Transcript Solenergi – en introduktion - Warm-Ec

Clearline
R
r
Solenergi
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Solenergi
en introduktion
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Innehåll
1.0Olika former av solenergi.............................................................................. 3
1.1 Passiv solinverkan............................................................................................................3
1.2Solfångare.........................................................................................................................3
1.3Solceller............................................................................................................................3
1.4Koncentration av solljuset.................................................................................................4
2.0Hur ett solvärmesystem för varmvatten fungerar........................................ 5
2.1Det enkla systemet............................................................................................................5
2.2Olika typer av solpaneler..................................................................................................5
2.3 Solpanelernas effektivitet..................................................................................................6
2.4 Solresurser i Sverige........................................................................................................7
2.5 Årstiderna och solenergi...................................................................................................7
2.6 Påverkan av vinkel och väderstreck.................................................................................8
2.7 Avtagande effekt av större solpanelyta............................................................................8
2.8Rörinstallation...................................................................................................................9
2.9 Anslutning till andra värmesystem..................................................................................10
3.0Kombisystem (varmvatten + uppvärmning)................................................ 11
3.1 Begränsningar i kombisystem.........................................................................................11
4.0Solcellspaneler............................................................................................ 12
4.1Om solljus.......................................................................................................................12
4.2 Fotoelektriska effekten....................................................................................................12
4.3Konstruktion av en solcell...............................................................................................13
4.4Effekter – Data................................................................................................................13
4.5Installation.......................................................................................................................14
Copyright © 2011 Viridian Concepts Ltd | Översättning: Warm-Ec Scandinavia AB | Grafisk form: Smalltown Media
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
2
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
1.0 Olika former av solenergi
Solen är en het planet
bestående av små
gasatomer som i en
fusionsreaktion slås
samman under högt tryck
och hög temperatur till
större atomer, samtidigt som enorma mängder energi
frigörs.
•ha större fönsterytor mot söder, mindre mot norr;
•använda byggmaterial som lagrar värme;
•undvika skugginverkan från andra hus.
Solenergin skickas ut i alla riktningar som ljus. Mycket av
solenergin reflekteras tillbaka av atmosfären, men otroliga
90 000 TW strålar in mot jordytan. Det är mer än 6 000
gånger vad människan behöver.
Fastän de flesta energikällor ytterst har solenergin som
källa används den vanligtvis i formen av solkollektorer som
omvandlar den till användbar form.
Solar Heating System
1.2 Solfångare
Energikällor...
En solfångare är helt
enkelt en isolerad svart
yta som absorberar
solljus. Ytan värms upp
och energin tas upp av en
glykolblandning. Vätskan
transporteras sedan till
en tank eller ex.vis en
swimmingpool.
Hydro-elektrisk: Solen förångar vatten, det faller
ner som regn i högre belägen terräng. Lägesenergin
omvandlas sedan i turbiner, i vattenkraftverk, till
elenergi.
Vind: Vind uppstår p.g.a temperaturskillnader
förorsakade av solen.
Vågor: Skapas av vind och därmed också sol.
Sol: Solljus omvandlas direkt tilll användbar energi.
Biomassa: Fotosyntes, dvs. växter och träd,
omvandlar vatten, koldioxid och solljus till biomassa.
Kontrollenhet
Clearline
Annan
värmekälla
Bra solpaneler behöver
inte direkt solljus och kan
Varmvattentank
fånga värme även molniga
dagar. Typiskt används energin i lågenergiapplikationer som
t.ex. att värma vatten för att tvätta.
Fossila bränslen: Naturgas, olja som omvandlats
från biomassa under högt tryckt och lång tid.
Andra energiformer: Atomkraft, tidvattten (månens
inverkan), geotermisk (jordens inre energi) och
fusionskraft (som reaktionen på solen).
1.3 Solceller
Solceller (PV) omvandlar soljus till
elektricitet och används vanligen till
klockor och miniräknare.
1.1 Passiv solinverkan
Denna form av solenergi tas ofta för given, energin kommer
huset tillgodo via fönster etc. I genomsnitt kan ett hus i
Sverige få ett tillskott på ca 10% av energibehovet på detta
sätt.
När priset för solceller gått ner och
verkningsgraden ökat har tekniken blivit
mer kostnadseffektiv. Genom generösa
ekonomiska statliga bidrag kan solceller vara ett exempel på
förnyelsebara energikällor.
