Mätning och simulering av temperaturens inverkan på prestandan hos byggnadsintegrerade solceller. Elforsk rapport 08:09

Mätning och simulering av temperaturens inverkan på prestandan hos byggnadsintegrerade solceller Elforsk rapport 8:9 Håkan Håkansson, Bengt Hellström, Björn Karlsson December 27

Mätning och simulering av temperaturens inverkan på prestandan hos byggnadsintegrerade solceller Elforsk rapport 8:9 Håkan Håkansson, Bengt Hellström, Björn Karlsson December 27

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: www.elforsk.se/solel. 1

Sammanfattning Verkningsgraden hos solceller minskar med ökande temperatur. Därför bör byggnadsintegrerade solceller installeras så att de får effektiv kylning från båda sidor. Ett system med 124 m² solceller på Tekniska Museets sydöstra fasad i Malmö har undersökts med mätningar och simuleringar av temperaturer, temperaturfördelning och värmeöverföringskoefficienter på panelernas framoch baksida. Verkligt utbyte har jämförts med ett beräknat med utgångspunkt från nominella prestanda, antagna väderdata som omfattar instrålning, lufttemperaturer och övertemperaturer från instrålningen. Nominell effekt utgår från vinkelrätt infall och en vinkelkorrektion görs för ökad reflektion vid de använda vinklarna. En teoretisk genomgång av mekanismer vid seriekoppling av solceller har gjorts, där skuggning alternativt felmatchning, by-pass dioder och hot spot behandlas. Termograferade bilder som åskådliggör lokala övertemperaturer med sådana fenomen visas. En mätning av en sämre fungerande solcellspanel på taket har gjorts, där den troligen inte är matchad till de övriga solcellspanelerna i seriekopplingen. En termobild på den avvikande solcellspanelen visas med enskilda celler med övertemperatur. Avancerade metoder och instrumentering för att med beröringsfria IR-mätare mäta temperaturen över modulernas hela yta har utvecklats. Denna har tillsammans med termografering och tunna termoelement testats för yttemperaturmätning under solbelysning. Solstrålningens intensitet och ytornas värmeövergångstal bestämmer i hög grad modulernas yttemperatur. En avancerad utrustning för att direkt mäta det konduktiva värmeövergångstalet har utvecklats, tillverkats och provats. Under hög instrålning blir solcellspanelerna omkring 3 varmare än omgivningen. Årsverkningsgraden reduceras från 13. till 12.1% eller en faktor.93 pga temperaturens inverkan. De temperaturgradienter på 3 5 som registrerats inom enskilda moduler och mellan modulerna har försumbar inverkan på utbytet. Simuleringar och mätningar visar att avståndet mellan moduler och absorbator bör vara minst 1 cm. I Malmö är avståndet mellan modulraderna 2 cm, vilket är tillräckligt för att kall luft skall blandas in och kyla modulerna. De begränsningar dimensioneringen av växelriktaren vid fasaden i Malmö orsakar vid höga intensiteter är omkring 2% eller en faktor.98. Identiska moduler uppsatta på en vertikal vägg riktad direkt mot söder eller på en yta lutad 4 mot söder ökar utbytet med 5 respektive 5% i förhållande till aktuell vägg, som är vriden 4 mot sydöst. Kontinuerlig övervakning av utbytet i förhållande till instrålningen föreslås. Metoder för mätning av termiska och elektriska indikatorer föreslås för diagnos av dålig matchning av solcellspaneler eller solceller alternativt ojämn skuggning. 2

