Bengts nya villablogg

Solceller på varje hus i framtiden

Bengts nya villablogg

Etikettarkiv: Verkningsgrad

Ny pod från Svensk Solenergi

Publicerat av
2

Svensk Solenergi har startat podden ”Heta S(t)olen”. Först ut var Marika Edoff, professor i fasta tillståndets elektronik med specialitet solceller vid Uppsala universitet. Marika är en ikon inom svensk solcellsforskning. Marika har jobbat med solcellsforskning under hela sitt yrkesverksamma liv. Hon var med och grundade företaget Solibro för tillverkning av solcellsmoduler baserade på tunnfilmsolceller av CIGS. Podden fick därmed ett rätt stort fokus på solcellsteknik.

Podden var trevlig att lyssna på. Intressant för min del då jag undervisat om solcellsteknik vid Mälardalens universitet, men aldrig forskat inom utveckling av själva solcellerna. Kanske lite avancerat för gemene man då man exempelvis behöver ha en hum om vad ett bandgap är och att solljuset består av fotoner för att förstå förklaringen av en solcells verkningsgrad. Å andra sidan kan man Googla fram betydelsen av ord som man inte är bekant med.  Hade kanske velat veta lite mer om vilka problem som behöver lösas för att tandemsolceller ska bli kommersiella och hur långt bort det kan vara med kommersiella tandemsolceller. Detta första avsnitt var 33 minuter, kanske lite långt för en pod.

Solelforskningscentrum Sverige

Vi fick också höra om kompetenscentret Solelforskningscentrum Sverige (SOLVE). Det har ett 50-tal partners och finansieras med en tredjedel vardera av Energimyndigheten (36,5 miljoner under fem år), näringsliv och akademi. Sex olika akademier eller forskningsinstitutet deltar (Uppsala universitet, Mälardalens universitet, Karlstads universitet, Sveriges Lantbruksuniversitet, Högskolan i Borlänge och RISE). SOLVE har sju olika forskningsteman. Målet är att 15 doktorander ska utbildas under de fem åren.

Solcellers verkningsgrad

Hur många försäljare av solceller förklarar för sina kunder hur en solcell fungerar fysikalist? Det är långt ifrån trivialt att förklara på ett enkelt och kortfattat sätt. I podden fick vi höra Marika förklara hur en solcell fungerar. Jag kunde hänga med, kanske beroende på att jag själv i forna kursen Solceller och solfångare på Mälardalens universitet försökt förklara detta för ingenjörsstudenter.

En halvledares bandgap är centralt när det gäller att förstå verkningsgraden för solceller. Likaså att solljuset har ett spektrum av många olika våglängder, omfattande ultraviolett, synligt och infrarött ljus. Om solljuset haft en enda våglängd hade man kunnat välja ett material med ett bandgap som motsvarande den våglängden och då skulle en solcell kunna fånga 100% av solljuset. Men med en solcell som har bara ett skikt är det omöjligt på grund av solljusets många våglängder. Solljusets fotoner med lägre energi än bandgapet kan inte utnyttjas och för fotoner med högre energi än bandgapet blir energiöverskottet värme.

Tandemsolceller

Ett sätt att förbättra verkningsgraden är att göra solceller med mer än ett skikt, så kallade tandemsolceller, som kan utnyttja en större andel av solljuset. Med tandemsolceller som Marika forskar på skulle man teoretiskt kunna höja verkningsgraden till över 40 % enligt Marika, jämfört med högst 33,7% för en solcell bestående av ett skikt. En teoretisk gräns på 46% anges för solceller med två skikt i den vetenskapliga artikeln Perovskite—a Perfect Top Cell for Tandem Devices to Break the S–Q Limit. Med en solcell bestående av oändligt antal lager är den teoretiska gränsen 68,7% verkningsgrad för normalt solljus som inte är koncentrerat på något sätt.

Perovskite

I Uppsala forskar man bland annat på solceller av perovskite, senaste årens solcellsraket, som skulle kunna bilda en tandemsolcell med kisel. Det finns idag ingen kommersiell tandemsolcell med perovskite. Om man hittar en perovskite som är tillräckligt stabil kan det gå fort för tandemsolceller att etablera sig, på motsvarande sätt som att monokristallina solceller med sin högre verkningsgrad tagit över från polykristallina solceller under de senaste fem åren.

Ser fram emot nästa avsnitt av podden ”Heta S(t)olen”.

Vad påverkar effekten hos en solcellsanläggning?

