VIDAREUTVECKLING AV ÖVERLIGGANDE REFLEKTORER FÖR FRISTÅENDE SOLCELLSYSTEM

Transkript

1 VIDAREUTVECKLING AV ÖVERLIGGANDE REFLEKTORER FÖR FRISTÅENDE SOLCELLSYSTEM Strömförsörjning med solceller av fjärrstyrda frånskiljare i kraftledningsnätet Peter Krohn VATTENFALL UTVECKLING AB Rapportnummer U 04:

2 Vidareutveckling av överliggande reflektorer för fristående solcellsystem Från Rapportdatum Rapportnr Vattenfall Utveckling AB, FoU Produktion U 04:138 Författare Tillgänglighet Uppdragsnr Peter Krohn Öppen Beställare Elforsk AB Monika Adsten Stockholm Teknisk granskning Björn Karlsson Godkänd Anders Wik Sökord Antal textblad Antal bilagor Solcell, årstidsutjämning, reflektor, frånskiljare 14 - Sammanfattning Det nationella solcellsprogrammet SolEl som administreras av Elforsk har varit huvudfinansiär för projektet som är en uppföljning till den idé- och prototyputveckling som introducerades i den tidigare programperioden SolEl Projektet har genomförts av Vattenfall Utveckling AB med Vattenfall Eldistribution AB och Nortroll Svenska AB som medaktörer. Sedan slutet av 1980-talet har vid Vattenfall Utveckling AB pågått arbete med reflektorer inom solenergiområdet. Ett problem för energiförsörjning av en konstant last över året med solceller är att stor överdimensionering av solcellsarean uppstår sommartid för att säkra tillräcklig tillförsel under den mörkaste årstiden. Ett sätt att öka utbytet från en solcellsmodul vintertid är att tillfoga ett reflektorplan i överkant av modulen. Det ökar instrålningen mot modulen samt skyddar mot frostoch snöbeläggning. En applikation som kan tillgodogöra sig dessa fördelar är strömförsörjning med solceller till fjärrkontrollerade frånskiljare i kraftledningsnätet. I viss utsträckning har dessa problem med att energitillförseln blir otillräcklig på vintern, vilket skulle kunna avhjälpas med en tillsatsreflektor. I tidigare projekt har en reflektor konstruerats och åtta stycken prototypsystem har placerats ut i Vattenfall Eldistribution AB:s elnät i Norduppland.

3 Innevarande projekt syftar till att verifiera årstidutjämningsfunktionens tillräcklighet, i fält och laboratorium, med tillsatsreflektorn. Väderrelaterade problem har medfört avsevärda svårigheter att kunna göra en statistisk jämförelse i fält. Enstaka iakttagelser tyder dock på att tillsatsreflektorn gör nytta under den mörkaste delen av året. Olycklig placering av en solcellsmodul med skuggning som följd är dock svår att avhjälpa med tillsatsreflektor. Den skulle till och med kunna vara till nackdel genom dess också skuggande inverkan. I laboratorieundersökningarna med jämförande mätningar är resultatet entydigt att utbytet från solcellen med reflektor ökar under den kritiska årstiden. Med reflektorns hjälp har spänningsnivån hållits över 12 V hela året, vilket ej varit fallet i referenssystemet. På grund av förluster kopplade till batterierna och deras laddningsförfarande som ingår i systemet, blir skillnaden i totalt utbyte över året mellan system med och utan tillsatsreflektor, mindre än vad som visats i tidigare studier.

4 Distributionslista Företag Avdelning Namn Antal Elforsk AB Monika Adsten 1 Statens Energimyndighet Energiteknikavdelningen Maria Hall 1 Vattenfall Utveckling AB TUE Lennart Spante 1 Vattenfall Eldistribution AB NDAMF Einar Hellman 1 Vattenfall Service Syd AB TERN2 Håkan Eriksson 1 Nortroll Svenska AB Carl Norén 1