Summary The efficiency of solar cells decreases with increasing temperature. Therefore building integrated modules should be designed so that cooling is allowed from both sides. A system of 124 m² of solar panels on the south-east façade on the Technical Museum in Malmö has been investigated by monitoring of performance, temperatures and heat transfer coefficients. Measurements and simulations of temperature, temperature distribution and heat transfer coefficients on the front and backside of the panels have been performed. Actual efficiency has been compared with a theoretical one, where nominal performance for the solar panel is combined with assumed weather data, air temperatures and excess temperatures from the sun together with angular dependence not included in the nominal data. A theoretical survey of the behaviour for solar cells connected in series is presented where mismatch /shading, bypass-diodes and hot spot is dealt with. Also thermal images of dissipated heat from single cells with such phenomena are shown. On the roof installation of the Technical Museum an electrical measurement has been done on an inadequately performing solar panel connected in series with several other solar panels under ordinary working conditions. A thermal image of the deviating solar panel with apparent local heat dissipation is shown. Thermal imaging, remote temperature sensing and thin thermocouples have been tested for surface temperature measurements under sunlit conditions. A method of measuring the convective heat transfer directly in the boundary layer with a thermopile made from thin wire was used. During high irradiance the temperature of the modules will be 3 higher than the ambient air. The increased temperature decreases the annual efficiency by a factor of.93. The temperature gradients between the modules of 3 5 C has a negligible impact on the performance. Limited maximum power on the installed inverter on the façade in Malmö limits the annual output by 2%. Identical modules installed on a south facing wall will have a 5% higher efficiency and modules tilted 4 and towards south will have a 5% higher annual yield. Monitoring of the gain and corresponding irradiation is suggested. Methods for measurement of thermal and electrical indicators for diagnosis of poor solar panels or individual solar cells due to mismatch or shading are suggested. 3

Innehåll 1 Inledning 5 2 Metoder för temperaturmätning 8 2.1 Mätning med termografering... 8 2.1.1 Speglande emissivitet... 8 2.2 Beröringsfri mätning med en separat strålningsgivare... 1 2.3 Resultat från beröringsfri mätning... 12 2.4 Mätning med termoelement... 13 3 Skillnader i absorption 14 4 Värmeavgivning från paneler 15 4.1 Modellering av temperaturer på solcellernas yta... 15 4.2 Temperaturmätning på enkla moduler... 17 4.3 Uppmätta spalttemperaturer... 18 4.4 Uppmätta konvektiva värmeöverföringskoefficienter... 2 5 Lokal uppvärmning av solcellspaneler, hot-spot 28 6 Jämförelser mellan instrålning och utbyte 36 6.1 Jämförelse med utbytet från mätt instrålning... 36 6.2 Jämförelse med utbytet från simulerad instrålning... 39 6.3 Temperatur och vinkelberoende utbyte för solcell på fasad i Malmö simulerat med Winsun... 39 6.3.1 Inverkan av infallsvinkel... 4 6.3.2 Inverkan av förhöjd drifttemperatur... 4 6.3.3 Resultat av simuleringar... 41 7 Slutsatser 42 7.1 Montageavstånd för solcellspaneler i fasad... 42 7.2 Lämpliga metoder för temperaturmätning på solcellspaneler... 42 7.3 Metoder för kontroll av energiutbytet... 42 7.4 Förslag på fortsatta undersökningar... 43 8 Referenser 45 4

1 Inledning I samband med att investeringsstödet för att uppföra solceller i offentliga lokaler införts har ett ökat antal byggnadsintegrerade system uppförts i Sverige. Malmö Stad Stadsfastigheter har uppfört en av Sveriges största solcellsanläggningar på Tekniska Museet i Malmö. Solcellsanläggningen omfattar 515 m² och har en toppeffekt på 64 kw. Solcellsanläggningen består av en fasadplacerad del med 124 m² monokristallina solceller med svart bakgrund och ram och takplacerad del med 38 m² polykristallina moduler. Fasaden är vänd åt sydöst (azimut -4 ). All el som solcellerna producerar är inkopplad på det vanliga elsystemet i byggnaden och kommer att användas i byggnaden. En solig sommardag kommer solcellerna att göra tekniska museet självförsörjande på el. Anläggningen driftsattes i augusti 26. Figur 1.1. Solceller på Tekniska Museets tak. Figur 1.2. Solceller på Tekniska Museets fasad. Modulerna på fasaden är monterade relativt tätt tillsammans drygt 1 cm från tegelväggen. Det innebär att kylningen från baksidan kan förväntas vara begränsad när modulerna värms upp under solbelysning. Detta medför att verkningsgraden reduceras pga av den höga temperaturen. Geometrin innebär vidare att den konvektiva luftrörelsen bakom modulerna kommer att göra att temperaturen ökar med höjden så att de högst belägna modulerna blir betydligt varmare än de lägst placerade. Detta kan påverka utbytet negativt eftersom modulerna är seriekopplade i varje lodrätt kolumn. Temperaturskillnaderna kan innebära att seriekopplade moduler får olika arbetspunkt, vilket sänker verkningsgraden. Alla seriekopplade moduler kommer inte att kunna arbeta vid den maximala arbetspunkten. Effekter av förhöjd temperatur hos en solcell En ökad celltemperatur innebär att sannolikheten för rekombination mellan elektroner och hål i cellen ökar och färre antal celler går ut i kretsen. Det 5