Publicerat av

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.

Hur räknar man ut yta och verkningsgrad för solceller?

Publicerat av

Har idag fått två frågor om hur man räknar ut ytan för solceller. Här är en repetition med några räkneexempel.

Effekt

Effekten P mätt i Watt (W) ges av

P = η*A*G                           [1]

η = verkningsgrad (%). Den anger hur stor andel av solstrålningen som blir el. Om det är en modul man räknar på ska man använda modulens verkningsgrad. Modulens enskilda solceller har alltid en högre verkningsgrad, men den är inte relevant i detta fall.

A = yta (m2). För en modul räknar man på yttermåtten, med ram om en sådan finns.

G = solstrålning i modulens plan (W/m2).

Den verkningsgrad som anges i en moduls datablad gäller vid så kallade Standard Test Conditions (STC). Vid STC har man en instrålning motsvarande 1000 W/m2 = 1 kW/m2 med vinkelrät infall mot modulytan, 25°C solcelltemperatur och ”air mass” 1,5 som definierar ett visst spektrum för solljuset. Märkeffekten för en solcellsmodul är definierad vid STC. Alla moduler “flash”-testas av tillverkaren vid STC efter tillverkningen.

Detta gör att formel [1] kan skrivas som

PSTC = η*A*GSTC                           [2]

där GSTC är solstrålningen vid STC och PSTC är effekten vid STC. PSTC är en moduls märkeffekt. Den kallas även installerad effekt. Lägg märke till att detta är en likströmseffekt (DC). Omvandling till växelström görs i växelriktaren, vilket ger en del förluster.

Om vi anger PSTC i kW och GSTC i kW/m2 förenklas formeln till

PSTC = η*A                           [3]

Exempel

Modulerna har en verkningsgrad på 16% och den tillgängliga takytan är 30 m2. Om modulerna monteras med samma lutning som taket blir den högsta möjliga installerade effekten

PSTC = 0,16*30 = 4,8 kW = 4 800 W

I praktiken kan det behövas ett litet mellanrum mellan modulerna för att kunna montera dem och då blir den möjliga effekten man kan installera lite mindre.

Yta

Formel [2] kan även skrivas som

A = PSTC /(η*GSTC)                           [4]

Om man vill räkna ut modulytan som behövs vid en installerad effekt PSTC = 1000 W (1 kW) och med GSTC = 1000 W/m2 blir formeln

A = 1000/(η*1000) = 1/η

En nyttig och enkel formel som ger modulytan per installerad kW är alltså

A = 1/η                           [5]

där A ges i kvadratmeter (m2). Om man vet verkningsgraden kan man därmed enkelt räkna ut modulytan per installerad kW.

Exempel 1

Om verkningsgraden exempelvis är 16% får vi att ytan per kW blir

A = 1/0,16 = 6,25 m2

I praktiken kan det behövas ett litet mellanrum mellan modulerna och då blir den totala installationsytan lite större än modulytan.

Verkningsgrad

Formel [3] kan användas för att räkna ut verkningsgraden för en solcellsmodul om man vet modulytan. Formeln skriver vi då som

η = PSTC /A                       [6]

där PSTC anges i kW och A i m2.

Exempel 1

En Yingli YLM 60 modul har enligt databladet yttermått 1,64 m x 0, 99 m, vilket ger ytan 1,624 m2. Om vi väljer en modul som har märkeffekten 280 W = 0,28 kW beräknas verkningsgraden som

η = 0,28/1,624 = 0,172 = 17,2%

17,2% modulverkningsgrad är också vad som står i databladet.

Exempel 2

Formel [6] kan också vara användbar om man vill veta vilken verkningsgrad som behövs för att installera en viss effekt på en given yta. Om den tillgängliga takytan är exempelvis 30 m2 och man vill installera 5 kW (5000 W) solceller, vilken verkningsgrad behövs då?

η = 5/30 = 0,167 = 16,7%

En modulverkningsgrad på 16,7% är fullt rimlig för standardmoduler idag.

Beteckningar

Jag använde här beteckningen PSTC för märkeffekten för att göra det tydligt att effekten gäller vid STC. Vanligen står det Pmax eller Pmp i databladen för solcellsmoduler. Denna ”maxeffekt” för modulen gäller dock bara vid STC-förhållanden. I praktiken har man sällan eller aldrig STC vid drift av en solcellsanläggning. Därför har man sommartid, då solcelltemperaturen blir över 25°C, en lägre effekt eftersom solcellernas verkningsgrad sjunker med ökande temperatur.