Utan större kostnader kan detta förbättras avsevärt genom
att:
•placera huset så att solen värmer de mest använda
boytorna;
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
Solpanel
Den mest förekommande tekniken bygger på tunna kiselplattor, s.k. wafers. De seriekopplas ihop till större moduler.
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
3
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Moduler kopplas sedan ihop till större grupper av
paneler för att uppnå större energiinnehåll. Den
uppkomna likspänningen (DC) måste sedan omvandlas
i en växelriktare, till växelspänning (AC), för att kunna
nätanslutas.
1.4 Koncentration av solljuset
Om solens strålar koncentreras med speglar kan mycket
högre temperaturer uppnås, tillräckligt för att bilda ånga
som kan driva turbiner. Solenergin koncentreras till en
punkt där olja strömmar förbi. Oljan kan nå temperaturer
på 400°C för att sedan användas till att omvandla vatten till
ånga och turbindrift.
Koncentrerande solfångare fungerar endast i direkt solljus.
Oftast krävs en roterande lösning som följer solens läge.
Tekniken är kostnadskrävande och används endast i
områden med många soldagar.
Storskaliga anläggningar, som
på bilden, finns bl.a. i Spanien
där markplacerade speglar
koncentrerar solljuset mot
ett torn där ånggeneratorn är
placerad.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
4
Clearline
Solenergi
R
r
Solenergi – En introduktion (v1.0)
2.0 Hur ett solvärmesystem för varmvatten fungerar
2.1 Det enkla systemet
En solpanel eller solfångare är ett mörkfärgat material
som absorberar solenergin och värmer upp genom
en värmeväxlande vätska som strömmar igenom och
transporterar värmen dit den skall användas.
I det enklaste fallet kan det vara en svart gummipåse som
ligger på marken med vatten från simbassängen som rinner
igenom den.
g System
För att uppnå användbara temperaturer för varmvatten
måste den mörkfärgade ytan vara isolerad för att minimera
värmeförluster till omgivningen.

Diagrammet ovan visar hur stor del av årets varmvattenbehov som solen står för. Det brukar kallas »solar
Glazing solfångaryta, väderstreck och
fraction«. Den är avhängig
varmvattenförbrukning.
Solpanel
2.2 Olika typer av solpaneler
Absorber
Plate
Fördel
Nackdel
Plana
solpaneler
•Enkel
•Robust
•Elegantare design
•Kan integreras i
taket
•Kostnadseffektiv
•Behövs marginellt
större takyta
Vakuumrör
•Passar för
industriella
applikationer
•Komplexa
•Begränsad livslängd
•Utseende
•Dyra
Kontrollenhet
Clearline
Annan
värmekälla
2.2.2 Plana solfångare
Varmvattentank
De plana solfångarna har en svart absorbatoryta under en
glasskiva. Baksidan och kanterna är isolerade. En vätska
(ofta vatten- och glykollösning, ibland luft) cirkulerar genom
panelen.
Solpanelen placeras där den kan få bra ljus vilket ofta
är på taket av huset. En pump cirkulerar vätskan (oftast
vatten eller vatten blandat med glykol) genom systemet.
Värmen i systemet transporteras till en ackumulatortank
(varmvattentank) som oftast har en s.k. indirekt
värmeslinga.
En elektronisk styrning reglerar pumpen så att systemet
sköter sig självt. En extern värmekälla är nödvändig för
dagar när solenergin inte räcker till.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
5
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Inom ramen för denna beskrivning är många variationer
möjliga. Till exempel kan det täckande materialet vara plast
eller glas, enkelt eller dubbelt, med eller utan antireflexytbehandling. Olika leverantörer tenderar att argumentera
hur bra just deras sätt att förbinda rören med absorbatorn
är. Se hur viktiga dessa argument verkligen är i sektion 2.7.
En teknisk detalj, som är väl värd att notera, uppfanns
på 80-talet. Det kallas för »spektralselektiv yta« och är
generellt sett en film av oxid som läggs på metallytan.
Beläggningen ser svart ut i dagsljus men är som en
silveryta för infraröda våglängder. Ett material med en
selektiv yta absorberar ljus lika bra som en svartmålad yta
men är mycket bättre på att behålla värmen.
När vätskan som strömmar genom panelen är av samma
temperatur som utsidan är den optiska effektiviteten
densamma som solpanelens effektivitet. Detta händer
oftast kortare stunder under dagen.