5 Innehållsförteckning Sida 1 BAKGRUND Praktiska försök Strömförsörjning av frånskiljarstation Projekthistorien Utveckling av reflektor Prov i fält 4 2 MÅL 5 3 FÄLTFÖRSÖK Väderberoende Iakttagelser i fält Orientering och placering 7 4 LABORATORIEMÄTNINGAR Nytta med reflektorn Den reala lasten Energiutbyte Nyttoperiod 11 5 SLUTSATSER 13 6 REFERENSER 14

6 1 Bakgrund Inom ramen för det nationella solcellsprogrammet SolEl 03-07, som administreras av Elforsk (se ), under verksamhetsområdet solceller som energikälla, har projektet genomförts som en uppföljning till den idé- och prototyputveckling som bedrivits under den tidigare programperioden i SolEl Projektet som har SolEl som huvudfinansiär, har genomförts av Vattenfall Utveckling AB med Vattenfall Eldistribution AB och Nortroll Svenska AB som medaktörer. Vattenfall Utveckling AB har sedan slutet på 1980-talet aktivt arbetat med reflektorer inom solenergiområdet för att öka utbytet per aktiv receptiv ytenhet. Först användes tekniken i solvärmesammanhang men senare även till solceller. I de fall energiuttaget sammanfaller med årstidsvariationen är det lätt visat att tillsatsreflektorer är billigare än att öka den aktiva solfångar- eller solcellsytan till motsvarande utbyte. Men tekniken beskriven ovan löser inte behovet av jämn energiförsörjning under hela året med annat än rejäl överdimensionering av solcellsytan sommartid om vinterförsörjningen tryggas med relevant modulstorlek. En lösning vore ju att dimensionera solcellsytan mot årsutbyte och införa ett årstidslager, det vill säga batterier. Det är emellertid visat i såväl nationella som internationella utredningar att batterierna tillför den tveklöst högsta livscykelkostnaden i sådana system. 1.1 Praktiska försök Som alternativ till batterier sattes ett första solcellsförsök upp vid Vattenfall Utveckling AB, Älvkarlebylaboratoriet, En nästan vertikalt monterad solcellsmodul försågs med en reflekterande skärm i överkant av modulen. En referensmodul i direkt anslutning till provet sattes också upp, se figur 1.1. Effekten av överkantsreflektorn är att vid låg solhöjd, det vill säga vintertid, erhålls mer infallande ljus per ytenhet på provmodulen relativt referensmodulen. Som bieffekt kommer, med valda storlekar och montageförhållanden, energiutbytet från provmodulen relativt referensmodulen att minska sommartid på grund av skuggning från reflektorskärmen. Sida 1 (14)

7 Figur 1.1 Installation från 1998 för jämförandeprov med överliggande reflektor, Vattenfall Utveckling AB, Älvkarlebylaboratoriet. En ytterligare årstidsförknippad fördel med den överliggande reflektorn är att beläggning med snö och frost minskar. Genom avskärmningen uppåt på himlen projiceras solcellsytan mindre mot den kalla himlen som är upphov till frostbildningen. 1.2 Strömförsörjning av frånskiljarstation En praktisk applikation som skulle kunna dra nytta av årstidsutjämningseffekten är strömförsörjningen till fjärrstyrningsutrustningen som förekommer på frånskiljarstationer i kraftledningsnätet. Sedan 1985 använder Nortroll Svenska AB solcellsmoduler som ett alternativ till strömförsörjning för fjärrkontrollerade frånskiljare med radioförbindelse. Vattenfall Eldistribution AB distributionsområde Mellan, tidigare Sveanät AB, använder Nortrolls utrustningar. Man har ungefärligen 400 fjärrkontrollerade frånskiljare i sitt ledningsnät som är strömförsörjda med solceller, se figur 1.2. Ett problem med utrustningarna har varit att energitillgången ibland varit för liten. Detta har främst aktualiserats vintertid då infallande ljus varit otillräckligt. Sida 2 (14)