Det är flera andra faktorer som påverkar en solcellsmoduls verkningsgrad. Solinstrålningens intensitet och infallsvinkel samt eventuell smuts på modulytorna påverkar också verkningsgraden. Det är därför rätt knepigt att beräkna effekten från en solcellsmodul vid godtyckliga förhållanden, då man också måste ta hänsyn till att modulen nås av direkt, diffus och reflekterad solstrålning.

Beräkna modulverkningsgrad

Publicerat av

Här är invigningen av en för dagen nyinstallerad “plug-in” i WordPress som gör det möjligt att lägga in beräkningsformulär. Detta formulär beräknar verkningsgraden för en solcellsmodul om man vet längd, bredd och märkeffekt för modulen samt  beräknar modulytan per kW. Längd och bredd hittar man i databladet för modulen, men det är inte alltid verkningsgraden anges. Verkningsgraden gäller vid “Standard Test Conditions” (STC), vilket motsvarar solinstrålning på 1000 W/m2 vinkelrätt mot modulen, solcelltemperatur 25C och ett spektrum vid “air mass” 1,5. I praktiken är det sällan eller aldrig dessa förhållanden uppstår vid drift. Solcelltemperaturen är vanligen högre än 25C vid full solinstrålning.

Får tacka bloggläsare Peter som tipsade om att det fanns plug-ins för beräkningar och  Carl Falkloo, Bonnier Publications AB, för hjälpen att installera denna plug-in!

Skriv gärna en kommentar om det är något som inte fungerar, med tanke på att detta är en oprövad “plug-in” här på bloggen.

Hur utvecklas verkningsgraden för solcellsmoduler?

Publicerat av

Verkningsgraden hos solcellsmoduler är viktig om man vill ha låg solelproduktionskostnad. I vissa tillämpningar kan dock andra egenskaper prioriteras på bekostnad av en lägre verkningsgrad. Exempelvis gäller det amorfa kiselsolceller för konsumentelektronik, som miniräknare. De har en verkningsgrad som är (klart) under 10%.

Kiselbaserade moduler hade 89% av världsmarknaden år 2012. Utvecklingen av verkningsgraden för kommersiella kiselbaserade moduler går framåt sakta men säkert. I en rapport från ansedda Fraunhofer Institute i december 2012 anger man att medelverkningsgraden för kommersiella kiselbaserade moduler har ökat från ca 12% till ca 15% under de senaste tio åren. Det gör en medelökning på 0,3% per år i modulverkningsgrad. Det stämmer väl med siffror jag såg i en annan källa för 1-2 år sedan.

Om vi extrapolerar en linjär utveckling med 0,3% per år skulle det ta 17 år att nå 20% i medelverkningsgrad för kommersiella kiselbaserade moduler. Jag tror dock inte att man kan anta en linjär utveckling eftersom man kommer allt närmare de högsta verkningsgrader man nått för labsolceller av kisel och att det därmed blir allt svårare och dyrare att förbättra verkningsgraderna.

Den bästa cellverkningsgraden för små labceller av monokristallin kisel är 25,0% för en 4 cm2 stor solcell från år 1999 enligt Solar cell efficiency tables (version 41), sedan dess har ingen förbättring skett. Rekordet för multikristallina kiselsolceller är på 20,4% från 2004 för en solcell på 1 cm2. Senare tids framsteg har gjorts inom HIT solceller, där Panasonic rapporterat om världsrekord på 24,7% tidigare i år för en kiselbaserad solcell av praktiskt användbar storlek (101,8 cm2). HIT står för Heterojunction with Intrinsic Thin layer, se figuren här nedan. Man utgår från en monokristallin solcell och belägger den med mycket tunna skikt av amorft kisel på båda sidorna av solcellen. De extra beläggningarna med amorfa kiselskikt ökar tillverkningskostnaden.

Uppbyggnad av Panasonic HIT-solcell. Källa: PV Magazine 2013-02-12.

Man ska komma ihåg att i en modul seriekopplas många solceller och modulverkningsgraden blir alltid lägre än för en enstaka solcell. Exempelvis använder Sun Powers 21,5% modul enligt nedan solceller med 24% verkningsgrad.