2.2.3 Solfångare av vakuumrör
Som i en termosflaska kan
vakuum vara utmärkt termisk
isolering. Det reducerar
konvektionen till noll. Luft i sig
själv är en dålig värmeledare,
men vakuum förbättrar
isoleringen ytterligare.
Under dagen när temperaturen på vattnet i ackumulatortanken ökar så ökar också temperaturen på insidan
av solpanelen. Eftersom solpanelen är varmare än
omgivningen sker värmeförluster genom utstrålning,
konvektion och värmeledning. Ju varmare det blir desto
lägre blir effektiviteten.
Vakuum skapas i en
glasbehållare som släpper
igenom ljus. Ett glasrör är en
lämplig geometrisk form för
vakuum.
Röret innehåller en skena av ljusabsorberande material
med ett u-format rör för den värmeväxlande vätskan
att passera igenom. Ett antal sådana rör kombineras
tillsammans för att skapa en större yta eller »panel«.
Den extra isoleringen som vakuum betyder gör att
verkningsgraden vid högre temperaturer (>60°C) är högre
än för plana solfångare och gör dem bättre lämpade för
industriella processer som kräver höga temperaturer.
2.3 Solpanelernas effektivitet
Effektiviteten beror också på solpanelens isolering.
Solpanelens effektivitet varierar alltså beroende på
temperaturskillnaden mellan panelen och dess omgivning.
Bilden på nästa sida illustrerar denna variation för olika
typer av solpaneler.
Inte all ljusenergi som landar på en solpanel kan användas
som värme. En del ljus reflekteras bort av glaset som täcker
panelen och del av den svarta ytan.
Andelen av den ljusenergi som passerar genom den
transparenta ytan och absorberas av den svarta ytan i
förhållande till den ljusenergi som landar på panelen ger ett
mått på solpanelens effektivitet – det så kallade »optiska
effektiviteten« eller »zero loss coefficient«. Den optiska
effektiviteten beror endast på egenskaperna av glaset som
täcker panelen och den svarta ytan.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
De olika linjerna visar effektiviteten för olika solpaneler när
skillnaden i temperatur mellan panelen och omgivningen
ökar. Vakuumrörsystem har generellt från början en lägre
effektivitet än plana system beroende på geometrin som blir
när man packar glasrör intill varandra.
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
6
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
En vinklad yta mot solen kan fånga mer energi än en plan
beroende på riktningen. Om ytan är vinklad mot söder med
en lutning av 35 grader så upptar den omkring 11% mer
ljusenergi än en horisontell.
Ett hus på 120 m2 som är bra isolerat behöver omkring
15 000 kWh per år för uppvärmning och 5 000 kWh för
varmvatten. Totalt 20 000 kWh.
På ett tak mot söder strålar in ca 50 000 kWh/år.
Solvärmesystem är ett kostnadseffektivt sätt att ta vara på
denna »gratisenergi«.
Efterhand som temperaturen i panelen ökar faller
verkningsgraden snabbare i en solfångare av plan typ än i
ett vakuumrör.
Vakuumrörsystem är mest användbara för industriella
värmeprocesser där det krävs höga temperaturer.
Vissa leverantörer missleder genom att bara ange
den optiska effektiviteten som om den är den verkliga
användbara effektiviteten av deras produkt. Några till
och med använder effektiviteten av den svarta ytan att
absorbera ljusenergi och ignorerar effekten av det täckande
glaset. Som den grå linjen ovan visar är det lätt att göra
en panel med hög optisk effektivitet genom att ta bort det
täckande glaset.
2.5 Årstiderna och solenergi
2.4 Solresurser i Sverige
Med tanke på att antalet soltimmar varierar över året är ett
system för varmvattenproduktion att föredra. Vintertid, när
behovet av bostadsuppvärmning är som störst, räcker inte
antalet soltimmar till.
Grafen ovan visar det genomsnittliga antalet daglig
ljusenergi för varje månad ett typiskt år. Den totala
ljusenergin kommer från två delar – direkt strålning (rakt
från solen, gult) och strålning som reflekteras från moln,
himlen och omgivningen (blått).
Man kan se i det här exemplet att under sommarmånaderna
är det dagliga genomsnittet sex till sju gånger mer än under
vintermånaderna, d.v.s. ungefär som i södra Sverige.