8 Figur 1.2 Kraftledningsfrånskiljare med fjärrkontrollutrustning från Nortroll, strömförsörjd med solcell. 1.3 Projekthistorien Som en del i det nationella solcellsprogrammet SolEl påbörjades arbete under 2001 vid Vattenfall Utveckling AB med utvecklingen av en plan reflektor för frånskiljarstationer med solcellsförsörjning. I detta ingick också att se över några provplatser inom rimlig närhet till Älvkarlebylaboratoriet. 1.4 Utveckling av reflektor Ett grundläggande praktiskt krav är att en kristallin solcellsmodul måste ha jämn belysning över hela ytan för att leverera elektrisk effekt motsvarande instrålningen. Förklaringen till det är att de i modulen ingående cellerna är seriekopplade och principiellt begränsas strömmen av den sämst belysta cellen. Detta får i sin tur den praktiska följden att reflektorn måste ha en större bredd och längd än solcellsmodulen för att fungera under längre tid av dagen och året än bara den stund solljusets infallsvinkel överensstämmer med reflektorns position relativt solcellsmodulen. Den utprovade reflektorn fick storleken 130x98 cm² och är 3 cm tjock. Det kan jämföras med solcellsmodulen, Solarex MSX-30, med en storlek på 59x50 cm². Vid Sida 3 (14)

9 den praktiska utformningen av reflektorplanet höll ett misstag på att begås. Konstruktörerna förutsatte att reflektorn skulle monteras från ett fordon med skylift eller liknande anordning. Att nyttja ett sådant fordon vid montaget ansågs dock av nätägaren orimligt dyrt. Erforderlig reflektoryta måste också vara formstabil ur både optisk och mekanisk synvinkel. Trots dessa krav lyckades man få reflektorns vikt att stanna vid 5,7 kg. Det gör att reflektorplanet är hanterbart för hand även med stolpskor på fötterna uppe i en kraftledningsstolpe. I minst lika hög grad krävs att reflektorn placeras korrekt i förhållande till solcellsmodulen. För att erhålla klanderfri positionering ingår prefabricerade konsoler i systemet. Konsolerna monteras parvis i befintliga hål i solcellsmodulens ram. Härefter ställs själva reflektorplanet på fixerad plats i konsolerna och får utan egentliga justeringar rätt position direkt, för ytterligare detaljer se ref. [3]. Till systemet hör dessutom ett par stag som stabiliserar konstruktionen i både sid- och höjdled. Vindlasten på konstruktionen blir ju avsevärd med en så stor yta som 1,5 m² eftersom allt bärs upp av solcellsmodulens enarmade hållare, se figur 1.3. Tillsammans med entreprenören, personal från Vattenfall Service Syd AB, utvecklades en metod att montera reflektorplanen i fält som gör att det tar två man mindre än en timme att utföra monteringsarbetet. Figur 1.3 T.v. Solcellsmodul på sitt enarmade stativ. T.h. montagekonsoler med reflektorplan och stabiliserande stagning. 1.5 Prov i fält Åtta stationer i Vattenfall Sveanäts, numera Vattenfall Eldistribution AB, område är försedda med reflektorlösningen, fyra i Hållnäsområdet och fyra i Söderfors- Hedesundaområdet. Av anvisade platser har några avståtts från installation för att Sida 4 (14)

10 erhålla referenssystem. Vidare har några platser valts bort med hänsyn till dåliga förutsättningar på grund av skuggning eller annan för montaget besvärande anledning. Projektbudget och praktiska hinder för realistiskt genomförande medgav inte att installera kontinuerlig uppföljningsmätning på alla system som monterades i fält. Ett provsystem med referens för detaljerade jämförande mätningar sattes därför upp vid Vattenfall Utveckling AB, Älvkarlebylaboratoriet, se figur 1.4. Nortroll har ställt utrustning till förfogande för att kunna genomföra dessa mätningar. Figur 1.4 Provsystem uppsatt vid Vattenfall Utveckling, Älvkarlebylaboratoriet, med reflektorsystem och referenssystem. 2 Mål Projektet har haft som mål att verifiera årstidsutjämningsfunktionens tillräcklighet i fält och laboratorium vid lågljussäsong. Effektutjämningen åstadkommes med den överliggande tillsatsreflektor som konstruerats tidigare i projekthistorien och som förväntas kunna reducera investeringen genom ett alternativ till utbyte mot större solcellsmodul för periodvis ökat drivenergibehov. Sida 5 (14)

