UPTEC ES 10 025 Examensarbete 30 hp November 2010 Vidareutveckling av PV/T-receiver för koncentrerat solljus Viktor Fjällström
Sammanfattning Denna dokumentation är en sammanfattning av den fullständiga, hemligstämplade rapporten för examensarbetet. Den fullständiga rapporten är Absolicons egendom och kan erhållas efter särskild överenskommelse. Absolicon AB är ett svenskt företag som utvecklar och säljer ett koncentrerande solenergisystem. Systemet, Absolicon X10, består av ett paraboliskt tråg som reflekterar solinstrålningen på en receiver, vilken utgörs av en aluminiumprofil. Aluminiumprofilen är belagd med solceller och kyls från insidan av ett flytande kylmedium. När solinstrålningen träffar solcellerna omvandlas den till elenergi och värme. Elenergin matas ut på det elektriska nätet och kylmediet värmeväxlas med ett annat värmesystem. För detta examensarbete definierades tre arbetsområden: Utvärdering av ny ribbon Förutsägelse av receiverns prestanda Receiverns placering i tråget Arbetets övergripande syfte var att utveckla testmetoder och identifiera produktförbättringar, vilka kan höja kvalitén och den elektriska verkningsgraden för Absolicon X10.
Om Absolicon X10 Absolicon X10 är en produkt som genererar både el- och värmeenergi samtidigt från koncentrerat solljus, en CPV/T-produkt. Den kombinerar de två vanligaste teknikerna för att omvandla solenergi, solfångare och solceller, i samma modul. Modulen består också av ett paraboliskt tråg som reflekterar det inkommande ljuset på PV/T-recivern. Utöver dessa delsystem är Absolicon X10 även utrustat med kontrollsystem och solföljning, vilket visas i figur 1. Solföljningssystem är designat så att tråget följer solens höjd på himelen. Utifrån datum, tid och placering på jorden beräknas solens höjd och linjära ställdon vinklar tråget kring dess horisontella axel. Utan solföljning skulle receivern snabbt hamna utanför fokus, vilket resulterar i minimal värme- och elproduktion. Konstruktionen av Absolicon X10 gör att den endast kan utnyttja den direkta solinstrålningen, diffus strålning kan inte fokuseras av tråget. Detta gäller för alla koncentrerande solenergisystem, något som gör att dessa produkter lämpar sig bäst för platser med stor andel direkt solinstrålning. Figur 1: Absolicon X10 kombinerar solfångare, solcellspaneler och ett paraboliskt reflektortråg som följer solen. Resultatet blir en produkt som levererar både elenergi och värme. Modulerna tillverkas i sektioner om två meter och monteras sedan ihop till önskad längd. Idag saluförs främst 6- och 10-meterslängder och dessa moduler kan sedan seriekopplas till anläggningar av önskad storlek. Modulsystemet innebär stor flexibilitet och anläggningens storlek kan därför anpassas för kundens behov. Absolicon X10 lämpar sig bäst för fastigheter som har stort värme- och varmvattenbehov, exempelvis hotell, badhus och flerfamiljshus. Anläggningen dimensioneras efter fastighetens värmebehov, eftersom det alltid måste finnas avsättning för den värme som produceras av solfångaren. Utan tillräcklig avsättning blir systemet för varmt och kan då inte utnyttja solinstrålningen för varken el- eller värmeproduktion.
Utvärdering av ny ribbon Ribbon är det metallband som används för att elektriskt koppla sammman enskilda solceller till solcellsmoduler på receivern, se figur 2 och figur 3. Figur 2: Figuren visar ribbons och hur de fästs på en solcell. Figur 3: Solcellerna i genomskärning och hur de kopplas samman. Röd färg visar solcellens undre, positiva pol, medan svart färg visar dess övre, negativa pol. Den gråa färgen visar hur ribbons kopplar ihop solcellerna till en sträng. För att empiriskt bestämma resistansen hos ribbon användes en fyrpunktsuppställning, se figur 4. Detta experiment visade ribbonens egen resistans, men inte hur bra en given ribbon kan kontakteras mot solcellen. För det senare ändamålet utvecklades en ny testmetod, vilken användes just för att utvärdera hur bra den elektriska kontakten är mellan ribbon och solcell. I metoden definierades två kvalitétsparametrar och standardiserades för att i framtiden kunna utvärdera andra typer av ribbons. Utvärderingen och kvalitétsparametrarna bygger på en jämförelse mellan nya typer av ribbon och den ribbon som idag används vid produktion. I detta examensarbete användedes metoden för att utvärdera en typ av ribbon som Absolicon erhållit varuprover av. De definierade kvalitétsparametrarna var en tydlig kvalitativ indikation på om en ribbon är bättre än en annan. Den typ av ribbon som Absolicon erhöll innan examensarbetet började, visade sig ha dålig elektrisk kontakt mot solcellen. Den utvecklade testmetoden visade också att kvalitén på kontakteringen mellan ribbon och solcell varierade från fall till fall. Slutsatsen drogs därför att denna ribbon inte skulle användas i framtida produktion. Figur 4: Figuren visar fyrpunktsuppställningen som användes för att bestämma resistansen hos ribbons.
