Uppföljning av drift, solcellsanläggning Kv Lugnvattnet 2 Obj nr 6100 Familjebostäders solcellsprojekt Lysande Slutrapport av datainsamling 2004-2006 Jonas Hedström Energibanken i Jättendal AB Mars 2006 Bakgrund Som ett led i arbetet att minska andelen köpt energi till byggnader har Familjebostäder låtit uppföra en försöksanläggning med solceller på ett punkthus i Hammarby Sjöstad. Solcellerna är anslutna till elnätet via växelriktare. De är installerade både på taket och framför fasaden. Projektet har fått ekonomiskt stöd från EU och LIP programmet. Till EU-stödet är det knutet ett åtagande att leverera produktionsdata från anläggningen med upplösningen timmar i två år efter drifttagandet. Energibanken har uppdraget att samla in data från mätsystemet och skicka dessa till EU:s Joint Research Centre (JRC) i Ispra, Italien. En förklarande beskrivning på engelska har bifogats de data som skickats till JRC för att underlätta uttolkningen I denna rapport redovisas anläggningens uppbyggnad, drifterfarenheter och produktionsresultat. Sammanfattning och slutsatser Anläggningen är på 22 kw toppeffekt, med solceller monterade i en persiennstruktur framför fasaden och på byggnadens tak. Sedan driftstarten den 2004-01-22 har anläggningen fungerat problemfritt Mätdata registreras dels med vanliga elmätare och dels med en datalogger som registrerar detaljerade värden på energivärden och meteorologiska parametrar. Elproduktionen har varit 14 MWh per år de första två åren. Byggnadens elförbrukning totalt (Fastighet och lägenhet) var 22,3 MWh år 2005. Elförbrukningen är därför 15,6 kwh per kvm boyta och år (2005) när el från solcellerna dras ifrån förbrukningen Den persiennstruktur som fasadens solceller sitter i gör att överliggande lameller förhindrar underliggande lameller att rengöras av regn. Följden är en minskning av elproduktionen från denna del av anläggningen med 7 %. Den nedsmutsning som blir resultat har en viss negativ estetisk inverkan på fasaden. Vid diskussioner med hyresgäster har det inte getts uttryck för att installationen av solceller är till besvär. De har dock upplevt att det är viktigt att känna att producerad el kommer husets invånare tillgodo.
Projektbeskrivning Allmänt Familjebostäder har uppfört en nätansluten solcellsanläggning på ett flerfamiljshus i Hammarby Sjöstad. Byggnaden har 8 lägenheter med en samlad boyta på 536 kvm. Cirka 230 m 2 solceller har installerats fördelade på en fasadinstallation och en takinstallation. Fasadanläggningen är utformad som en solavskärmning. Den exponerar solcellstekniken med en iögonfallande persiennliknande installation (figur 1). Denna del är uppbyggd med för projektet specialtillverkade solcellsmoduler. En av projektets målsättningar har varit att demonstrera hur förbrukning av köpt energi till byggnaden kan reduceras med solel. För att öka internt genererad el har även stora delar taket använts till solceller. Till installationen på taket används standardmoduler. De är mekaniskt förankrade i falsarna i plåttaket och arrangerade så att de smälter in i takets plåtstruktur (figur 2). Systemet, som togs i drift under januari 2004, har levererats av Gaia Solar, Danmark, arkitekt är White Arkitekter AB och solcellskonsult har varit Energibanken AB. Toppeffekten är 22 kw och produktionen från anläggningen uppskattades vid projekteringen till drygt 14 MWh per år. Figur 1. Lysande fasad - 9,7 kwt Modulerna är specialbeställda semitransparenta glas-glas-moduler (se detalj nedan) med håltagning i glaset för montagets skull. Den övre tredjedelen av fasadens moduler matar två Fronius IG15 växelriktare (1,5 kwt) och den undre två tredjedelen av fasaden matar två IG30 (3 kwt). Glas-glas-modul med 22 celler i två rader. Pga inbördes skuggning mellan moduler kopplas cellraderna till olika växelriktare. Figur 2. Lysande tak 12 kwt Solcellerna på taket är monterade på de tre delar som vetter mot öst, syd respektive väst (bilden t.v. visar västoch syd-taket). Varje del av taket har cirka 4 kws toppeffekt. Till varje del hör två växelriktare, Fronius IG20 på 2 kw styck, som är installerade i ett teknikrum strax under skorstenen.