Den bästa verkningsgraden för en kommersiell kiselbaserad modul har Sun Power med 21,5% i medelverkningsgrad. Deras modell X21-345 är på 345 W per modul. Vill man bräcka grannen med denna värstingmodul får man dock vara beredd att slanta upp ungefär dubbelt så mycket som för en modul med 15% verkningsgrad enligt besked från en svensk återförsäljare. Sun Power ger en suverän effektgaranti på minst 95% efter de fem första åren och därefter en degradering på max 0,4% per år till år 25. Det betyder minst 87% av märkeffekten efter 25 år. Jag kan inte tänka mig att någon annan modultillverkare är i närheten av denna garanti. De ger också en unik produktgaranti mot defekter på fantastiska 25 år.

Ytbehovets beroende av verkningsgraden har behandlats i det tidigare inlägget ”Hur mycket ger solceller per m2?”. Om vi skulle byta våra Sanyo HIT-240HDE4 med 17,3% verkningsgrad till Sun Powers X21-345 skulle vi producera 24% mer energi på samma yta.

Solceller – svar på vanliga frågor

Publicerat av

Skrevs ursprungligen 2013-02-10. Uppdateringar har gjorts sedan dess, men tänk på att exempelvis prisuppgifter är färskvara.

Här är de korta och starkt förenklade svaren på några av de vanligaste frågorna.

Hur mycket producerar solceller i Sverige?

800 – 1 100 kWh/kW och år (mätt efter växelriktaren) = 135-170 kWh/m2 och år vid 17% modulverkningsgrad.

Hur stor yta behövs?

6-7 m2/kW.

Hur länge håller solcellerna?

Solcellsmoduler håller förmodligen minst 30 år.

Vad kostar solceller i Sverige?

15 000 – 25 000 kr/kW för en nyckelfärdig nätansluten solcellsanläggning för småhus, inklusive moms och installation.

Var kan man köpa ett solcellsystem i Sverige?

Se Leverantörer.

Om du vill ha en mera grundlig genomgång av svaren kan du läsa vidare.

 

Hur mycket producerar solceller i Sverige?

Som jämförelsetal brukar man ange hur många kWh som produceras per installerad kW under ett år. En tumregel som baseras på värden från redan installerade solcellsanläggningar är att man kan räkna med 800-1 100 kWh/kW och år, mätt efter växelriktaren, om det är ett fast monterat system som är hyggligt placerat.

En 10,08 kW solcellsanläggning på KTH producerade 1074 kWh/kW under 2011. Det var då svenskt rekord. 2011 var solinstrålningen 5,4% högre än under normalperioden 1961-1990 enligt SMHI:s mätningar. Det betyder att ett oskuggat system i Stockholmstrakten som har optimal lutning och orientering bör ge ca 1 000 kWh/kW under ett år med normal solinstrålning.

Lund har bara 0,4% högre solinstrålning än Stockholm under ett normalår och även där bör därför ett optimalt placerat system ge ca 1 000 kWh/kW per år. Under ett normalår har Visby 10% högre solinstrålning än Stockholm och vid Gotlandskusten borde man därför få ca 1 100 kWh/kW under ett normalår. SMHI:s karta över solinstrålning ger en överblick över hur solinstrålningen varierar i landet.

En del har frågat efter ”formeln” för att beräkna solelproduktionen. Det är en väldigt komplicerad beräkning och det finns inga enkla formler. Istället rekommenderas de beräkningsprogram som finns. Exempelvis är PVGIS mycket lätt att använda men ger något för låga värden för system som är oskuggade och bra placerade om man använder det förinställda värdet för ”estimated system losses” och man är söder om 60:e breddgraden. Norr om 60:e breddgraden blir noggrannheten sämre, med alltför låga produktionsvärden.

Det är många faktorer som påverkar det årliga utbytet:

