Solel – teknisk perspektiv

Anna Malou PeterssonVersion 2020-04-27 (web)

Solenergi

Solenergin som träffar jorden utgör jordens absolut största energitillgången

Solenergin som träffar jorden är 7000 gånger mer än energin vi använder globalt på ett år.

Vid solel så omvandlas solenergin direkt till el (”fotovoltaik”), vid solvärme så omvandlas solenergin till värme.

Om ett solcellssystem har en systemverkningsgrad på 10% (lågt) så behövs en yta i Sahara på 800 km x 800 km täckas med solceller för att täcka jordens primära energikonsumption.

Utveckling av solel globalt

Kostnaden för solel minskade globalt med 73% mellan 2010 och 2017

Solel är (klart) konkurrenskraftigt mot konventionell elproduktion i delar av världen

Utveckling av solel nationellt

Solel ger ca 0,3% av Sveriges årliga elkonsumption.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

2016 2017 2018

Inst

alle

rad

no

min

ell e

ffek

t (M

W)

Övriga Sverige Norrbotten Västerbotten

Källor: Lindahl et al, (2019), National Survey Report of PV Power Applications in Sweden 2018, IEA PVPS Task 1 (figur till vänster); Energimyndighetens statistikdatabas

Elproduktion

Hur mycket el en solcellsmodul kommer producera beror på:

Hur mycket solljus (solinstrålning) som träffar den

Hur stor andel av detta solljus som anläggningen kan omvandla till el

Variation i solinstrålning och produktion

Eftersom vädret varierar kommer solinstrålningen variera från år till år

Detta innebär att elproduktionen också kommer variera

Historisk data och simuleringar används för att förutsäga den genomsnittliga elproduktionen för en solelanläggning

750

800

850

900

950

1000

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017

Glo

bal

strå

lnin

g (k

Wh

/m2)

År

Solinstrålning/år mot en horisontell yta i Luleå

Global horisontell instrålning

Medel

Exempel DiNi-farmen

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec

Pro

du

ktio

n (

kWh

)

Tak 1

2018 2019

Tak 1

Tak 2

Exempel DiNi-farmen

Tak 1

Tak 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec

Spec

ifik

t u

tbyt

e (k

Wh

/kW

p)

Specifikt utbyte per månad under 2018

Tak 1 Tak 2

Specifikt utbyte är produktionen under en viss tidsperiod per märkeffekt.

Instrålning i Sverige

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Årl

ig g

lob

alst

råln

ing

(kW

h/m

2)

Medelvärde årlig globalstrålning 1983-2014(data från SMHI)

Utbytets (produktionens) beroende av modulernas orientering

Väst Syd Öst

ᵒ 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

0 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75% 75%

10 75% 77% 78% 80% 81% 82% 83% 83% 84% 84% 84% 84% 83% 82% 81% 80% 79% 77% 75%

20 75% 78% 81% 84% 86% 88% 89% 90% 91% 91% 91% 91% 90% 88% 86% 84% 82% 79% 76%

30 75% 79% 83% 86% 89% 92% 94% 95% 96% 96% 96% 95% 94% 92% 90% 87% 84% 80% 76%

40 75% 80% 84% 88% 91% 94% 96% 98% 99% 99% 99% 98% 97% 95% 92% 89% 85% 81% 76%

45 74% 79% 84% 88% 91% 94% 97% 98% 99% 100% 100% 99% 97% 95% 92% 89% 85% 80% 76%

47 74% 79% 83% 88% 91% 94% 97% 98% 99% 100% 100% 99% 97% 95% 92% 89% 84% 80% 75%

48 74% 79% 83% 87% 91% 94% 97% 98% 100% 100% 100% 99% 97% 95% 92% 89% 84% 80% 75%

49 74% 79% 83% 87% 91% 94% 97% 98% 100% 100% 100% 99% 97% 95% 92% 88% 84% 80% 75%

50 73% 78% 83% 87% 91% 94% 96% 98% 99% 100% 100% 99% 97% 95% 92% 88% 84% 80% 75%

60 71% 76% 81% 85% 89% 92% 95% 96% 98% 98% 98% 97% 95% 93% 90% 86% 82% 77% 72%

70 67% 72% 77% 81% 85% 88% 90% 92% 93% 94% 94% 93% 91% 89% 86% 82% 78% 73% 68%

80 62% 67% 71% 75% 79% 82% 84% 86% 87% 87% 87% 86% 85% 83% 80% 77% 73% 68% 63%

90 56% 60% 64% 68% 71% 74% 76% 77% 78% 79% 79% 78% 77% 75% 72% 69% 66% 61% 57%

RIKTNING

LUTN

ING

Solceller och moduler

95% av världsmarknaden utgörs av moduler med kristallina kiselsolceller

Mogen teknikKan vara mono- eller multikristallina

Även tunnfilmsmoduler förekommer, de är billigare och har lägre verkningsgrad

Vad kommer sen?