Varmvattenbehovet är relativt konstant under året. En
anläggning som är anpassad för sommarhalvåret täcker det
årliga behovet upp till 50-60%.

En anläggning som är dimensionerad även för vintern
behöver vara sex till sju gånger större än den behöver
Hur mycket solenergi finns tillgängligt i Sverige? Kartan
visar hur mycket ljusenergi (kWh) som kommer på en (1)m2
horisontell jordyta per år.
(Bilden är lånad från Svenska Solenergiföreningen)
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
7
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
2.6 Påverkan av vinkel och väderstreck
vara på sommaren. Den blir därför dyr och ger dåligt
ekonomiskt utbyte. Solpanelerna blir alltså till en stor del
onödiga. Är systemet anpassat för att svara mot efterfrågan
på sommaren behövs mer uppvärmning från andra källor
under vintern.

Den kompromiss som oftast väljs maximerar
skillnaden mellan användbar energi som tillvaratas och
investeringskostnad. Normalt innebär detta ett system som
ger 50-60% av varmvattnet på ett år.
Positionen av solpanelen som maximerar den energi som
kan upptas i Sverige är söderut och en vinkel av 35 grader.
Nedanstående diagram visar solinstrålningens variation
med avseende på dels taklutningen (x-axel) samt
solfångarens orientering (y-axel).
Av diagrammet kan man alltså utläsa att solfångarsystemets effektivitet är relativt konstant inom en taklutning
på 25-50 grader samt inom väderstrecket sydväst-sydöst.
Effekten avtar inte så dramatiskt som man kan kanske
skulle tro.
Vad många överraskas av är hur lite positionen av solfångaren påverkar hur mycket total energi som tillvaratas
under ett år. Detta gäller speciellt om vinkeln är 35 grader,
där skillnaden mellan öst, väst och söder bara är ca 12%.
2.7 Avtagande effekt av större solpanelyta
Det verkar rimligt att anta att den energi som solfångare
upptar är:
Ljusenergi x verkningsgrad x panelyta
Det stämmer i teorin, men man måste också beakta
möjligheten att lagra den upptagna energin.
En dag med mycket solljus och när varmvattentanken nått
sin maximala temperatur stängs systemet av – det finns
ingenstans att göra av energin.
En för stor anläggning ger inte det önskade energitillskott
som förväntas eftersom solfångarna kräver en motsvarande
större tank. Vid molniga dagar får solfångaren arbeta mot
en för stor tank och ger inte tillräcklig mängd varmvatten.
För ett solvärmesystem gäller att relationen mellan yta och
användbar upptagen energi följer en kurva med avtagande
nytta. Det samma gäller solfångarens effektivitet.
Diagrammet på nästa sida illustrerar detta faktum.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
8
Clearline
Solenergi
R
r
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Fördelar med självdränerande system:
•Lätt att installera och fylla upp.
•Systemet kan aldrig koka.
2.8.2 Trycksatta system
I ett trycksatt system är kretsen hela tiden fylld med vätska.
Systemet måste vara frostskyddat (40% propylenglykol) och
försett med ett expansionskärl. Dess uppgift är att utjämna
volymändringar som uppstår p.g.a. temperaturändringar
som sker i systemet.
Vätskevolymen ökar då temperaturen ökar och vice versa.
Bilden visar hur den energi som en solpanel fångar varierar
med installerad yta. Familjen behöver i detta medelstora
hus omkring 2 500 kWh per år (blå linje). Den gröna linjen
är en typisk rörsolfångare och den brandgula är en plan
solfångare.
Båda solfångarna visar en avtagande nytta vid ökad
installerad yta. Notera också att den lilla skillnaden mellan
vakuumrör och plana solfångare.
2.8 Rörinstallation
Det finns i huvudsak två olika system för solfångare,
trycksatta samt ”trycklösa” eller självdränerande system.
2.8.1 Självdränerade system
Arbetsläge i trycksatt system
Solpanel, pumpen går,
expansionskärl, ack.tank
När pumpen står still så är systemet tomt och vätskan
befinner sig i vätskekärlet.
Viloläge med vätskan
i kärlet
Tom solpanel, viloläge,
pumpen av, ack.tank
Arbetsläge med cirkulation
i systemet
Fylld solpanel, arbetsläge,
pumpen går, ack.tank
När stagnation med ångbildning inträffar sker en kraftig
volymökning i panelen och ångan pressar vätskan ner i
expansionskärlet.