11 3 Fältförsök I Vattenfall Eldistribution AB:s lågspänningsnät i Norduppland försågs 8 stycken frånskiljarstationer med reflektorkonstruktionen i början av I projektplanen var avsikten att besöka dessa för att få jämförande uppgifter om batteristatus. Vid jämförelsen avsågs även att inkludera referenssystem utan tillsatsreflektor. 3.1 Väderberoende Liksom montageperioden drabbades av vädret har också utvärderingen drabbats. Under sommaren och hösten 2003 lät anläggningsägaren göra en genomgång av samtliga frånskiljarstationer i området för att säkra funktionen hos dem. Huvudsakligen två stormar under hösten och vintern ställde till avsevärda problem på kraftledningsnätet i det aktuella området. Vid det första uppföljningstillfället visar det sig att flera batterier helt tappat kapaciteten, fjärrstyrningar varit urkopplade och någon laddningsregulator helt enkelt gått sönder. Vid följande besök har status sedan ändrats i sådan grad att några slutsatser beträffande reflektorns inverkan är näst intill omöjlig att dra. Förhållandet understryks av att fyra solcellsladdade stationer i området byggts om till laddning från elnätet istället. I de fall det rör sig om nedmonterade reflektorer kommer dessa att flyttas över till andra frånskiljare där de förväntas kunna göra nytta. Det huvudsakliga problemet har varit skuggning av solcellsmodulerna av skoglig uppväxt. Då handlar det inte enbart om absolut höjd på träden. Exempel förekommer där terrängen ogynnsamt medverkar till skuggning trots att solcellen placerats förhållandevis öppet. Funktionen hos de fjärrkontrollerade frånskiljarstationerna är så pass viktig att de tilldrar sig ett icke obetydligt intresse för alternativa sätt att ordna strömförsörjningen. 3.2 Iakttagelser i fält Enstaka iakttagelser får därmed utgöra grunden för fältförsökens utvärdering. Vid installation , av reflektor, jämfördes laddningsströmmen i reflektorsystemet med ett närstående system utan reflektor med resultatet 1,69 A relativt 0,83 A. Vid två andra tillfällen , gjordes mätning av laddningsströmmen före respektive omedelbart efter montage av reflektor. Mätresultaten före/efter montage blev 1,34 A/2,15 A respektive 1,22 A/2,15 A. Även om absoluta prestanda inte kan bestämmas ur sådana mätningar ger de en bra indikation på funktionen. Batterispänningen är annars den parameter som lättast kan iakttagas i fält och ge ett ungefärligt mått på systemets status. Sida 6 (14)

12 I anslutning till en reparation den 19 februari uppmättes batterispänningen på en station med reflektorsystem till 12,2 V. Vid återbesök på morgonen den 23 februari hade spänningen ökat till 12,6 V. Man kan anta att batteriet inte var fullt laddat vid den första mätningen eftersom spänningen ökat med 0.4 V uppmätt vid lågljustid, tidigt på morgonen. Vid jämförelse med laboratoriesystemen som också uppvisar näst intill samma slutvärden ökar spänningen för referenssystemet med 0,25 V medan ökningen i reflektorsystemet bara är 0,11 V. Här kan man också se att under lördagen den 21 februari, som var en dag med mycket solinstrålning, inträtt laddningsbegränsning i reflektorsystemet men ej i referenssystemet. Totalt sett tyder dessa tecken på att reflektorn på systemet i fält givit ett bättre utbyte i systemet än om den inte funnits. I motsvarande grad är det svårt att kvantifiera storleken av förbättringen. 3.3 Orientering och placering Tillgängligheten hos systemen har som tidigare nämnts varierat kraftigt. I något fall förväntades spänningen i systemet ligga högre än vad som detekterats. Trots problem med hög växtlighet runt omkring har stationens solcellsmodul en gynnsam riktning nästan rakt söder ut med fritt ljusfält längs kraftledningsgatan. Här borde reflektorn göra stor nytta men försöket har alltså inte kunnat påvisa det. Ett annat exempel finns där stationen i och för sig placerats öppet trots mycket skog runt omkring. Här har laddningsnivån inte upprätthållits varför man kanske till och med skulle överväga att ta bort reflektorn i avsikt att öka andelen diffus instrålning som skärmas bort. Figur 3.1 Frånskiljarstationer som haft problem att upprätthålla spänningsnivåerna i batterierna trots en inte allt för ogynnsam placering. T.v. frånskiljarstation med fri sikt söderut, t.h. placering vid en öppning mot söder i skogen. Sida 7 (14)

