Hållbara energilösningar Ny öppen energi-projektet 2016 Välkommen att bekanta dig med hållbara energilösningar och solenergi.

Utrustning, del 1 Marko Kukka, Satakunnan ammattikorkeakoulu I denna presentation går vi igenom den utrustning som hör till ett solelsystem Huvuddelen består förstås av solpanelerna och inverteraren eller av ett laddningsreglage i icke nätanslutna system. Sedan har man kablarna och fastsättningssystemen och olika program för att följa produktionen. Dessa är systemets huvudbeståndsdelar.

Solpanel Cell Modul Sträng Matris Den viktigaste delen är solpanelen i ett PV-system, det vill säga en grupp solceller kopplade i serie eller parallellt. De vanligaste panelerna är poly- och monokristallina paneler. Först har vi en cell och av celler bildas en modul och flera moduler utgör ett system. Genom att öka modulernas storlek kan man bestämma hur stor effekt systemet kan producera. Alltså är konstruktionen mycket enkel, den har vanligtvis en aluminiumram som underlättar fastsättningen och stärker konstruktionen. Därtill är den laminerad, vilket skyddar cellen mot miljön. Den skyddar mot slitage och annat motsvarande. Normalt är cellens storlek cirka 15 gånger 15 centimeter och när man har 250 watts paneler är storleken 1 m x 1,6 m beroende på tillverkare. I dag varierar panelernas effekt mellan 200 och 350 watt. Systemets storlek kan även bestämmas utifrån detta. Det vill säga ju större effekt panelerna har desto färre behövs för att uppnå en viss effektnivå. Den viktigaste delen av ett PV-system/En grupp solceller som kopplats i serie eller parallellt/De vanligaste panelerna: poly- och monokristallina paneler Lamineringen skyddar konstruktionen mot omgivningen/har vanligtvis aluminiumram, som underlättar fastsättning och förstärker konstruktionen Panelerna kan kopplas i serie och parallellt till ett PV-fält Cellens storlek: ca 15 x 15 cm 250 W cells storlek: ca 1 x 1,6 m Panelernas effekt 200–350 W Cell Modul Sträng Matris

Isc = Kortslutningsström Effekt (Wp, peak power) Imp = Ström Vmp = Spänning Isc = Kortslutningsström Voc = Tomgångsspänning På panelens baksida finns typskylten. Till vänster på bilden är en 210 watts polykristallin panel och till höger en panel som bygger på CIGS-tunnfilmsteknik och vars nominella effekt är 330 watt. Av uppgifterna på dessa typskyltar är effekten väsentlig då man vill veta hur mycket energi panelen kan producera och man talar vanligtvis om en toppwatt. Det vill säga detta är panelens nominella effekt som berättar hur mycket panelen producerar i standardiserade testförhållanden. I sådana förhållanden är strålningseffekten 1 000 watt per kvadratmeter, temperaturen 25 grader och luftmassakoefficienten 1,5. En panel kan producera mera än den nominella effekten, t.ex. på vintern i Finland då panelen träffas av solens strålning och det finns mycket snö som reflekterar strålningen till panelen kan produktionen överstiga den nominella effekten. Därtill anges ström, spänning, kortslutningsström och tomgångsspänning, det vill säga panelens spänning då ingen last är ansluten. Dessutom kan det anges annan information, såsom till höger där det anges i Pascal hur mycket mekanisk belastning panelen tål, samt de viktigaste dimensionerna och vikten. Panelens nominella effekt Wp (toppeffekt) Mätningen gjord i standardiserade testförhållanden: Strålningseffekt 1 000 W/m2/temperatur 25 °C/luftmassakoefficient 1,5 Panelen kan producera en större nominell effekt (t.ex. på vintern då panelen träffas av strålning/reflektioner) Isc = kortslutningsström, maxström som panelen producerar då panelernas poler är kopplade till en kortslutning Voc = Tomgångsspänning, panelens spänning utan belastning Kuva: Satakunnan ammattikorkeakoulu

Panelens IV-kurva, dvs. ström-spänningskurva (karakteristika) MPP IV-kurva MPP = Maximum Power Point Den punkt för maximal effekt som inverterarna och reglagen strävar efter att uppnå. För tekniken används benämningen MPPT = Maximum Power Point Tracking ström effekt Man kan också göra upp en IV-kurva över en panel, det vill säga en ström-spänningskurva som ofta kallas för karakteristika. Den anger MPP-punkten. Detta är punkten för maximal effekt som inverterarna och reglagen strävar efter att uppnå. Den teknik som används för detta kallas Maximum Power Point Tracking. Detta är kurvans viktigaste punkt, punkten för maximal effekt. Med andra ord anger den de värden för ström och spänning, med vilka uppnås största utgångseffekt under rådande driftförhållanden. Dessa värden påverkas avsevärt av strålningen, med andra ord sjunker dessa kurvor när strålningen minskar. Punkten för maximal effekt är en viktig punkt i karakteristikan (värden för ström och spänning, med vilka uppnås största utgångseffekt under rådande driftförhållanden) Kurvan sjunker när strålningen minskar spänning

Laddningsreglage PWM och MPPT När det gäller system, till vilka man anslutit batterier, behövs det utrustning för att styra batteriets laddning och urladdning och förhindra överladdning och djupurladdning. Därtill kan man tänka att med bättre modeller kan man styra t.ex. olika laster. Det handlar alltså om laddningsreglering. Mellan batterierna och solpanelerna, styr laddningen/urladdningen av batteriet Förhindrar överladdning och djupurladdning, styr belastningen

