Utveckling och byte av hybridabsorbatorer i Hammarby Sjöstad. Elforsk rapport 08:06

Transkript

1 Utveckling och byte av hybridabsorbatorer i Hammarby Sjöstad Elforsk rapport 8:6 Björn Karlsson December 27

2 Utveckling och byte av hybridabsorbatorer i Hammarby Sjöstad Elforsk rapport 8:6 Björn Karlsson December 27

3 Förord Detta projekt ingår i det tillämpade solcellsprogrammet SolEl 3-7 etapp II. Programmet finansieras av: Energimyndigheten Svenska Byggbranschens Utvecklingsfond via NCC Vattenfall AB E.ON Sverige AB ARQ Stiftelsen för arkitekturforskning Göteborg Energi AB Mälarenergi AB Jämtkraft AB Brostaden EkoSol System AB Malmö Stad Stadsfastigheter Sharp Electronics Nordic Statens Fastighetsverk Borlänge Energi AB Falkenberg Energi AB Rapporten finns fritt nedladdningsbar från SolEl-programmets hemsida:

4 Sammanfattning Under 24 installerades icke solföljande koncentrerande MaReCo hybrider på taket på ett av SBC uppfört 7-våningshus i Hammarby Sjöstad i Stockholm. Systemet stod på taket i omkring 8 månader utan kylning innan det kopplades in. Det innebar att modulerna stod lång tid i stagnation utan kylning vid hög temperatur. Vid inkopplingen visade det sig att flertalet PVmoduler inte gav någon ström, kretsen var bruten. Solvärmesystemet fungerade däremot utan anmärkning. Ett omfattande arbete lades ned på att analysera varför systemet inte fungerar. Slutsatsen är att kontaktledningarna som seriekopplar solcellerna i modulen har brustit pga termisk utmattning. Dessa ledningar, s.k. tabbar, består av platta försilvrade kopparband. När absorbatorn utvidgat sig pga termiska rörelser har kopparbanden slutligen utmattats och gått av. I projektet laminerades nya absorbatorer vid PV- Enterprice i Olofström under sommaren 26. Dessa absorbatorer har dubbla kontaktledningar lagda i en loop för att undvika utmattning. Absorbatorerna har utsatts för accelererad åldring, med hög instrålning och höga temperaturer. Därefter installerades de i en solfångare på sollaboratoriet i Lund under 26. Prestandan har mätts med tillfredsställande resultat vid uppsättningen i juli 26 och därefter i juli och i november 27. Nya absorbatorer har skickats till PV-Enterprice för laminering. När denna genomförts skall de installeras i Hammarby Sjöstad. Projektet har försenats pga att det varit svårt att få fram solceller och lamineringsmöjligheter för dessa okonventionella profiler. Projektet har också försenats pga den omfattande provning som genomförts för att säkerställa att modulerna långtidshållbarhet är tillfredasställande. Det är angeläget att projektet genomföres så att modulerna fungerar som avsett eftersom tekniken med byggnadsintegrerade och koncentrerande system för el och värme har potential att minska kostnaden för el levererad från solceller. Ett icke fungerande system skapar ett oförtjänt dåligt rykte som omöjliggör fortsatt utveckling och användning av tekniken.

5 Summary During 24 MaReCo hybrids were installed on the roof on a 7 story building in Hammarby Sjöstad Stockholm. This construction gives both heat and electricity, and is therefore an interesting way of making an efficient use of the available roofing area. The cooling of the collector was not connected until 8 months after the installation, so the hybrid absorber was standing in stagnation at high temperatures. This meant that the contact wires between the solar cells broke because of thermal fatigue. During the summer 26 new absorbers were laminated at PV-Enterprice. These absorbers had double contact wires between the cells and were placed in a loop for preventing fatigue. They were tested in accelerated ageing and outdoors during 15 months in Lund. The conclusion is that they are expected to survive in a real installation. New absorbers are laminated by PV-Enterprice and will be installed in Hammarby.