13 4 Laboratoriemätningar En viktig del i utvärderingsarbetet har varit den prov- och referensuppställning med solcellsmoduler med respektive utan tillsatsreflektorn. Här följs belastning, laddningsström och batterispänning kontinuerligt med hjälp av mätningar med logger. 4.1 Nytta med reflektorn Det råder ingen större tvekan om att reflektorn verkligen gör nytta. Som exempel kan man titta på början av januari. Med bara några få solglimtar från den 1 till den 9 januari sjunker spänningen med 0,4 V till 12,13 V i reflektorsystemet respektive 12,02 V i referenssystemet. Den 10 januari kommer solen fram, se figur 4.1. Laddningsströmmen blir som högst 1,5 A i reflektorsystemet men bara 0,25 A i referenssystemet. Vid utgången av den 14 januari har ytterligare lite laddning tillförts. Spänningsnivåerna ligger då på 12,20 V och 11,98 V i reflektor- respektive referenssystem Ubatt [V] U reflektorsyst U referenssyst I [ma] PVström reflektorsyst PVström referenssyst :00 24: : : : :00 Figur 4.1 Spänningsnivå och laddningsström i reflektorsystem respektive referens. Sida 8 (14)

14 4.2 Den reala lasten I de första jämförelserna mellan system med reflektor och referens utan sådan, utnyttjades ett system med närmast oändlig last, det vill säga all solcellsproducerad el kunde nyttiggöras. Med frånskiljarsystemen är så inte fallet. I normal drift utgör styrutrustningen en konstant last om 60 ma. Det medför en energiförbrukning omkring Wh per månad eller sammantaget en årslast om 6600 Wh. Under 2003 levererade solcellsmodulen Wh i reflektorsystemet och Wh i referenssystemet, se figur 4.3. Förlusterna, som sannolikt uppstår på grund av att batterier har begränsad kapacitet, uppgår således till ungefärligen 50 % på årsbasis. Energiutbytessiffrorna för 2004 går i samma riktning, möjligen något men obetydligt lägre. Batterierna som används är Yuasa NPL38-12I. Det är två stycken parallellkopplade batterier om 12 V och 38 Ah vardera i respektive system. 4.3 Energiutbyte I mätningarna från 1999, se figur 1, uppmättes resultat som visade på stora utbytesförbättringar, omkring 30 %, med reflektor under vintermånaderna, se vidare figur Energi [Wh] med refl utan refl Jan Feb Mar Apr Maj Jun jul Aug Sep Okt Nov Dec 1999 Figur 4.2 Utbyte uppmätt i ett tidigt provsystem med och utan reflektor. Mätresultaten i figurerna redovisas i absoluta tal av energi utan hänsyn till systemets storlek. Det innebär att resultaten från 1999 härrör från ett annat system än vad som använts till redovisade mätningar 2003 och Vidare är ju mätresultaten direkt väderberoende vilket försvårar jämförelse mellan åren. Förhållandet med och utan reflektor är dock alltid jämförbart inom respektive månad. Sida 9 (14)

15 Energi [Wh] med refl utan refl Jan Feb Mar Apr Maj Jun jul Aug Sep Okt Nov Dec 2003 Figur 4.3 Utbyte uppmätt på laboratoriefrånskiljarsystemet med reflektor och referenssystem Den utbytesförsämring på årsbasis på grund av reflektorns skuggande effekt sommartid, som tidigare antogs ligga i storleksordningen 25 % förbättras således i det verkliga systemet till 10 %. Vilket i sig ändå blir en ointressant siffra eftersom den drunknar i de totala systemförlusterna. Mätresultatet för 2004 presenteras i figur Energi [Wh] med refl utan refl Jan Feb Mar Apr Maj Jun jul Aug Sep Okt Nov Dec 2004 Figur 4.4 Utbyte från solcellsmodulen i laboratoriefrånskiljarsystemet uppmätt Sida 10 (14)