PWM-regulator (Pulse-Width Modulation) & (MPPT-regulator (Maximum Power Point Tracking) Förmånlig, enkel regulator Hållbar teknik som varit länge i bruk. Låg verkningsgrad 50–60 procent, slösar energi MPPT-regulator: Uppnår vanligtvis en cirka 30–40 procent bättre laddningseffekt än regulator. Laddningens verkningsgrad är i klassen 95–98 procent Söker den högsta skärningspunkten mellan spänning och ström Först tittar vi på PWM-reglaget, det vill säga Pulse with Modulation och sedan på MPPT-reglaget, det vill säga Maximum Power Point Tracking. PWM-reglagens goda sidor är att de är mycket förmånliga grundläggande reglage och tekniken har redan varit länge i bruk så de är tillförlitliga och långlivade. Den största utmaningen är deras dåliga verkningsgrad, endast 50–60 %, vilket förstås betyder att de slösar en ganska stor mängd energi, vilket inte är önskvärt, då man vill producera så mycket energi som möjligt för eget bruk. I detta avseende uppnår MPPT-reglage, trots att deras anskaffningskostnader är större än PWM-reglagens, en laddningseffekt som är cirka 30–40 % bättre än med PWM-reglage och verkningsgraden är på bra nivå. Verkningsgraden hos nya modeller ligger kring 98 %, det vill säga man har lyckats minimera svinnet. Detta system ser till att energi alltid produceras med största möjliga effekt. I och med detta får man maximal energi för eget bruk. Detta system söker den högsta skärningspunkten mellan spänning och ström så att energiproduktionen alltid går på bästa möjliga effekt. Kuva: Satakunnan ammattikorkeakoulu

PWM- och MPPT-laddningsregulatorns funktion på IV-kurvan Om man jämför driften på IV-kurvan mellan dessa två laddningsreglage i en situation där en 75 W solpanel matar in ström i ett 12 V batterisystem så klarar inte PWM-reglaget av att utnyttja hela kapaciteten – av effekten från en 75 W panel utnyttjar PWM-reglaget endast 53 watt. På motsvarande vis tar MPPT-reglaget ut en spänning på cirka 17 V ur panelen och är i drift vid maximipunkten och utnyttjar hela 75 watt. Exempel: En 75 W solpanel matar ström till ett 12 V system. PWM-reglaget kan inte utnyttja panelens totala kapacitet. MPPT-reglaget tar ut ca 17 V från panelen och är i drift vid MPP-punkten.

Kablar och anslutningar För att få panelerna kopplade till varandra t.ex. i serie, behöver man kablar samt olika slags anslutningar till kablarna så att panelerna kan kopplas till en inverterare och inverteraren till elcentralen.

Kablage och anslutningar Panelerna i sig har cirka 1,5 m långa + och - kablar, det vill säga att panelerna kopplas helt enkelt till varandra genom att koppla ihop han- och honkopplingarna. Beroende på antalet paneler gör man tillräckligt många kopplingar. Panelerna har ca 1,5 m långa plus- och minuskablar Hankopplingen ansluts till honkopplingen Bilden är ritad på basis av bilden på solar-electric.com.

Det finns flera kopplingsalternativ på grund av att det finns flera tillverkare. De vanligaste kopplingarna har snabbkopplingar som klickar ihop när de kopplas till varandra och bildar en vattentät koppling, vilket är viktigt med tanke på systemets funktion. Därtill är man tvungen att dra kablage från taket eller monteringsstället till inverteraren, vilket byggs av separata kablar som gärna får vara UV- och -väderskyddade så att de bättre tål belastningar från miljön så länge som möjligt och säkerställer produktionen i olika förhållanden. Kablagets area är vanligtvis 4–6 mm2. Olika tillverkare har olika anslutningsalternativ Kablarna har snabbkopplingar som ger en vattentät anslutning Kablage från taket måste byggas av kablar (UV- och väderskyddade, area 4–6 mm²) som köps separat

Översikt av kopplingar Solpaneler Elcentral Elnät Inverter Om man grovt granskar den allmänna beskrivningen av kopplingar t.ex. i ett traditionellt system för villa, ska först solpanelsfälten eller -fältet vara kopplat till invertern, invertern till elcentralen och elcentralen till det riksomfattande elnätet. I princip är det viktigaste anordningarna som man skaffar till ett system för villa panelerna, invertern, panelernas fastsättningssystem och kablaget mellan panelerna, invertern och elcentralen.

Solpaneler Inverter Elcentral Seriekoppling av panelerna genom att förena ledningarna. Strömbrytare på AC-sidan Säkringar Om vi tittar ännu lite noggrannare på kopplingarna på systemnivå, så har vi först solpanelerna. Panelerna kopplas i serie med hjälp av ledningar. Från panelerna går kablage mellan panelgruppen och invertern. Mellan invertern och elcentralen finns en frånskiljare på AC-sidan, med vilken man kan koppla bort systemet från nätet, frånskiljaren är obligatorisk. I elcentralen finns säkringar för solenergisystemet. Elcentralen är ansluten till elnätet. Till kablarna mellan panelerna och inverteraren väljs anslutningar enligt panelens anslutningar och i andra ändan placeras de anslutningar som levereras med inverteraren Proppar i elcentralen Kablar mellan panelgrupper och inverter

Detta kursmaterial av VirtualYH-nätverket Finland är licensierat under en Creative Commons Erkännande-DelaLika 4.0 Internationell-licens: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, om inte annat anges i materialet. Detta var en kort översikt av komponenterna i solelsystem och deras funktion i systemet. I följande avsnitt tittar vi närmare på olika typer av system, deras sammansättning och hur riktningen och skuggningen påverkar produktionen.