6 Innehåll 1 Bakgrund 1 2 Utveckling och provning av en modifierad absorbator Planering Modifierad metod för att löda tabtrådar Accelerad åldring och prestandaprovning Långtidsmätning utomhus Installation av nya profiler i Hammarby Sjöstad Slutsatser och installation i Hammarby 9

7 1 Bakgrund Under 24 installerades icke solföljande koncentrerande MaReCo hybrider av SBC på taket på ett 7-våningshus i Hammarby Sjöstad i Stockholm, figur 1. Systemet stod på taket i omkring 8 månader utan kylning innan det kopplades in. Det innebär att modulerna stod lång tid i stagnation utan kylning vid hög temperatur. Vid inkopplingen visade det sig att flertalet PVmoduler inte gav någon ström, kretsen var bruten. Solvärmesystemet fungerade däremot utan anmärkning. Ett omfattande arbete lades ned på att analysera varför systemet inte fungerar. Slutsatsen är att kontaktledningarna som seriekopplar solcellerna i modulen har brustit pga termisk utmattning, figurerna 2-4. Dessa ledningar, s.k. tabbar, består av platta försilvrade kopparband. När absorbatorn utvidgat och dragit ihop sig pga termiska rörelser har kopparbanden slutligen utmattats och gått av. I projektet har nya moduler utvecklats, där kontaktbanden ligger så att de tillåter en viss rörelse. Dessa nya moduler skall installeras i de befintliga trågen på plats i Hammarby Figur 1. Installerade MaReCo hybrider i Hammarby Sjöstad. Figur 1 visar de installerade solfångarhybriderna på taket i Hammarby, där de stod utan kylning under lång tid efter installationen, vilket orsakade att tabtrådarna mellan cellerna gick av pga termisk utmattning. Figur 2 visar de s.k. tabtrådarna som förbinder cellerna i närbild. En modul frästes upp ifrån baksidan så att kontaktledningarna kunde friläggas, figur 3. Då kunde fastställas att avbrott i ledningarna mellan de seriekopplade cellerna 1

8 hade uppstått. Figur 4 visar en principbild på hur ledningsbrottet hade uppstått. Detta utgör att gammalt klassiskt problem vid tillverkning av PVmoduler, som försvåras i denna konstruktion med höga solintensiteter och höga drifttemperaturer. Under perioden solfångarna stod i stagnation och utan kylning kunde temperaturen ha varierat mellan 1 under natten på vinterhalvåret upp till 17 under dagtid och hög solinstrålning på sommaren. Figur 2. Solcell med kontakttabbar som förbinder cellerna elektriskt. Figur 3. Modul uppfräst från baksidan för att frilägga och inspektera kontaktledningarna. Figur 4. Principbild på kontaktledningen som brustit. 2

9 2 Utveckling och provning av en modifierad absorbator Ett projekt av denna typ är svårt att genomföra vid ett Universitet, eftersom vi inte har personal som är lämpade för uppgiftern. Vi beslutade ändå att göra det, eftersom en installation som den i Hammarby som inte fungerar som avsett, lätt skapar ett dåligt rykte som tar död på hela tekniken. Det är i detta fall obefogat eftersom det är en teknisk detalj som felar, vilken kan åtgärdas. 2.1 Planering Innan de de nya modulerna installeras i Hammarby måste vi vara förvissade om att de nya absorbatorerna fungerar under långt tid. Det innebar att det var nödvändigt att genomföra följande 3 delar i projektet. Ta fram en ny eller modifierad metod att löda och dra tabtrådarna mellan cellerna. Säkerställa att de nya modulerna förväntas fungera under lång tid. Detta gjordes genom att först genomföra en accelererad åldring och därefter testa cellfunktionen. Slutligen har en verklig provning genomförts utomhus. Laminera nya moduler och installera dem i Hammarby Sjöstad. Vi har genomfört de första två delarna av projektet och påbörjat den avslutande delen. Modulerna finns nu hos PV-Enterprice som har laminerat några moduler men inte alla. När lamineringen är komplett planerar vi att byta absorbatorerna i Hammarby Sjöstad Modifierad metod för att löda tabtrådar Solcellerna är tillverkade av företaget NaReC i England, som är specialister på att utveckla effektiva solceller för koncentrerande system. Lammineringen har gjorts hos PV-Enterprice i Olofström, som under 26 tillverkade 6 nya profiler för provning. Dessa absorbatorer har dubbla kontaktledningar lagda i en loop för att undvika utmattning. Viktigt är vidare att de dubbla trådarna inte är fastlödda i varandra, vilket möjliggör att den ena tråden kan gå av medan den andra håller. Ledningarna har extra längd för att kunna ta upp en viss längdutvidgning när profilen expanderar med ökande temperatur. 3