  • Solinstrålningen. Varierar ±10% mellan olika år sett över en längre tidsperiod enligt SMHI:s mätningar i Sverige. Inget beräkningsprogram tar hänsyn till detta, om man inte kan mata in egna väderdata för ett visst år. Under ett toppår för solinstrålning borde man i Visby kunna producera ca 1 200 kWh/kW! I inlägget ”Solinstrålning under 2012 högre än under normalår i söder” visas solinstrålningen under 2012 vid SMHI:s alla mätstationer.
  • Temperatur. Modulernas verkningsgrad minskar med ökande temperatur. Ett normalt värde för kiselbaserade moduler är -0,40%/°C till -0,45%/°C. Modulernas märkeffekt är angiven vid en solcelltemperatur på 25°C. En solig sommardag blir celltemperaturen betydligt högre. Om celltemperaturen exempelvis är 40°C blir effekten ca 6% lägre än märkeffekten vid en instrålning på 1000 W/m2 mot modulytan. För att kunna ta hänsyn till detta behöver man vid noggrannare beräkningar förutom solinstrålningsdata även ha lufttemperaturdata per timme under ett helt år. Förutom luftemperatur påverkar vindhastighet och montering hur väl värmen leds bort från solcellsmodulen. Man ska se till att ha en luftspalt under modulen när man monterar dem på ett tak för att förbättra värmebortförseln från modulen.
  • Skuggning från omgivning (hus, träd, flaggstänger, takkupor, skorstenar eller andra installationer på taket) eller horisont. I vissa beräkningsprogram kan man lägga in skuggande objekt.
  • Solcellsmodulernas lutning. 40-45 grader är optimalt för söderläge i Mälardalen, men ±10% avvikelse ger liten skillnad i årsproduktion (mindre än 2%). Längst i söder i Sverige är optimala vinkeln lite lägre och i norr lite högre. Lägg märke till att om man har en annan orientering är söder blir den teoretiskt optimala lutningen lägre.
  • Solcellsmodulernas orientering. Söder bäst för högsta årlig solelproduktion. Sydväst eller sydost ger ca 6% lägre årlig produktion i Mälardalen.
  • Snötäckning. Kan sänka årsutbytet några procent, beror på var man bor i landet. För att minska snötäckningstiden är det bättre att ha lite högre vinkeln än den optimala som beräkningsprogrammen anger, eftersom de inte tar hänsyn till snötäckning och att snön lättare glider av självmant vid högre lutning. Den metallram som finns runt kanten på de flesta moduler gör det lite svårare för snön att glida av, ramlösa tunnfilmsmoduler har här en viss fördel.
  • Växelriktarens verkningsgrad. Några procent i skillnad mellan olika växelriktare. Verkningsgraden varierar med ingående effekt och DC-spänning, se inlägg “Verkningsgrad för växelriktaren beräknad“.
  • Förluster i kablar. Bör vara mindre än 1%. Dimensionering och längd påverkar dessa förluster.
  • Nedsmutsning av modulerna på grund av pollen, luftföroreningar, löv, algbildning, fågelspillning etc. Liten effekt i Sverige (någon? procent, få studier gjorda), regn och snösmältning ger självrengöring.
  • Degradering av modulerna. Få studier gjorda i Sverige. I rapporten “Outdoor PV degradation comparison“ från amerikanska NREL 2011 där man sammanställt många olika studier fann man att modulerna tappade 0,5%/år i median och 0,7%/år i medel i toppeffekt, fast enskilda värden varierade mellan ca 0% och 2%/år.

Det i PVGIS använda ”estimated system losses” är ett schablonvärde för summan av de förluster som kan uppstå på grund av ovanstående faktorer.

Eftersom ett solcellsystem på ett småhus sällan har helt optimala betingelser brukar jag anta 900 kWh/kW i Mälardalen som ett normalvärde.

Se även inlägget “Varför ger solcellsmoduler inte märkeffekten?”.

Hur stor yta behövs?

Ytan per installerad kW bestäms av modulernas verkningsgrad. Om verkningsgraden för en modul är 17% blir modulytan per kW 1/0,17 = 5,9 m2. Att det blir denna enkla formel beror på att verkningsgraden anges vid en solinstrålning på 1 000 W/m2 och att arean beräknas som effekt/(verkningsgrad*solinstrålning).  Installationsytan kan bli aningens större om montagesystemet gör att det behövs ett litet mellanrum mellan modulerna (2 cm längs modulernas långsidor, hemma hos oss). I inlägget ”Hur mycket ger solceller per m2?” finns ett diagram som visar ytbehovets beroende av solcellsmodulernas verkningsgrad.

Med tumregeln 800 – 1 100 kWh/kW,år för Sverige får vi att solelproduktionen blir ca 135-185 kWh/m2 vid 17% modulverkningsgrad och år under ett år med normal solinstrålning. I inlägget ”Hur mycket ger solceller per m2?” finns en skördetabell för olika solcellsteknologier.