Standard för certifiering: IEC 61215 Terrestrial photovoltaic (PV) modules –Design qualification and type approval

En ”high-end” monokristallin 60-cells kiselmodul på marknaden har en effekt på drygt 300 W.

Verkningsgrad och märkeffekt

Standard Test Conditions (STC) används vid mätning av verkningsgrad och toppeffekt

AM1.5G, 1000 W/m2, 25°C

Verkningsgrad 𝜂 =𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 𝑢𝑡

𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 𝑖𝑛(samma yta) vid STC.

Märkeffekten (kallas också toppeffekt eller nominell effekt) används normalt för att beskriva moduler. Märkeffekten är den effekt som modulen ger vid STC.

Moduler kan producera både under och över sin toppeffekt beroende på förutsättningarna.Installerad anläggningar brukar karaktäriseras av sin totalt installerade märkeffekt.

I slutändan är det hur mycket el anläggningen producerar som är mest intressant.

System, komponenter och sammankoppling

Modulerna kopplas ihop i en eller flera strängar som kopplas till en eller flera växelriktare

Strömmen används i fastigheten eller matas ut på nätet

Flera olika möjligheter för hur systemet kan kopplas ihop

Växelriktarens uppgift (bl a):Omvandla likström till växelströmStyra modulernas produktion till maximal möjlig effektStänga av matningen ut på nätet vid nätbortfall

Montagesystem

Olika montagesystem används för olika typer av tak och förutsättningar

I vissa fall görs genomföringar genom tätskikt, i andra fästs montagesystemet direkt i ytskiktet, t ex plåt

Vid genomföringar i tätskikt måste fackmannamässig tätning säkras.

Då anläggningen fästs i ytskiktet måste ytskiktet vara adekvat fäst till underliggande konstruktion

Exempel på montagesystem som fästs i ytskiktet.

Montagesystem

Exempel på system med genomföring i tätskikt (montagesystemet är i detta fall förankrat i takstolar).

Byggnadsintegrerade solceller (BIPV)

Byggnadselement med två funktionerProducera el av ljus (solceller)

Utgöra en byggnads klimatskal

Kan vara ett intressant alternativ vid nybygge eller om tak/fasad ska bytas

Finns en uppsjö (djungel?) av olika produkter

Lönsamheten kommer bero på valet av produkt och hur den installeras

För att se exempel på hur BIPV kan se ut och olika produkter, sök på nätet på ”BIPV”, ”byggnadsintegrerade solceller” eller ”buildingintegrated PV”.

Krav vid installation

Samtliga elinstallationer måste utföras av elinstallationsföretag.

I Lantbrukets brandskyddskommittés (LBKs) ”Elinstallationer i lantbruk och hästverksamhet” beskrivs hur solelinstallationer på lantbruk ska genomföras

Ex: gnagarsäkert, skyddat mot djur, hantering vid reservkraftsdrift…

En rad regelverk och branschstandarder är relevanta för solelanläggningar och tas upp i upphandlingsunderlaget

Annat att tänka på:Vem gör bedömning av takkonstruktionens hållfasthet och takets eventuella renoveringsbehov?

Solel på nordliga breddgrader

Snö och isSkuggning förhindrar elproduktion (problem vid låglutade eller uppvinklade system)Snölaster kan leda till skador, framförallt om systemet är inkorrekt monteratSnöreflektioner kan höja produktionen

InstrålningLägre solhöjd, innebär att den optimala lutningen

är högre än för sydligare breddgraderOjämn fördelning över året

KylaGer högre produktion (ca 10% högre effekt vid 25 graders lägre celltemperatur)

Vanliga fel

En undersökning av 40 solelanläggningar utförd av RISE på uppdrag av Energimyndighetens Testlab hösten 2019 fann:

Brister i den elektriska installationen

Bristande eller ingen dokumentation över solcellsanläggningen till villaägaren

Inga snörasskydd (där det fanns behov) eller annan taksäkerhetsutrustning

Utöver detta kan noteras att i norra Sverige finns flera exempel på anläggningar som installerats utan hänsyn tagen till snölaster

Mikroproducent

Ellagen 1997:857 anger följande kriterier för att ingen avgift för inmatning ska tas ut av elnätbolaget:

Säkringsabonnemang om högst 63 ampereProducerar el vars inmatning kan ske med en effekt om högst 43,5 kilowattNettokonsument på årsbasis

Begreppet ”mikroproducent” utgår från denna definition

Problem: Två olika tolkningar av vad ”en effekt om högst 43,5 kW innebär:

Anläggningens märkeffekt får vara max 43,5 kWp

Den utmatade effekten får inte överstiger 43,5 kW

Vilken tolkning som ellagen avser har inte prövats än

Underhåll

En korrekt installerad anläggning kräver normalt lite underhåll

Uppföljning produktion – agera om produktionen avviker från det rimliga

Snöborttagning kan i vissa fall vara nödvändigt (snölast, framförallt mtpunderliggande tak)

Tvättning behövs normal inte, regn löser saken. På lantbruk kan nedsmutsningskällor (t ex damm från ensilagetorn) medföra att modulerna blir smutsigare än normalt förväntas

Växelriktaren förväntas behöva bytas efter ca 15 år

Om fastighetens värde motiverar revisionsbesiktning vart tredje år så ska solelanläggningen vara del av besiktningen

Solel och brand

Regelverket hinner inte utvecklas i samma takt som tekniken

Solcellsanläggningar är distribuerade i byggnader, ger likström och flera av komponenterna är exponerade för utomhusklimat

Flera delar som kan orsaka brand. Skarvpunkter i DC-förläggning bör minimeras. Felaktig kabeldragning på DC-sidan ökar risken för åskskador.

Seriösa aktörer och god kvalitet på dimensionering och installation är viktig för att minska brandrisk. En korrekt installerad anläggning anses vara lika säker som andra elanläggningar.

Vid brandsläckning är det primärt den elektriska spänningen som solcellerna genererar som kan vara problematisk. Räddningstjänsten måste alltid utgå från att anläggningen är strömförande och/eller spänningssatt.

Brandmansbrytare är en DC-brytare som måste motioneras normalt 1-4 ggr per år för att inte i sig utgöra en brandrisk.

Solel och batterier

Varför batteri?Öka egenanvändningenBli av med effekttoppar om man har effektabonnemang eller för att skydda svagt elnätÖka självförsörjningsgraden

Egenanvändning är hur stor andel av solelproduktionen som används på gården (näring/privatbostad), dvs som inte levereras ut på elnätet

I dagsläget är det svårt att motivera ett batteri ur ekonomisk synpunkt (om elnät OK)

I vissa fall kan det vara intressant, t ex om man genom ett batteri kan säkra ner ett effektabonnemang eller om man ofta har elnätbortfall

Vätgas kan produceras mha solceller, lagras och sedan omvandlas till el mha en bränslecell. Intressant för t ex lagring över längre tid. I nuläget en stor investering.

Simulering av egenanvändning som funktion av batteristorlekTyp av lantbruk: nötElanvändning/år: 60 000 kWhStorlek solelanläggning: 34 kWp

Ödrift

Energilager (t ex batteri) – annars blir elförsörjningen mycket sårbar

Hybridväxelriktare som klarar off-grid/stand-alone-drift (alternativt annan konfiguration med motsvarande funktion)

Funktion för att koppla ifrån anläggningen från nätet vid nätbortfall

Lokalt jordtag (ej tillåtet att använda elnätets jordledare vid reservkraft/ödrift enligt svenska regler)

Val av typgårdar

”Typgårdar” har definierats som underlag för investeringskalkyl

Typgårdarna har definierats utifrånGeografisk spridning i Norrbotten och Västerbotten (liten inverkan)

De uppgifter som de lantbruk som anmält sig till projektet uppgivit

Få spridning i elanvändning och storlek på solelanläggning

Representera olika typer av lantbruk

Data och resultat från typgårdar kan användas för att jämföra med eget lantbruk och bedöma förutsättningarna för en solelanläggning

32

Jämförelse simulerat utbyte (svart) och årsmedelutbyte från verkliga anläggningar (rött)Utmaning: Få anläggningar som varit i funktion i flera år – jmf delvis äpplen och päron

Riktning

Lutn

ing

Väst Syd Öst

ᵒ 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

0 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757

10 758 774 789 803 816 826 835 841 845847644 846 843 837 828 818 806 792 777 761

20 760 789 817 842865811 884

900820;837 911

918755 921 919 913 903 888 870 848 823 796 767

30 760 800 837 870 900 926 945 960 969 973 971 963 950 931 907 879 846 809 770

40 755 802 844 883 918 947 970 988 998 1003 1000 992 975 955 927 893 856 812 766

45 749 797 843 884 920 951 974 993 1003 1008 1006 997981864 958

929758 895 854 809 761

47 747 795 841 883 919 950 974 993 1001 1009 1006 997 981 958 929 894 852 808 758

48 745 793 840 882 918 950 974 992 1004 1008 1006 997 981 958 929 893 851 806 756

49 743 792 838 881 917 949 974 992 1004 1008 1006 996 981 957 928 892 850 805 754

50 741 791 837 880 916 948 973 991 1003 1007 1006 996 980 956 928 891 849 803 752