innebär att cellspänningen minskar och därmed cellens verkningsgrad och uteffekt. Cellspänningen för en kiselcell minskar med omkring 2 mv/ C eller motsvarande.3%/ C och uteffekten reduceras med.5%/ C enligt ekv. 1. Det innebär att vid en övertemperatur av 5 C, dvs modulen värms upp från 2 C till 7 C, reduceras spänningen med 15% och uteffekten med 25%. För solceller med bredare bandgap, som Amorft kisel, är verkningsgradens temperaturberoende svagare. dp 1 =.5 / C (1) dt P Effekten P i Watt för en solcellsmodul mäts vid instrålningen 1 W/m², celltemperaturen 25 och normalt infall. Detta motsvarar i praktiken solcellens maximala effekt och betecknas därför som W p eller topp-watt. Det förväntade utbytet E(Wh) från en solcellsinstallation med toppeffekten P(W p ) under en tidsperiod med instrålningen H(kWh/m²) kan uttryckas som: E= [P H] ϕ (2) Det kan tolkas så att solcellen arbetar vid en ekvivalent drifttid på H-timmar vid maximal effekt. Parametern ϕ är korrektionsfaktor för att temperatur och infallsvinkel avviker från dem som gäller vid standardmätningen av verkningsgraden. För en södervänd lutad yta i Sverige uppgår H till omkring 11kWh/m²,år. Det innebär att antalet årligen levererade Wh per installerad Wp kan uttryckas: E( Wh) =11 ϕ ϕ=.85 (3) P( W ) Faktorn ϕ är av storleksordningen.85 och beror huvudsakligen på att de förlusterna ökar vid höga infallsvinklar och högre driftemperaturer. Byggnadsintegrering Tekniken för byggnadsintegrering av solcellsmoduler påverkar solcellens drifttemperatur. Modulens temperatur beror av dess absorptans av solstrålning samt av modulens termiska isolering. Den termiska isoleringen är beroende av hur modulen är integrerad i fasaden och av geometrin. En vertikalt placerad modul kyls effektivare genom konvektion än en horisontell modul. Utformningen av byggnadsintegrering bestämmer solcellernas övertemperatur och storleken på korrektionsfaktorn ϕ. Projektets målsättning Projektets målsättning är att analysera temperaturens inverkan på verkningsgrad och utbyte i byggnadsintegrerade solfångare. Vidare att analysera hur modulernas temperatur beror på geometrin. Målsättningen är också att 6

projektet skall ge anvisningar hur modulerna skall installeras för att minimera negativ inverkan av temperaturen. En viktig del av projektet är att utveckla mätmetoder för att kunna mäta temperaturen över stora sammanhängande ytor av solceller. Vidare skall analyseras hur temperaturmätningar kan användas för att påvisa moduler med felaktig funktion och påföljande värmeutveckling. 7