Vid fyllning av systemet är det viktigt att all luft avlägsnas
i kretsen. Det görs ofta med en extern kraftig pump som
fyller och cirkulerar runt glykolen tills all luft är borta.
När solen värmer solfångaren startas pumpen och
cirkulerar vätskan i systemet. I solslingan överförs
värmeenergin till ackumulatortanken.
Ett trycksatt system kan byggas större och har ett bredare
användningsområde med grövre och längre rör. Ett trycklöst
system kräver att rören förläggs med ett visst fall för att
vätskan skall rinna tillbaka själv.
När pumpen stannar, exempelvis på kvällen, rinner vätskan
med gravitation tillbaka till vätskekärlet. Det inträffar också
vid risk för kokning av systemet eller vid överhettning eller
stagnation. Denna teknik innebär att glykolblandningen inte
tar skada.
Stagnation är det läge då ett trycksatt system har stannat
p.g.a. av att värmemagasinet (tanken) är fullt. När då
vätskan inte cirkulerar blir panelen varmare och varmare.
Temperaturen i panelen kan då vara drygt 200°C och
vätskan i systemet kan börja koka och förångas.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
Stagnationsläge i trycksatt system
Ånga, pumpen av,
expansionskärl, ack.tank
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
9
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Bra solenergidagar värmer solpanelerna hela tanken upp
till användbar temperatur och termostaten kommer inte att
slå på det andra uppvärmningssystemet. Dagar utan sol
slår termostaten på och kallar på mer värme från det andra
uppvärmningssystemet.
2.8.3 Att tänka på vid solfångarinstallationer
Efter ett driftstopp, vid stagnation, kommer ånga att
pressas ner i rörsystemet. Ångan kyls givetvis ner av rören
men temperaturer på över 200°C kan uppnås. Det ställer
höga krav på rör och kopplingar med tanke på tryck och
temperatur.
Kontrollenheterna för solvärmesystemet och det andra
uppvärmningssystemet kan vara helt separata från
varandra.
•Använd koppar- eller stålrör. Plaströr eller liknande
håller inte, ej heller Prisolrör.
•Rörisolering av mineralull eller HT Armaflex
(polyethylene-isolering smälter).
•Använd klämringskopplingar eller hårdlod (silverlod).
Se nästa avsnitt för en mer detaljerad förklaring hur en
sådan ackumulatortank fungerar.
Ackumulatortankens storlek är normalt vald så att den
volym som värms av det konventionella uppvärmningssystemet motsvarar det dagliga behovet av varmvatten.
Den totala volymen ska vara minst 1,5 gånger det dagliga
varmvattenbehovet.
2.9 Anslutning till andra
värmesystem
En anslutning av ett solvärmesystem till ett värmesystem
behöver inte vara komplicerad. I själva verket kan ett
solvärmesystem verka som ett stöd till ett konventionellt
värmesystem.
Enklast görs rördragningen så att solenergin används att
förse det konventionella systemet med förvärmt vatten. Det
innebär att det konventionella värmesystemet bara går på
när solvärmen inte har höjt temperaturen tillräckligt.
Det finns tre sätt att göra rördragningen för att åstadkomma
detta.
Ett sätt är att ha två tankar där kallvattnet först går igenom
en tank som värms av solvärme och förvärmer vattnet som
därefter går vidare in i det konventionella värmesystemets
varmvattentank. Vid gynnsamma förhållanden är vattnet
tillräckligt varmt av solvärme och behöver inte värmas
ytterligare. Mindre soliga dagar slås det konventionella
systemet automatiskt på och värmer till önskad temperatur.
Den mest vanliga och kostnadseffektiva lösningen är att ha
en tekniktank med tre värmeväxlarslingor. En värmeslinga
i botten för solvärme och två slingor i serie i övre delen av
tanken för varmvattnet.
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
10
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
3.0 Kombisystem (varmvatten + uppvärmning)
Solfångarsystem används oftast till varmvattenproduktion.
Emellertid kan de också anslutas till bostadsuppvärmning
och ge ett tillskott höst och vår. En ackumulatortank
för kombisystem bör dock vara större än tankar för
varmvattenproduktion. Panelytan bör vara 12-15 m².