60 715 765 814 857 896 927 954 971 985 988 987 978 960 938 906 871 826 778 727

70 675 727 774 818 854 887 911 930 941 946 944 936 919 897 867 830 788 739 688

80 626 673 720 760 796 825 848 865 876 881 879 871 857 836 808 773 732 686 636

90 563 609 650 687 720 745 765 779 788 793 792 785 774 755 730 700 661 620 573

Specifikt utbyte (kWh/kWp)

33

Riktning

Lutn

ing

Väst Syd Öst

ᵒ 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90

0 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757 757

10 758 774 789 803 816 826 835 841 845847

644* 846 843 837 828 818 806 792 777 761

20 760 789 817 842865811 884

900820;837 911

918755** 921 919 913 903 888 870 848 823 796 767

30 760 800 837 870 900 926 945 960 969 973 971 963 950 931 907 879 846 809 770

40 755 802 844 883 918 947 970 988 998 1003 1000 992 975 955 927 893 856 812 766

45 749 797 843 884 920 951 974 993 1003 1008 1006 997981864 958

929758 895 854 809 761

47 747 795 841 883 919 950 974 993 1001 1009 1006 997 981 958 929 894 852 808 758

48 745 793 840 882 918 950 974 992 1004 1008 1006 997 981 958 929 893 851 806 756

49 743 792 838 881 917 949 974 992 1004 1008 1006 996 981 957 928 892 850 805 754

50 741 791 837 880 916 948 973 991 1003 1007 1006 996 980 956 928 891 849 803 752

60 715 765 814 857 896 927 954 971 985 988 987 978 960 938 906 871 826 778 727

70 675 727 774 818 854 887 911 930 941 946 944 936 919 897 867 830 788 739 688

80 626 673 720 760 796 825 848 865 876 881 879 871 857 836 808 773 732 686 636

90 563 609 650 687 720 745 765 779 788 793 792 785 774 755 730 700 661 620 573

Varför är den verkliga produktionen lägre än den simulerade?• Olika år och olika antal år avses• Olika moduler, växelriktare och andra komponenter i verkligheten än i simuleringen• Skuggning på grund av snö, träd, andra byggnader osv• Trasiga moduler eller andra komponenter, ”produktionsstopp”• Brister i klimatdata och simuleringsmodeller

Vi kan konstatera att:• Utifrån tillgänglig data ligger produktionen lägre än den simulerade.

Därför har vi använt ett värde som är 100 kWh/kWp lägre än simuleringarna i beräkningarna av de ekonomiska förutsättningarna (för att inte visa ”glädjesiffror”).

Specifikt utbyte (kWh/kWp)

Jämförelse simulerat utbyte (svart) och årsmedelutbyte från verkliga anläggningar (rött)Utmaning: Få anläggningar som varit i funktion i flera år – jmf delvis äpplen och päron

Val av typgårdarFår/Lamm Nöt Mjölk mellan Mjölk stor

Huvudsäkring [A] 25 50 63 125

Djurenheter [st] 15 60 100 300

Elanvändning totalt [kWh/år] 30 000 60 000 120 000 240 000

Elanvändning privatbostad [kWh/år] 10 000 10 000 10 000 10 000

Andel elanvändning i privatbostad [%] 33% 17% 8% 4%

Märkeffekter (solelanläggningens ”storlek”) [kWp] 8 8 10 10

12 12 15 20

17 20 20 40

34 30 60

43 86

Minskat årligt elinköp* [kWh/år] 4920 13327 21423 42844

*Snitt för 2017-2019. Riktning söder, bra lutning (900 kWh/kWp)

Beräkningar typgårdar

Elanvändning för respektive typgård har baserats på ett verkligt lantbruk

Elanvändning i privatbostad har baserats på verkliga privatbostäder.

Utifrån tillgänglig data har egenanvändning per timme använts i investeringskalkylen för respektive typgård.

Egenanvändning är hur stor andel av solelproduktionen som används på gården (näring/privatbostad), dvs som inte levereras ut på elnätet

Andra värden

Värdeökning fastighet

Klimatnytta

Profilering

Teknikintresse

….

Var kan en hitta mer info?

Solelportalen (Energimyndigheten): http://www.energimyndigheten.se/solelportalen/

Solelkalkylen (Energimyndigheten): http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solelportalen/vad-kostar-det/solelkalkyl/

LBK-pärmen flik 5: https://www.brandskyddsforeningen.se/globalassets/lbk/flikar/flik-5.pdf

Sol i väst: http://www.solivast.nu/

Bengts villablogg: http://bengtsvillablogg.info/

Solcellskollen: https://solcellskollen.se/

Solkollen: https://www.solkollen.nu/

Tack!