2 Metoder för temperaturmätning Det är svårt att genomföra en rättvisande temperaturmätning på en yta som utsätts för solstrålning. Temperaturmätarens färg och geometri påverkar den registrerade temperaturen. Därför har ett antal olika metoder för temperaturmätning provats och utvärderats. 2.1 Mätning med termografering 2.1.1 Speglande emissivitet De flesta ytor på byggnadsdelar har en diffuserande yta för värmestrålning. Dessutom har de flesta ytor på byggnader en emissivitet nära ett vilket innebär att reflektionen är nära noll eftersom summan av reflektionstalet och emissiviteten är ett för opaka ytor. Emissiviteten hos glas är däremot riktningsberoende, speglande. Emissiviteten är också ganska låg, ε =.84. Glasytorna på solcellspanelerna på Malmö Museum är släta, inte präglade. Ett enkelt försök med en handhållen beröringsfri IR-termometer gjordes under blå himmel enligt Figur 2.1 med en solcellspanel för att illustrera den speglande reflektionen för värmestrålning. Som ses är strålningstemperaturen mycket låg från en klar himmel och skillnaden mellan de avlästa värdena blir stora för de två reflektionsfallen. Figur 2.1 Test med beröringsfri IR-temperaturmätare under klar himmel på solcellspaneler Sydöstfasaden på Malmö Museum är vänd mot en gata och en park så att horisonten är öppen. I parken på andra sidan gatan finns emellertid en gles trädridå. I Figur 2.2 på den högra bilden ser man siluetter av träden spegla sig i solcellspanelerna. I den vänstra bilden i infrarött ser man precis samma siluett som en högre strålningstemperatur. Mätningarna gjordes vid en klar 8

himmel som har en låg strålningstemperatur och trädridån avskärmar speglingen till himlen även i infrarött. Figur 2.2 Exempel på spegling i infrarött. De mörka siluetterna av träd som syns i synligt ljus uppträder i infrarött som avskärmning mot den kalla himlen. 9

Några övriga kommentarer till termobilderna är att den yttersta östra kanten på panelerna var exponerad av den östliga vinden och därför väl kyld. De västra kanterna på panelerna skyddar tegelväggen lokalt och solen har en västlig infallsvinkel som sammantaget bör ge en hög temperatur på tegelväggen. Den speglande emissivitetens inverkan illustreras även i Figur 2.3. Här speglas ett litet moln i solcellspanelerna som ses i den högra bilden. Molnet har en högre strålningstemperatur än den blå himlen och samma siluett framträder i termobilden. Figur 2.3 Molnet som speglar sig i panelens glasyta syns i infrarött som en högre temperatur än omgivande spegling av den kalla blå himlen 2.2 Beröringsfri mätning med en separat strålningsgivare Den använda metoden med en beröringsfri temperaturmätning med traversering med en givare som har konstant vinkel mot mätytan gav ett gott resultat. Det primära vid dessa mätningar är främst relativa temperaturskillnader och då spelar konstanta felkällor inte så stor roll. Eftersom övertemperaturen på solpanelen mäts vid klart väder är kontrasten alltid stor för strålningstemperaturen mellan mark och klar himmel. Om IRmätningen sker vid olika vinkel speglas olika mängd värmestrålning i den plana glasytan i solpanelerna. Med en beröringsfri temperaturmätning med traversering är mätvinkeln mot ytan konstant. Sensorn SMTIR992 från Smartec har använts. Sensorn är uppbyggd av en termostapel med ytan.5 mm 2 på ett kiselsubstrat. De små dimensionerna ger en mycket kort tidskonstant, 4 ms. Resistansen från termostapeln är så hög som c:a 5 kω. Skärmad kabel har därför använts för den långa anslutningen till loggern. Känsligheten är c:a 55 µv/(w/m2) av den nettovärmestrålning som faller på sensorytan. Ett effektivt optiskt lågpassfilter stänger ute den kortvågiga strålningen och sensorn kan riktas kortvarigt mot 1