Solvärme lämpar sig bäst tillsammans med golvvärme, då
detta kräver lägre framledningstemperaturer
Som framgår av diagrammen så räcker installerad
solfångararea inte nämnvärt till uppvärmning. Ytan måste
ökas avsevärt.
Diagrammet nedan visar en 3 gånger så stor solfångararea.
3.1 Begränsningar i kombisystem
Vi har störst uppvärmningsbehov vintertid d.v.s. när solen
lyser minst.
Diagrammen nedan visar typiska energibehov för
uppvärmning samt varmvatten sett över ett helt år.
Ett större system ger sommartid givetvis en större mängd
varmvatten än vad som krävs. Tillskottet för uppvärmning
(gult fält) sker höst och vår men har inte någon större
inverkan.
Däremot ökar dels risken för kokning sommartid och dels
ökar installationskostnaden avsevärt.
Solenergikurvan motsvarar en solfångaryta lämplig
för varmvattenproduktion
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
11
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
4.0 Solcellspaneler
4.2 Fotoelektriska effekten
Sollcellspaneler (PV) omvandlar ljus till elektricitet. De
är mindre effektiva än solfångare men har ett större
användningsområde då alstrad elektricitet kan brukas på
många olika sätt.
Hjärtat i en solcell är samverkan mellan två halvledare
(kallas p-skikt och n-skikt). När en ljusfoton med tillräcklig
energi träffar en atom skickas en elektron iväg. Den rör sig
nu fritt genom n-skiktet till metallkontakt på den övre ytan
av halvledaren. Hålet som uppstått efter elektronen rör sig
i motsatt riktning genom p-skiktet till den nedre ytan. En
elektrisk spänning har bildats.
4.1 Om solljus
Alla kroppar sänder ut elektromagnetisk strålning. Om
temperaturen ökar ändras strålningens våglängd så att
strålningens maximum når sin topp vid kortare våglängder.
Vid upphettning av metall t.ex. så blir den först röd för att
sedan vid högre temperaturer lysa vitt, ett ljus med kortare
våglängd.
4.2.1 Begränsningar i solceller
Det krävs en viss energimängd för att lyfta upp en elektron
från halvledarens atomer till en »laddad nivå«. Mängden
energi i en foton bestäms av dess våglängd – ju kortare
våglängd desto högre energimängd.
En foton med våglängden 1 100 nanometer, motsvarande
infrarött ljus, har precis den energi som krävs för att lyfta en
elektron i en kiselatom, det vanligaste halvledarmaterialet.
Solljusets energiinnehåll i övre atmosfären och vid havsnivån
Solens yta har en temperatur på ca 5 500°C. Diagrammet
visar emmisionsspektrat eller mängden energi som
emitteras för varje våglängd. Max energi nås i det synliga
området mellan det ultravioletta och infraröda.
Gasmolekyler i vatten och syre i jordatmosfären absorberar
visa våglängder av solljuset. Den solenergi som når jordytan visas som blått i diagrammet.
En solcell av kisel kan maximalt uppnå
en teoretisk verkningsgrad på 31%
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
12
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Alla fotoner med längre våglängd har otillräckligt
energiinnehåll för att lyfta elektronen. Den passerar
antingen igenom fotocellen eller absorberas som värme.
Våglängder av denna typ är alltså inte brukbara.
är ännu så länge låg, men låga tillverkningskostnader gör
tekniken intressant.
Diagrammet visar endast laboratorieförsök i små
serier, ingen hänsyn är tagen till tillverkningskostnader.
Kommersiellt tillgängliga solcellspaneler når inte riktigt upp
till dessa värden. De bästa monokristallina solcellerna har
en verkningsgrad på 19-20%, tunnfilmsteknik når ca 10%.
Fotoner med kortare våglängder än 1 100 nm kan heller
inte användas utan omvandlas bara till värme.
Dessa två faktorer begränsar solcellens effektivitet teoreiskt
till 31%.
4.3 Konstruktion av en solcell
Den vanligaste solcellen är tunn, 180-360 μm, 150x150 mm
stor s.k. wafer.
Ett sätt att förbättra solcellens prestanda är att tillverka
solcellen i flera lager, ett lager för varje våglängd.
Laboratorieförsök visar en kraftigt förbättrad verkningsgrad
– upp till 44%! Dock finns ännu ingen kommersiellt
tillgänglig produkt med dessa värden.