I inlägget ”Statistik över solcells-installationer i Sverige – 2. Modulverkningsgrad” från 30 oktober 2012 framgår att medianvärdet för verkningsgrad var 13,8% för installationer gjorda med investeringsstöd från 1 juli 2009. Modulverkningsgraden har stigit med åren. Vid årsskiftet 2017- 2018 var 16-17% en normal modulverkningsgrad. I början av 2018 var den högsta verkningsgraden för kommersiella moduler med kiselsolceller 22,2% (SunPower).

 

Hur länge håller solceller?

Se inlägget ”Garantier för solcellssystem”.

Modultillverkarna ger vanligen en effektgaranti på minst 80% av märkeffekten efter 25 år, vilket torde var tämligen unikt för en elprodukt. Övning: Fundera på hur många 25 år gamla användbara elprodukter du har i ditt hem (TV, radio, telefoner, datorer, glödlampor, spis, kylskåp, frys, köksutrustning, värmepump, miniräknare, …). Ni som inte är tillräckligt gamla kan fråga era föräldrar, :-), och fundera även på vilka förväntningar du har på dessa produkters livslängd.

När jag räknar på produktionskostnad brukar jag anta 30 års livslängd på solcellsmodulerna och lägga till en årlig driftkostnad för att täcka ett byte av växelriktare under livslängden. Se mallar för beräkning av produktionskostnad och livslängd i projektet “Investeringskalkyl för solceller“, vid Mälardalens högskola.

 

Vad kostar solceller i Sverige?

Se inlägget “Vad kostar solceller – Uppdatering 2017-10-19“.

I det förenklade svaret skrev jag 15 000 – 25 000 kr/kW för en nyckelfärdig nätansluten solcellsanläggning för småhus. Generellt sett minskar priset per kW med ökande storlek på anläggningen. För ej nätanslutna anläggningar tillkommer batterierna vilket höjer priset.

Priserna gäller för kompletta paket inklusive moms, installation och idriftsättning för en standardinstallation. Observera att detaljvillkoren vad som ingår i paketen kan variera mellan paketen, det gäller exempelvis fraktkostnaden.

I inlägget ”Statistik över solcells-installationer i Sverige – 1. Effekt” från 30 oktober 2012 framgår att medianvärdet för installerad effekt var 4,2 kW räknat från 1 juli 2009 för de som installerat under föregående period för investeringsstöd. Se även inlägget ”Ska man fylla taket med solceller?”.

Jämförelse av priser för kompletta solcellspaket inklusive installation och moms. Detaljvillkoren för vad som ingår kan variera mellan paketen. Den lila linjen 2016 IEA-rapport anger ett medelpris för ca 5 kW 2016 enligt “National Survey Report of PV Power Applications in Sweden 2016” . Tipsa gärna om du känner till andra elbolag som levererar solcellspaket. KLICKA på diagrammet för att se det i full skala.

Var köper man ett solcellsystem i Sverige?

Se under Leverantörer. Där finns en lista med många leverantörer av nyckelfärdiga solcellspaket och ytterligare företag som säljer moduler och andra komponenter.

Hur mycket ger solceller per m2?

Publicerat av

En fråga som dyker upp då och då är vilken effekt eller hur mycket energi solceller ger per kvadratmeter (m2). Jag har skrivit om det förut men här kommer en repris med lite uppdaterade data.

Effekt per m2

Man behöver veta att solcellsmoduler vid tillverkningen testas vid så kallade ”standard test conditions” (STC). Vid STC har man en instrålning motsvarande 1000 W/m2 med vinkelrätt infall mot modulytan, 25°C solcellstemperatur och ”air mass” 1,5 som definierar ett visst spektrum för solljuset.

Våra Sanyo HIT solcellsmoduler har en verkningsgrad på 17,3%. Det betyder att 17,3% av den instrålade solenergin blir elektricitet, resten blir värme. Vid STC blir solcellsmodulernas effekt då 17,3% x 1000 W/m2 = 173 W/m2. I praktiken har man dock nästan aldrig STC-förhållanden och därför ger modulerna heller nästan aldrig märkeffekten. Mera detaljer om detta finns i inlägg från 13 april.

Notera att solcellerna ger likström (DC). Effekten enligt ovan är solcellsmodulens DC-effekt. För att kunna använda solelen i huset behövs en växelriktare för att omvandla likströmmen till växelström (AC). Det ger vissa energiförluster och därför är växelriktarens levererade AC-effekt alltid lägre än modulernas DC-effekt.

