Figur 5. Simulerad solelproduktion per månad i Stockholm i söderläge vid olika modullutningar.

Figur 6. Simulerad solelproduktion per år i Stockholm i olika väderstreck.

Figur 6. Simulerad solelproduktion per år i Stockholm i olika väderstreck.