solen utan att ge märkbar påverkan. (Vid längre solbelysning av sensorn kan man anta att filtret blir uppvärmt och på så sätt ge indirekt påverkan.) Kontaktlös temperaturmätning bygger på utbyte av nettovärmestrålning som är proportionell mot (objektets absoluttemperatur)^4 - (sensorns absoluttemperatur)^4 (vid samma geometri och emissiviteter). Sensorns temperatur mäts med ett internt PTC-motstånd av nickel med resistansen 1 Ω vid C. Den använda givaren har kalibrerats vid en känd temperatur. Den Ø 8 mm stora sensorn har monterats i ett Ø 25 mm kopparrör med gavlar. Frontgaveln har ett hål med en dimension avpassad för att ge en distinkt öppningsvinkel. Kopparens goda värmeledningsförmåga gör att kopparinneslutningen får samma temperatur som sensorn och nettostrålningen mellan kopparinneslutningen och sensorn blir noll. Kopparröret är invändigt målat med en matt färg för att undvika att värmestrålning från sidorna skall speglas och störa sensorn. Av samma orsak är kopparrörets diameter relativt stor jämfört med öppningens diameter så att förhållandet blir högt mellan den absorberande ytan jämfört med öppningsytan. Temperaturstörningar till sensorn genom värmeledning i anslutningsledarna kan bli avsevärd. Detta har reducerats genom att de dras i kontakt mot kopparröret på en längre sträcka. Sensorn med kopparomslutningen är omgiven av cellplastisolering för att reducera störningarna ytterligare. Figur 2.4 Anordningen för beröringsfri temperaturmätning sedd uppifrån taket Kalibrering har gjorts på en solcell som antas ha samma emissivitet som solpanelerna och med ett tunt termoelement limmat i frontytan och med en 11

baksida av aluminium för jämn värmefördelning. Kalibrering har gjorts mellan C och 7 C och god överensstämmelse med en kalibrering har erhållits, beräknat med absoluttemperaturerna^4 enligt teorin. Sensorn är fäst vid en vagn som löper längs en 4 4 3 mm aluminiumprofil. Mellan vagnen och aluminiumprofilen finns teflonväv för låg friktion. Förflyttningen av vagnen görs med en kul-lina som löper i en D-formad silikongummilist limmad till utsidan med en slits för infästningen ansluten till vagnen. Returen av linan görs inne i aluminiumprofilen. Linan löper runt ett hjul av akryl med 4 kuggar anpassade till 12 mm delning på kul-linan.. Hjulet roterar runt en Ø 6 mm axel med kullager. Hjulet drivs av en likspänningsmotor med utväxling och hjulets axel är kopplad till en 1-varvig potentiometer som ger positionen av vagnen. Detta ger 4.8 m maximal rörelse. Motorn stegas fram med pulser från loggern. Signalen från loggern förstärks med en transistor. En.1 s pulslängd ger c:a 3 cm förflyttning av mätvagnen. En magnet är fäst till kul-linan för en kontaktfri elektronisk gränslägesbrytare. Motorpaketet drivs av 12 V från loggern. Motorn reverseras till startläget manuellt med en omkastare. Längst ner på fyrkantprofilen är en bock fäst med plastskydd mot solpanelerna. När de nedre solcellspanelerna mäts måste hela anordningen sänkas ner. Ett passivt elektriskt lågpassfilter provades ut till den använda loggern och minskade mätbruset avsevärt. Pyranometrar och pyrgeometrar har samma mätpricip med termostapel men resistansen är här i storleksordningen 1 kω och då är ett filter obehövligt. 2.3 Resultat från beröringsfri mätning 5 45 4 35 Yttemperatur [ C] 3 25 2 15 7-1-19 11:52 7-1-19 11:59 7-1-19 12:5 7-1-19 12:1 5 6 7 8 1 Temperatur luft 1 C 5 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8 Position från underkant [m].5 Figur 2.5 Medelvärde från fyra mätningar av temperaturen på ytan av solcellspanelerna mätta med beröringsfri mätning. 12

4 35 3 Yttemperatur [C] 25 2 15 1 5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 Position från underkant [m] Figur 2.6 Resultat från beröringsfri mätning av temperaturer på alla 8 panelraderna i höjdled. 2.4 Mätning med termoelement Vid noggrann mätning av yttemperatur på en solbelyst yta måste tunna termoelement användas för att förhållandet skall bli litet mellan absorberad värme från solstrålningen på termoelementtråden jämfört med den termiska kontakten med ytan som mäts. Dessutom skall inte absorptionen på ytan störas. Temperaturer mäts på solcellernas framsida, i spalten och i luften. Givaren på framsidan visas i Figur 4.11 och placeringen av givaren i spalten visas i Figur 4.4. 13