Cellen är skör, så därför byggs de ihop till en sandwichkonstruktion under en glasskiva. Allt är sedan inkapslat för
att förhindra fukt och damm skall förstöra cellen.
Enskilda celler löds sedan ihop i serie från framsidan på en
cell till baksidan på nästa.
4.2.2 Olika typer av solcellers
laboratorievärden
Sedan tekniken uppfanns har effektiviteten stadigt ökat
mot dess teoretiskt maximala. Diagrammet visar hur
effektiviteten har ökat sedan 1975 för olika solcellstyper.
Sedan läggs solcellerna i en aluminiumram för att få en
styv konstruktion, möjlig att montera.
Wafers är lödda tillsammans och inkapslade bakom en glasad framsida
F.n. är typen monokristallina solceller de effektivaste, följt
av polykristallina. Bägge typerna tillverkas i princip på så
sätt att tunna skivor (wafers) skärs av kiselmaterial. Dessa
»dopas« sedan för att skapa p-n-övergångar.
4.4 Effekter – data
En annan tillverkningsmetod är att belägga fotoelektriskt
material (olika metaller) på ett substrat eller en skiva av
plast, glas eller metall. Det är en billigare metod, men har
en lägre verkningsgrad.
Toppeffekten är mätt i laboratorium under kontrollerade
former för att ingenjörer och kunder skall kunna
jämföra olika fabrikat. Panel bestrålas med ljus på
1 000 W/m² motsvarande solljus mitt på dagen en
sommardag. Omgivande temperatur ställs in på 25°C och
den utgående effekten mäts.
Eftersom det finns olika typer av solceller så anges
vanligtvis hur många paneler som behövs för en given
installation i form av Wp (toppeffekt).
Organiska PV-celler är en relativt ny teknologi där polymera
material kan alstra elektricitet från ljusenergi. Effektiviteten
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
13
Clearline
r
Solenergi
R
Solenergi – En introduktion (v1.0)
Vid dessa förhållanden ligger effekten från en monokristallin solcell på ca 160 Wp per m². Motsvarande värden
för andra typer av solceller framgår av diagrammet nedan.
Växelspänningen (AC) från solcellerna och växelriktaren
kopplas till el-centralen via en arbetsbrytare. En
kWh-mätare möjliggör att avläsa hur mycket elenergi
anläggningen ger. Ev. överskott levereras sedan ut på nätet.
OBS! En solcellsanläggning enligt ritningen nedan kräver
alltid nätbolagets tillstånd!
Egentligen spelar effektiviteten inte någon roll så länge
takytan inte är begränsad. Då solenergin är gratis är endast
effektiviteten i förhållande till kostnad per m² relevant.
Tunnfilmsteknik har tills nu en låg verkningsgrad men
är billig att producera. Den har sin främsta användning
där stora ytor förekommer, exempelvis för kommersiella
byggnader.
Vid ett nätanslutet system med en kombination av solel och nät-el måste växelriktaren ha en inbyggd brytare
som omedelbart kopplar bort soldelen vid nätbortfall
(strömavbrott). Detta för att säkerställa att personal inte
skadas vid arbete på nätet.
Solceller av kisel dominerar fortfarande marknaden med en
andel på ca 80%.
Ett solcellssystem i söderläge med 35-40 graders taklutning innebär en producerad elenergi på ca 850 kWh/år.
4.5 Installation
Naturligtvis varierar eluttaget i ett hus minut för minut
allt eftersom maskiner och belysning slås av och på.
Solelsproduktion varierar också för varje tidpunkt, då
solens läge ändras och då solen döljs av moln.
Effekten från en panel ligger inom 180-250 W i klart solljus.
En solcellsinstallation består normalt av flera paneler i serie
för att öka effekten. Växelriktaren (inverter) omvandlar
likspänning till växelspänning.
De schematiska bilderna nedan visar hur solel och nätel
samverkar vid olika förhållanden under dygnet.
För service samt underhåll krävs att systemet kompletteras
med AC/DC-brytare.
Kisel
Paneltyp
Monokristallin
Tunnfilm
Polykristallin
Amorft kisel
CIGS
CdTe
W peak
160 W
140W
120W
100W
50W
Verkningsgrad
16%
14%
12%
9.5%
5%
Yta som krävs för 1kWp
6.25
7.1
8.3
10
20
Warm-Ec Scandinavia AB
Box 110
671 23 Arvika
0570-140 90
[email protected]
www.warmec.se
14