Växelriktare Växelriktaren är förutom solcellsmodulerna den viktigaste komponenten i en nätansluten solcellsanläggning. I växelriktaren omvandlas likströmmen från solcellerna till växelström, 230 V. I projektet används tio växelriktare. Sex matas från takets solceller och fyra från fasadens. Bilderna nedan visar detaljerat vilka växelriktare som hör till vilken del av solcellsinstallationen. Bilderna visar också placeringen av de solinstrålningsmätare och givare för luft och modultemperatur som är anslutna till mätsystemet. Figuren kan därför användas som underlag då de detaljerade mätdata som loggats sedan driftstart ska tolkas. Figur 3. Lysande - växelriktare På Lysande används totalt tio växelriktare med tre olika storlekar. De kommer från det österrikiska företaget Fronius. Verkningsgraden vid omvandlingen från likström till växelström ligger nära 93 % i medel. Utöver växelriktare består den elektriska installationen av brytare för DC och AC, kopplingslådor, säkringar, elmätare mm. De växelriktare som hör till takets solceller är installerade i ett teknikrum högst upp och de till fasaden hörande växelriktarna är installerade i elrummet i källaren. Bilden visar de sex växelriktarna som matas från modulerna på taket. Placering av solceller och meteorologiska mätinstrument IG8 IG7 IG9 IG10 IG15 IG16 IG12 IG11 IG13 IG14 Figur 4. Fasadanläggningens uppbyggnad Två Fronius IG30 växelriktare används till den nedre tredjedelen av fasaden och 2 IG15 till den övre tredjedelen. (IG30 är på 3 kw och IG15 på 1,5 kw). En referenscell och en givare för cell- och en för lufttemperatur är placerade vid pilen. Referenscellen sitter mellan två moduler och får viss skuggning från överliggande modul. Växelriktare nummer IG7 och IG9 matas från modulernas inre celler och IG8 och IG10 från de yttre cellerna. Figur 5. Takanläggningens uppbyggnad Sex Fronius IG20 växelriktare (á 2 kw) används till taket. En referenscell och en givare för cell- och en för lufttemperatur är placerade ungefär vid pilen Referenscellen är monterad i sydtakets plan. Beteckningarna i figuren refererar till nummer på växelriktare och på modulgrupper
Analys av mätdata All energi som produceras av anläggningen matas in på fastighetens elnät. Under dagar med mycket sol uppstår ett överskott av solel som matas vidare ut till det allmänna elnätet. Under nätter och perioder med mulet väder importeras el från elnätet. Tre olika elmätare registrerar energiflödena. Dessutom registreras lägenheternas förbrukning som inte är direkt kopplad till solcellerna. Utöver det så finns ett mätsystem som löpande samlar in detaljerade data från anläggningen. Följande parametrar mäts och sparas som halvtimmesvärden av mätsystemet. Solinstrålning i modulernas plan i fasaden och i sydtaket Temperaturen hos en modul i fasaden och en i sydtaket Lufttemperaturen (mäts på två platser) Spänningar och strömmar före växelriktning (= likströmsenergin) Spänningar och strömmar efter växelriktning (= producerad växelströmsenergi) Data omvandlas till timsvärden innan de skickas till JRC. Elmätarna avläses i början av varje månad. Mätarna för fastighetsel och utmatad el var inte installerade förrän i april 2004 varför endast 2005 är ett komplett år avseende alla mätpunkter. Diagrammet nedan visar flödena av energi under hela driftperioden. (Driftstart 2004-01-22, hyresgästerna flyttade in 2004-01-16, alla elmätare installerade 2004-04-05). Orsaken till den höga förbrukningen av el hösten 2004 är okänd. Toppen antas ändå vara ett tillfälligt inkörningsproblem av något slag. kwh/dygn 200 150 El från solceller El till fastighet Utmatad el El till lägenheter 100 50 0 jan-04 maj-04 sep-04 jan-05 maj-05 sep-05 jan-06 Figur 6. Variationer i elenergiflöden i projektet januari 2004 till mars 2006 Den ökade förbrukningen under hösten 2004 är ett tillfälligt fenomen.