3 Skillnader i absorption Kiselceller har olika färger huvudsakligen beroende på hur de har antireflexbehandlats. Enkla analyser av övertemperaturen på 7 olika typer solcellspaneler uppsatta i Augustenborg har genomförts. Variationerna över panelerna tycks vara större än mellan olika typer av solcellsmaterial. Svarta solcellspaneler av tunnfilm är ett undantag, med högre övertemperatur. Tunnfilmsceller av CIGS-typ är betydligt mörkare för ögat än kiselceller. Cellernas övertemperaturer bör vara nära proportionellt mot (1-R) I, där R är cellernas reflektans och I instrålningens intensitet. En grov reflektionsmätning med en pyranometer gav att reflektansen förhåller sig som 1:1.15:1.3 för CIGS tunnfilm, mörkblå kisel och grå kisel. Det innebär att absorptansen av solenergi varierar ungefär som.95:.94:93. Denna absorbtansskillnad kommer att innebär att vid hög instrålning varierar temperaturen någon enstaka grad mellan de olika modulerna. En absorbtansskillnad på 2% vid instrålningen 1 W/m² resulterar i en temperaturskillnad på omkring 1. Fig 2.7. Solceller med olika färger i en testuppställning i Augustenborgs Takträdgårdar, Malmö. 14

4 Värmeavgivning från paneler 4.1 Modellering av temperaturer på solcellernas yta En beräkning av temperaturen på solcellernas yta har utförts i Matlab. För detta har den internationella standarden ISO 1599 används. Den innehåller bl a en modell för naturligt (termiskt) ventilerade spalter, vilken här har använts. För beräkningen har en enkel s.k. steady state -modell används, dvs. inga dynamiska effekter har beaktats. Den beräknade yttemperaturen beror i hög grad på vilket yttre konvektivt värmeövergångstal som ansätts. För denna beräkning har det yttre värmeövergångstal som anges i ISO 1599 (för sommartid), 8 W/m 2 K, använts. Det har antagits att omgivningstemperaturen är 2 C för både strålning och konvektion. U-värdet för ytterväggen har satts till.2 W/m 2 K och innetemperaturen har också antagits vara 2 C. För beräkningen har en solig dag antagits, med en total instrålning mot fasaden på 8 W/m 2. Med absorptionskoefficienten.8 fås då en absorberad, tillförd effekt av 64 W/m 2. 5 4 Maximal övertemperatur ( o C) 3 2 1 total höjd 1 m total höjd 4 m total höjd 8 m total höjd 12 m.5.1.15.2 Spaltvidd mellan vägg och solcellsmoduler (m) Figur 4.1 Beräknad övertemperatur på ytan av solcellerna högst upp som funktion av spaltvidden mellan väggen och solcellsmodulerna. 15

Den resulterande övertemperaturen på solcellerna, jämfört med omgivningen, visas i Figur 4.1 som funktion av spaltvidden mellan vägg och solcell. I figuren kan man utläsa nyttan av en tillräckligt bred spalt mellan vägg och solcellsmodul. Har man flera moduler ovanför varandra, utan mellanrum mellan modulerna, krävs en bredare luftspalt för att erhålla samma maximala yttemperatur. Av diagrammet framgår att en vägghängd modul utan luftspalt ger ca 15 C högre yttemperatur jämfört med en modul med en 1 cm bred spalt. Detta motsvaras av att solcellsutbytet för detta fall blir relativt ca 6-8% lägre. Av diagrammet framgår också att den maximala solcellstemperaturen skulle kunna bli lägre om den totala höjden ökas. Att modellen ger detta resultat beror på att det konvektiva värmeövergångstalet mellan modul och spaltluft i modellen ökar med ökad höjd p.g.a. högre lufthastighet. Detta resultat är dock osäkert bl.a. p.g.a. modellens enkelhet och att t.ex. vindkonvektion inte har beaktats. Därför bör det nog tills vidare antas att man bör ha ett mellanrum på minst några cm mellan modulerna, för att möjliggöra insugning av kallare luft. Att denna funktion verkar fungera bekräftas av de genomförda mätningarna. 5 45 högst upp medelvärde längst ner Övertemperatur ( o C) 4 35 3 25 2.5.1.15.2 Figur 4.2 Spaltvidd mellan vägg och solcellsmoduler (m) Beräknad övertemperatur i över- och nederkant av en 1 m hög solcellsmodul + medelvärde över modulen, som funktion av spaltvidden mellan väggen och solcellsmodulen I Figur 4.2 visas temperaturerna högst upp, längst ner och ett medelvärde för en 1 m hög solcellsmodul. För spaltvidden 1 cm fås en temperaturskillnad mellan övre och nedre del på ca 3 C. För 8 st 1 m moduler ovanför varandra (utan mellanrum), beräknas motsvarande temperaturskillnad till ca 7 C. 16