16 Av figurerna 4.3 och 4.4 framgår också att man fått en verklig utjämning över året av energiutbytet från solcellsmodulen med reflektor. 4.4 Nyttoperiod Det är tydligt att reflektorns vinstsäsong är ganska kort. Åtminstone är den kortare än förväntat, åter igen refererande till de initiala försöken vid Älvkarlebylaboratoriet. Redan i slutet av februari, se figur 4.5, ser man att referenssystemet börjar ligga högre i spänning. Värdena som redovisas i följande figurer är uppmätta nattetid för att inte påverkas den spänningsstegring som hör samman med laddning av batterierna. Batterispänning 15.0 Ubatt [V] U reflektorsyst U referenssyst 1.0 Udiff [V] JAN 2004 U reflektorsyst - U referenssyst FEB MAR APR MAJ JUN JUL Figur 4.5 Batterispänningen uppmätt i laboratoriesystemen under första halvåret När september nås börjar energiutbytet från solcellen i reflektorsystemet överstiga referenssystemets. Ändå är spänningsnivån högre i referenssystemet ända fram till början av december, se figur 4.6. Sida 11 (14)

17 Batterispänning 15.0 Ubatt [V] U reflektorsyst U referenssyst 1.0 Udiff [V] JUL 2004 U reflektorsyst - U referenssyst AUG SEP OKT NOV DEC JAN 2005 Figur 4.6 Batterispänningen uppmätt i laboratoriesystemen under andra halvåret Trots att utbytet, i energi räknat, är högre för reflektorsystemet i mars månad ligger batterispänningen högre i referenssystemet. Vad som händer är att vid mycket höga instrålningsnivåer den 21 februari inträder laddningsbegränsning i reflektorsystemet, se figur 4.7. Sida 12 (14)

18 Ubatt [V] U reflektorsyst U referenssyst I [ma] PVström reflektorsyst PVström referenssyst : : : :00 Figur 4.7 Spänningsnivåer och laddningsströmmar den 19 till 23 februari. Man ser tydligt hur laddningsbegränsning inträder den 21 februari. 5 Slutsatser Otvivelaktigt ökar utbytet från reflektorsystemet under den kritiska perioden på året, men det är svårt att fältmässigt kvantifiera storleken på ökningen. Den huvudsakliga förbättringen yttrar sig under soliga dagar i början av året. Med normalt ljusinfall och användande av systemet, finns ingen risk att totala energiförsörjningen över året ska bli otillräcklig. Med reflektorns hjälp har spänningsnivån hållits över 12 V hela året, vilket ej varit fallet för referenssystemet. Den initiala idén om årstidsutjämning har fungerat i allra högsta grad. Mekaniskt har inga problem uppdagats med reflektormontagen under provperioden. Nätägaren kommer att låta provsystemen sitta kvar. I de fall reflektorer monterats ned kommer dessa att återanvändas på andra platser i elnätet. Sida 13 (14)

19 6 Referenser 1. Setterwall C. (2000) Solceller, Sammanfattning och uppdatering av Elforsks LCI-studier inom solcellsområdet, Rapport, SwedPower AB. 2. Karlsson B., Helgesson A., Rönnelid M., (2001) Utveckling av moduler med överliggande reflektorer för fristående solcellssytem för årtidsutjämning och för att undvika snö och frostbeläggning, U 01:39, Vattenfall Utveckling AB. 3. Krohn P., (2002) "Utveckling av överliggande reflektorer för fristående solcellssystem för årstidsutjämning, lägesrapport ", PM UD 02-02, Vattenfall Utveckling AB. 4. Krohn P., (2003) Utveckling av överliggande reflektorer för fristående solcellssystem för årstidsutjämning UD 03:15, Vattenfall Utveckling AB. Sida 14 (14)