Tabell 1: Sammanfattning av energiflöden under perioden 2004-01-22 till 2006-03-01 [kwh] 2004 (ej komplett) 2005 2006 t.o.m. 1/3 Mätarställningar 2006-03-01 Från solcellerna 13 966 13 939 212 28 117 Utmatat till elnätet 7 727 10 118 74 17 919 Förbrukning fastighet 12 312 8 843 1 928 23 083 Förbrukning lägenheter 11 123 13 468 2 523 27 114 Olika anläggningsdelar Som framgår av figurerna 4 och 5 så är anläggningen uppdelad i 7 delar som har olika karaktär på solinstrålningen och därför producerar olika. Det är dels de tre olika taken och dels fyra olika delar av fasaden. Den övre delen av fasaden påverkas mindre av skuggningen från kullen framför byggnaden än den nedre delen. Dessutom skuggas inre celler i lamellstrukturen mer än de yttre. Eftersom inre och yttre celler är anslutna till olika växelriktare kan skillnaden i produktionen mellan inre och yttre celler studeras. Tabell 2. Energiproduktionen och yield från de olika anläggningsdelarna. Med yield avses ett värde på en med toppeffekten normerad energiproduktion. Taklutningen är 16 och lamellerna i fasaden har 45 lutning. I övrigt refereras till figur 4 och 5. Mätt toppeffekt [kw] Produktion 2005 [kwh] Yield [kwh / kw] Tak (Ost-syd-ost) 4,21 2 980 708 Tak (Syd-syd-väst) 3,86 3 010 781 Tak (Väst-nord-väst) 4,13 2 101 509 Fasad (övre del, inre celler) 1,61 974 606 Fasad (övre del, yttre celler) 1,61 1 337 832 Fasad (nedre del, inre celler) 3,22 1 659 514 Fasad (nedre del, yttre celler) 3,22 2 428 753 Som framgår av Tabell 2 så producerar de inre cellerna endast 70 % av vad de yttre gör. Som en jämförelse kan det nämnas att bägge de närbelägna solcellsanläggningarna på Sickla Udde under samma period registrerade en Yield på 830 kwh/kw. De har en lutning på 30 och är orienterad mot syd- respektive sydost. Orsaker till minskad energiproduktion Den struktur som fasadens moduler sitter i gör att regn inte kommer åt att rengöra modulerna så effektivt som takmodulerna rengörs. Förlusten i yttre celler pga nedsmutsning har vid ett tillfälle mätts och var då 6 respektive 9 % för den yttre respektive inre cellerna. Kvarliggande snö på det relativt flacka taket har gett upphov till förluster som inte går att kvantifiera pga att ingen referens finns. Uppskattningsvis rör det sig om cirka 4 %. Skuggningen från den lövträdsklädda kullen fram byggnaden har under projekteringen uppskattats minska energiproduktionen med cirka 10 %. Även i detta fall saknas en referensdata som kan bekräfta detta (referens är ett objekt som inte är skuggat) Som framgår av Tabell 2 bör man undvika att orientera moduler så mycket mot norr som görs i den nordvästvända takinstallationen pga det låga utbytet.