10 2.1.2 Accelerad åldring och prestandaprovning En utrustning byggdes upp i laboratoriemiljö där modulerna kan värmas upp elektrisk eller med ljus från strålkastare. De nya absorbatorerna utsattes för accelererad åldring, med hög instrålning och höga temperaturer T yta [ C] : 2: 4: 6: 8: 1: 12: 14: 16: 18: 2: 22: : Figur 5. Temperaturcykling på absorbatorn under accelerad åldring. Temperaturen på absorbatorn styrdes för att variera mellan omkring 2 och 14 eller 175 enligt figur 5. Modulerna utsattes för ett mycket stort antal temperaturcyklingar. Hybriden värmdes upp till 17 och temperaturen bibehölls omkring 4 minuter. Därefter kyldes modulen genom att vatten spolades på baksidan. Cyklingsperioden kan ses i detalj i figur 6. 2 T_base 18 T_air T_surface T_surface_edge T [ C] :56 21:57 21:58 21:59 22: 22:1 22:2 22:3 22:4 22:5 22:6 22:7 22:8 22:9 22:1 22:11 Figur 6. Detaljerad illustration av temperaturcyklingens tidsförlopp. Temperaturen registrerades på ett antal olika ställen. Belysningen och de höga temperaturerna gjorde att plastfilmerna på modulens framsida blev brun och sprack. Efter temperaturcyklingen så mättes IV-kurvan och jämfördes med en referenskurva som uppmätts innan 4

11 cyklingen, figur 7. Dessutom mättes modulens diodfunktion genom att ström skickades genom modulen i diodens framriktning i mörker, figur 8. 4,5 4 Temperaturcyklade celler Opåverkade celler 3,5 3 2,5 I [A] 2 1,5 1, U [V] (8 celler) Figur 7. IV-kurvor för referensmodul och temperaturcyklad modul. 6 Diodkurvor för solceller i mörker 5 Temperaturcyklade celler Opåverkade celler 4 I [A] U [V] (8 celler) Figur 8 Diodkurvor för referensmodul och temperaturcyklad modul. Resultatet av dessa mätningar indikerar att modulernas serieresistans ökat och framförallt shuntresistansen har minskat. Shuntresistansens minskning beror sannolikt på att lamineringen delvis smält bort så att den elektriska isoleringen mellan cell och profil försämrats. Däremot visar mätningarna inga tecken på att kontaktledningar mellan cellerna brustit. De tyder inte heller på att cellerna spruckit trots att plasten defomerats. 5

12 2.1.3 Långtidsmätning utomhus. Utfifrån dessa omfattande mätningar drogs slutsatsen att de nya profilerna överlever de temperatyrcyklingar som kan uppstå. Tabtrådarna förväntas motstå de temperaturcyklingar som kan uppstå. Därefter byggdes en ny MaReCo solfångare och de nya hybriderna installerades i denna för mätning och utvärdering, figur 9. I denna solfångare monterades hybrider vända både mot fram och bakreflektor. Det gjordes för att kunna testa flera absorbatorer samtidigt. I Hammarby skall hybriderna dock som tidigare endast installeras mot framsidesreflektorn. Figur 9. MaReCo med nya hybridabsorbatorer för långtidsprovning på soltaket vid LTH under Prestandan hos modulerna mättes vid uppsättningen i juli 26. Därefter har den mätts igen i juli och november under 27. IV-kurvor från mätningarna i november 27 redovisas i figur 1 och figur 11. MaReCo_IV curve for different incidence angles: Front panel 7 I [A ] U [V ] Figur 1. I-V kurvor registrerade efter 16 månaders installation utomhus. Kurvorna är uppmätta för framsidesreflektorn vid infallsvinklarna mellan 5 och 65 6