Förutsägelse av receiverns prestanda Receivern, se figur 5, är den del av Absolicon X10 där energiomvandling från solljus till el- och värmeenergi sker. Dess prestanda är av stor betydelse för hur mycket elektricitet produkten kan leverera. Det är av intresse att kunna förutsäga hur receivers presterar i solljus utifrån tester utförda inomhus, eftersom dessa typer av tester relativt enkelt kan implementeras. På så sätt kan dåliga receivers sorteras bort och kvalitén på produkten ökar. Figur 5: Figuren visar X10:ans receiver. Solljuset omvandlas till elektricitet i solcellerna och värmen transporteras bort med hjälp av kylvattnet, vilket cirkulerar i kylvattenkanalen. Det fanns en önskan hos Absolicon att utöka testproceduren av tillverkade receivers för att ytterligare höja produktkvalitén. I denna del av examensarbetet utvecklades och utvärderades två testmetoder för att förutsäga receivers elektriska prestanda. Önskvärt var att utifrån resultatet av dessa inomhustester kunna avgöra receivers prestanda i solljus. På detta sätt skulle de receivers som inte är tillräckligt bra kunna sorteras bort Efter utvärderingen av de båda testmetoderna kunde den ena metoden förkastas. Det visade sig att den inte ens i närheten kan förutsäga receivers prestanda i solljus. Den andra metoden skulle kunna implementeras, men kräver i så fall vidareutveckling och mer utvärdering. Arbetet med att förfina den andra metoden lämnades åt Absolicon att fortsätta med.
Receiverns placering i tråget Beroende på receiverns placering i tråget, se figur 6, belyses solcellerna med olika intensitetsfördelningar. I denna del av examensarbetet undersöks hur olika placeringar och intensitetsfördelningar för receivern påverkar dess elektriska utbyte. Figur 6: Figuren visar receiverns placering i tråget. De båda reciverhalvorna, Övre och Undre receiver, seriekopplas elektriskt. Arbetet visade att receiverns elektriska prestanda påverkas kraftigt av vilken intensitetsfördelning den belyses med. Eftersom receivers seriekopplas är det viktigt att de båda sidorna belyses med lika intensitetsfördelning, annars förloras elektrisk effekt. Denna del av examensarbetet resulterade i två konkreta produktförbättringar vilka höjer den elektriska verkningsgraden och kvalitén för Absolicon X10. Utöver detta konstaterades även att kortslutningsströmmen, Isc, är ett tillräckligt bra mått på den maximala elektriska effekten, Pmp. Sambandet mellan de båda parametrarna visas i figur 7 och är nästan linjärt. 80 Pmp [W] 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Isc [A] Figur 7: Figuren visar hur Isc och Pmp korrelerar: blåa rektanglar är uppmätta data och den blåa linjen är den linjära regressionen. Eftersom sambandet är nära linjärt drogs slutsatsen att kortslutningsströmmen, Isc, kan användas som en indikation på en receivers elektriska prestanda. Detta förenklade mätningarna i och med att Isc enkelt kan mätas med en vanlig amperemeter, jämfört med att mäta upp en IV-kurva och extrahera maxeffektpunkten, Pmp.
Slutsats I arbetet med utvärdering av ny ribbon utvecklades en ny testmetod. Denna testmetod och dess definierade kvalitétsmått är användbar för utvärdering av nya typer av ribbon. Metoden är standardiserad och har ett tydligt tillvägagångssätt för att kvalitativt avgöra om en ribbon är bättre än en annan. Att förutsäga receivers prestanda utifrån de inomhustester som gjordes är svårt. Den ena testmetoden som utvecklades är totalt oanvändbar och ska inte användas i sin nuvarande form. Det finns dock hopp att den andra testmetoden kan fungera om den förbättras och utvärderas ytterligare. Detta kräver dock en hel del arbete till och lämnas åt Absolicon att fortsätta med. Arbetet med att kvalitétssäkra receivers är mycket viktigt, inte minst för att identifiera defekter från produktionen. På så sätt kan nya produktionsmetoder tas fram och kvalitén på producerade receivers kan ökas. Receiverns placering i tråget är avgörande för dess prestanda. Mätningarna visar hur intensitetsfördelningen påverkar det elektriska utbytet. Konkreta produktförbättringar identifierades och arbetet med att implementera dem startades. Absolicons lärdommar av examensarbetet Nedan listas de lärdommar som Absolicon har fått ut av detta examensarbete. En ny testmetod för utvärdering av ribbons har utvecklts Den nya typen av ribbons ska inte användas i produktion Att kvantifiera kontaktresistansen mellan solcell och ribbon är tidskrävande och inte heller nödvändigt vid utvärdering av nya ribbons. Att förutsäga receivers prestanda med hjälp av inomhustester borde vara möjligt Kortslutningsströmmen, Isc, är ett tillräckligt bra mått på den elektriska maxeffekten, Pmp Det elektriska utbytet och kvalitén hosabsolicon X10 kan ökas genom att förändra receiverns placering i tråget
Figurreferenser Figur 1: http://www.absolicon.se/_solfangare_solvarme/1027_x10_se.php, 2010-07-21 Figur 2: http://www.absolicon.com/_about_solar_energy/1070_press_eng.php, 2010-11-08 Figur 3: Viktor Fjällström, 2010 Figur 4: Viktor Fjällstörm, 2010 Figur 5: Johan Lindahl, Utvärdering av materialval i en receiver för koncentrerat solljus baserat på kraven som föreskrivs i standarden IEC 62108, Uppsala Universitet, 2009 Figur 6: Absolicon AB, intern dokumentation, 2010 Figur 7: Viktor Fjällström, 2010