Energi per m2

Jag har reviderat min tumregel till att hyggligt placerade solcellsanläggningar i Sverige ger ca 800-1100 kWh/kW och år under ett år med normal solinstrålning. Uppgraderingen till 1100 kWh/kW och år baseras på att under ett normalår ger en toppenbra solcellsanläggning 1000 kWh/kW i Stockholm (har uppmätts) och solinstrålningen i Visby är enligt SMHI:s mätningar 10% högre än i Stockholm. Därför bör en lika bra anläggning i Visby ge ca 1100 kWh/kW och år under ett år med normal solinstrålning. Solinstrålningen kan variera ca ±10% mellan olika år enligt SMHI:s mätningar. Under bästa möjlig solår skulle därmed Visby kunna skörda ca 1200 kWh/kW under ett år. Gotlänningar, hör av er med produktionssiffror för era solcellsanläggningar!

För att kunna utnyttja ovanstående tumregel för att få energi per m2 behöver man veta hur stor yta 1 kW märkeffekt kräver. Det räknar man ut om man vet modulverkningsgraden. Om vi antar 17,3% verkningsgrad vet vi enligt ovan att effekten är 173 W/m2 vid STC. Ytan för 1 kW (1000 W) blir därmed 1000/173 = 5,8 m2/kW. Bor man i Visby och har ett toppenläge bör man då kunna skörda 1100/5,8 = 190 kWh/m2 och år.

Om man skulle ha en modul av typen ”Concentrating PV” (CPV) med verkningsgrad på 25% skulle det bara krävas 4 m2/kW för att installera 1 kW märkeffekt. CPV kräver solföljare. CPV är dock inte gångbart i Sverige eftersom CPV kräver en hög andel direkt solinstrålning för att vara bättre än vanliga moduler på solföljare.

Får man tag på en SunPower kiselbaserad modul med 20,4% verkningsgrad blir ytan 4,9 m2/kW. Köper man världens bästa kommersiella CIGS-modul från Miasole med 13,1% verkningsgrad behövs 7,6 m2/kW. Klipper man till med en Konarka Power Plastic 1140 flexibel polymerbaserad modul är verkningsgraden blygsamma 1,67% och man får ta till 59,9 m2/kW för att få ihop till 1 kW.

Skördetabellen nedan visar med röda siffor hur mycket energi (kWh/m2 och år) man kan vänta sig vid olika utbyten per kW och år (anges med svarta siffor 800, 900, 1000 och 1100 kWh/kW och år).

Verkningsgrad

Det är inte alltid verkningsgraden anges i produktbladen. Så var exempelvis fallet för Konarkamodulen enligt ovan. Men har man dimensionerna och effekten kan man räkna ut verkningsgraden själv.   Konarkamodulen har enligt databladet ytan 2,407 m x 0,676 m = 1,63 m2.  Effekten är 27,3 W vilket gör 27,3/1,63 = 16,7 W/m2 vid STC. Vid STC har vi en instrålning på 1000 W/m2 och verkningsgraden blir då 16,7/1000 = 1,67%.

Yta i m2 per kW som funktion av solcellsmodulers verkningsgrad.

Myskmadra. Johannisberg, Västerås. 26 maj 2012.

Vill du bräcka grannen med en värstingmodul?

Publicerat av

Klappa till med en E20/333 modul från Sunpower! Det är en modul på 333 W med 20,4% modulverkningsgrad, som kommer att göra grannen knäsvag.

SolarPlaza har en tio i topp lista för kommersiella moduler med högst verkningsgrad, för en- och polykristallina kiselbaserade moduler samt för CIGS (koppar-indium-gallium-diselenid). I tabellen nedan har jag dessutom lagt till CdTe (kadmiumtellurid)-moduler och organiska (polymer) moduler som just börjat komma på marknaden. De organiska modulerna har en lång väg att gå för att närma sig övriga teknikers verkningsgrad och livslängd.

Är det viktigt med hög modulverkningsgrad?

Det finns flera aspekter på detta spörsmål.