13 MaReCo_IV curve for different incidence angles: Back panel 8 I [A ] U [V ] Figur 11. I-V kurvor registrerade efter 16 månaders installation utomhus. Kurvorna är uppmätta för baksidesreflektorn vid infallsvinklarna mellan och Incidence Radiation [W/m2 ] Incidence Angle [degree ] Figur 12. Uppmätt instrålning under de mätningar som presenteras i figur 11. Instrålningen som funktion av infallsvinkeln under mätningarna i figurerna 1 och 11 visas i figur 12. Intensiteten begränsas till maximalt 8 W/m², pga att den genomförts i november Resultatet av mätningarna visar höga kortslutningsströmmar och fillfaktorer för de testade modulerna. De specialtillverkade har låga serieresistanser och höga fillfaktorer som förväntas. Inga tecken på låga strömmar pga kontaktproblem kan detekteras. 7

14 Slutsatsen från dessa mätningar är att profilerna som laminerats med den nya tekniken har goda förutsättningar att fungera under långt tid vid en verklig installtion utomhus Installation av nya profiler i Hammarby Sjöstad Punkterna för att utveckla och testa modifierade moduler har genomförts lyckosamt. Modulerna ligger nu hos PV-Enterprice som har laminerat ett antal moduler men dock inte alla. När detta är klart planerar vi att byta absorbatorerna i Hammarby Sjöstad. Trots att projektet innehåller vissa delar som är praktisk svåra att genomföra menar vi att det är så viktigt att ett fungerande system finns installerat i Hammarby att projektet måste genomföras. Om systemet inte fungerar hotar det att ta död på hela tekniken, vilket är olyckligt, eftersom tekniken med byggnadsintegrerade och koncentrerande system för el och värme har potential att minska kostnaden för el levererad från solceller. 8

15 3 Slutsatser och installation i Hammarby Resultatet av en omfattande långtidsåldring och utomhustestning visar att de laminerade hybriderna har tillräckligt hög prestanda och god hållbarhet för att kunna installeras i Hammarby Sjöstad för att ersätta de gamla defekta modulerna. Projektet har försenats och kraftigt dragit ut på tiden pga följande faktorer: Det har varit svårt att få fram koncentratorceller för dessa moduler pga att de företag som tillverkar solceller har hög beläggning och långa leveranstider. På samma sätt har det varit mycket långa väntetider och leveranstider hos de företag som laminerar cellerna till moduler. Företagen har svårt att lägga in specialjobb när de redan är hårt ansträngda av utlovade leveranser. Problemet är att det är svårt för dem att bedöma tidsåtgången för att tillverka specialmoduler. Lamineringen hos PV- Enterprice har också varit tidsödande. En slutsats man kan dra från detta är att profilerna bör utformas så att de kan lamineras precis på samma sätt som en vanlig modul. Profiler med hög bygghöjd bör undvikas. Vi har ställt kravet på att modulerna skall vara långtidsprovade och visa hög verkningsgrad innan vi avser att genomföra den relativt besvärliga installationen i Hammarby. Vi vill förvissa oss om att modulerna kommer att fungera under lång tid efter en ny installation. Att genomföra denna process tog längre tid än planerat. Nu avser vi att låta laminera en ny uppsättning av moduler vid PV-Enterprice för uppsättning i Hammarby Sjöstad. Lamineringen skall genomföras i enlighet med den teknik som utarbetats i projektet. Projektet kommer att avslutas genom att de nya profilerna installeras i systemet i Hammarby Sjöstad. 9