4.2 Temperaturmätning på enkla moduler Temperaturen har uppmätts med en IR-termometer på toppen av ett antal olika moduler med och utan isolering på baksidan. Resultatet redovisas i tabellen. Tabell. Uppmätta modultemperaturer i förhållande till omgivningen vid I=85W/m² BP Mono-Si, CIGS- CIGS- Mono-Si blå Isolerad Oisolerad grå- Oisolerad Isolerad Delta T 39.6 18 4.1 21.6 Resultatet visar att vid en instrålning på 85 W/m² är modulerna som är isolerade på baksidan omkring 4 C varmare än omgivningen och den som är oisolerad 2 C varmare. I Figur 4.2 är motsvarande temperaturer 45 C och 3 C. Skillnaderna förklaras i huvudsak av hur värdena på värmeövergångstalet är antagna och beror av omgivningsförhållandena. Figur 4.3 Test med olika typer av solcellspaneler med avseende på övertemperaturer. Panelerna har både isolerad och oisolerad baksida. 17

4.3 Uppmätta spalttemperaturer Figur 4.4 Manuellt mätt temperaturfördelning i spalten bakom solcellspanelerna Temperaturen i spalten bakom solpanelerna mättes genom att ett termoelement fäst till en lina med brytskiva hissades upp nerifrån och manuella avläsningar gjordes med en meters intervall. Värden visas i Figur 4.4. Lufttemperaturen i spalten varierade med någon grad och värdena är därför endast ungefärliga. En permanent temperaturpunkt i spalten som loggades med 6-minuters medelvärde installerades, placerad 1.5 m under överkant solcellspaneler, Figur 4.4. Temperaturerna på solpanelens ytteryta enligt Figur 4.11, luftspalt och omgivningstemperatur visas i Figur 4.5, Figur 4.6 och Figur 4.7. I diagrammen visas även instrålningen mot fasaden. Tegelväggens magasinerande inverkan avspeglas genom en viss fördröjning av spalttemperaturen 18

45 4 35 T_spalt T_yta T_air Solarex 1 9 8 3 7 T [ C] 25 2 15 Givare monterad 6 5 4 3 Instrålning [W/m 2 ] 1 2 5 1 7-1-19 8: 7-1-19 9: 7-1-19 1: 7-1-19 11: 7-1-19 12: 7-1-19 13: 7-1-19 14: 7-1-19 15: 7-1-19 16: 7-1-19 17: 7-1-19 18: Figur 4.5 Temperaturer på solpanelyta, luftspalt och luft samt instrålning. 27 1 19. 35 3 T_air T_yta T_spalt Solarex 9 8 7 25 6 T [ C] 2 15 5 4 I [W/m2] 1 3 2 5 1 7-1-31 8: 7-1-31 9: 7-1-31 1: 7-1-31 11: 7-1-31 12: 7-1-31 13: 7-1-31 14: Figur 4.6 Temperaturer på solpanelyta, luftspalt och luft samt instrålning. 27 1 31 19