  • Har man en begränsad yta kommer man att producera mera solel på denna yta om man har moduler med hög verkningsgrad.
    När IEA PVPS hade sitt möte Task 13 möte i Israel i oktober ifjol fick vi höra att 60% av landet är öken. Man kan då tycka att det inte skulle vara något problem att finna platser att installera solcellsanläggningar, men en av våra värdar hävdade att tillgång till land för solcellsinstallationer var en fråga även där.
  • Med högre verkningsgrad behövs mindre arbete för installationen, färre kablar, färre profiler till modulerna etc. Det ”övriga”, utöver modulerna, blir alltså billigare.
  • Om man funderar i aspekter som hur mycket materialresurser man förbrukar är det också fördelaktigt med högre verkningsgrad. Under 2011 installerade i grova slängar 150 miljoner!!! solcellsmoduler i världen. Siffran nämndes vid en IEA workshop i Uppsala förra veckan. Ett överslag visar att siffran är rimlig: 27,7 GW installerades ifjol vilket gör 185 W per modul, vilket verkar någorlunda riktigt.Om vi för enkelhetens skull antar att det behövs 1 meter kabel för koppla ihop två moduler blir det 15 000 mil kabel enbart för att koppla ihop modulerna. Skulle man ha installerat moduler med 1% bättre verkningsgrad skulle man alltså ha sparat 150 mil kabel för att installera samma effekt. Med tanke på att även koppar kan bli en bristmetall i framtiden finns det anledning att begränsa kabelåtgången…

Källor

SolarPlaza. Top 10 World’s Most Efficient Solar PV Modules.

Optics.org. First Solar halts expansion amid PV uncertainty.

Konarka. Tech Sheet Sheets and Brochures.

EPIA (European Photovoltaic Industry Association). Market Report 2011.

Luktviol, Johannisbergs herrgård. 20120422.

Moduler från Sunpower med 20% verkningsgrad!

Publicerat av

Sunpower, som är kända för att tillverka kiselbaserade moduler med hög verkningsgrad, har nu passerat magiska 20% för moduler som inte använder koncentrerande teknologier, se pressrelease 8 juni 2011. De har en 333 Watt modul med 96 celler som har 20,42% modulverkningsgrad och en 327 Watt modul med 20,05% verkningsgrad. Detta är världsrekord för kommersiella, massproducerade moduler. Intressant är att toleranser ligger mellan 0 och 5%, vilket betyder att alla moduler har minst den specificerade effekten och att den kan vara upp till 5% högre.

Våra Sanyo Sanyo HIT-240HDE4 har 17,3% verkningsgrad, vilket är bra, men trots det en bra bit ifrån Sunpowers moduler. Våra 14 moduler har en modulyta på 19,4 m2 och en nominell toppeffekt på 3,36 kW. Med 10 stycken Sunpower 333 Watt moduler skulle vi få 3,33 kW med en modulyta på 16,3 m2. Vi skulle kunna göra vår solcellsanläggning 3 m2 mindre eller sätta dit 12 moduler med 19,6 m2 yta och få en anläggning med 4,0 kW i toppeffekt istället. Det skulle ha räckt för att även maj och juli, och inte bara juni, skulle ha blivit månader med mera solelproduktion än elbehov i huset.

 

Räkna ut verkningsgrad på en solcellsmodul

Publicerat av

Våra Sanyo HIT-240HDE4 moduler har en nominell maxeffekt på 240 W likström. Den verkliga maxeffekten vet vi inte eftersom vi inte fått testprotokollen för modulerna från vår systemleverantör ännu. Enligt databladet kan modulernas effekt variera med -5% till +10% i förhållande till den nominella. De allra flesta leverantörer brukar dock leverera moduler som har en något högre effekt än den nominella, förmodligen för att gardera sig mot eventuella garantiproblem. Efter 10 respektive 20 år ska modulerna ge minst 90% respektive 80% av den nominella effekten.

Modulerna har yttermåtten  0,861x 1,610 meter och modulernas yta blir därmed 1,386 kvadratmeter  (m2) och effekten per kvadratmeter blir 240/1,386 = 173 W/m2. När tillverkaren mäter upp effekten på en modul gör man det med en simulerad solinstrålning på 1000 W/m2. Modulens verkningsgrad blir därmed 173/1000 = 17,3%. Verkningsgraden brukar oftast anges på databladet för modulen men på databladet från den  tyska grossisten IBC Solar, som vi fick från vår systemleverantör, stod vare sig verkningsgrad eller modulernas längdmått, så längdmåttet hämtade jag från tillverkaren Sanyos hemsida.

Man ska inte räkna med att modulerna någonsin producerar lika mycket effekt mätt på växelströmssidan som modulens nominella märkeffekt.  Sett över ett helt år blir genomsnittet i Sverige 10±1%, under förutsättning att solcellssystemet inte är alltför skuggat och har en växelriktare med bra verkningsgrad. Eftersom vi har skuggning morgon och kväll kommer vi att hamna runt 9% = 300 Watt i genomsnitt över hela året.