3 25 T_air T_yta T_spalt Solarex 9 8 7 2 6 T [ C] 15 5 4 I [W/m2] 1 3 5 2 1 7-1-24 9: 7-1-24 1: 7-1-24 11: 7-1-24 12: 7-1-24 13: 7-1-24 14: 7-1-24 15: 7-1-24 16: 7-1-24 17: 7-1-24 18: 7-1-24 19: 7-1-24 2: 7-1-24 21: Figur 4.7 Temperaturer på solpanelyta, luftspalt och luft samt instrålning. 27 1 24 4.4 Uppmätta konvektiva värmeöverföringskoefficienter Yttemperaturen på solpanelerna mättes i en punkt med termoelement. På samma ställe mättes även temperaturgradienten i gränsskiktet. Dessa mätningar gjordes med tunna termoelement, Ø.75 mm. Termoelementtrådarna spändes upp på en ram av 1 mm glasremsor som ses på Figur 4.8 och Figur 4.9. Denna ram pressades mot en solcell på fasaden med en infästningsanordning vid översta panelens överkant som ses på bilden i Figur 4.11. Att använda mycket tunna termoelementtrådar vid mätning av yttemperaturer är speciellt viktigt vid solbelysning. Några fördelar: Trådarna kommer närmare ytan Trådarna är lätta att spänna så att de bildar en rak linje Relationen mellan bredd som absorberar störande solljus och den termiska kontakten med omgivningen som skall mätas, blir gynnsammare Längden termoelement från mätpunkten som behöver omges av den temperatur som skall mätas, kan göras kortare Termoelementen var av koppar konstantan. Försilvrade koppartrådar användes för att reducera absorption av solstrålning. Temperaturgradienten närmast ytan mättes med en termostapel med fyra termoelementpar för ökad känslighet. Med en termostapel jämfört med separata termoelement undviks felkällor vid referenslödstället. 2

Figur 4.8 Perspektivskiss på termostapel för mätning av temperaturgradient i gränsskikt. Termostapel med ett par termoelement I yta och på 3 mm avstånd (ej mätt I denna mätning) Termoelement I yta Termostapel med 4 par termoelement I yta och på 1.1 mm avstånd Figur 4.9 Glasram med termoelementstapel och termoelement Temperaturmätningarna används för att bestämma ytans värmeövergångstal. Vid utvärderingen av den konvektiva värmeövergångskoefficienten antogs temperaturfördelningen i gränsskiktet enligt formeln: T ( x) ( h x) ( T T ) e λ = T + yta Funktionens temperaturgradient: dt h h x ( Tyta T ) e dx = λ λ dt ; vid ytan: = h ( T T ) dx x= λ yta 21

Värmeöverföringskoefficient beräknad från, och : h = λ T1 ln x1 T yta T T T T Tyta 1 T (x) temperaturfördelning i gränsskiktet T yta temperaturen på ytan T temperaturen i luften utanför gränsskiktet T yta temperaturdifferens mätt av termostapel h λ x 1 T 1 konvektiv värmeöverföringskoefficient luftens värmeledningsförmåga avstånd mellan nivåerna på termostapeln (1.1 mm) Genom att mäta temperaturen på modulens yta T yta, i luften T samt på ett definierat avstånd från ytan T 1 kan temperaturgradienten i gränsskikten fastställas och det konduktiva värmeövergångstalet h bestämmas. Det yttre konduktiva värmeövergångstalet för värmetransport från modulerna är en viktig parameter när modulernas temperaturer skall beräknas. Resultatet av mätningarna och beräkningarna av värmeöverföringskoefficienten presenteras i figurerna 4.12-4.18. Figur 4.1 Hållare med bygel för glasram med termoelement och termostaplar visad i Figur 4.9 men för manuella mätningar. 22

Figur 4.11 Monterad instrålningsmätare samt anordningen i Figur 4.9 för mätning av yttemperatur med termoelement och temperaturgradient i gränsskiktet med termostapel Vid laminära förhållanden ökar den konvektiva övergångskoefficienten med 4:e roten av temperaturdifferensen och vid turbulenta förhållanden med den 3:e roten. I diagrammen är en kurva, 2 T.25 inlagd för en jämförelse med uppmätta värden. De konvektiva värmeövergångskoefficienterna 27-1-15 tycks ha negativt beroende med temperaturdifferensen. Om man istället ser variationerna över dagen ser man en ökning med tiden, Figur 4.14. Denna dag startade lugnt men med ökande vindhastighet. I detta diagram är en beräknad värmeövergångskoefficient för strålning inlagd baserad på momentan temperatur på ytan. Detta är menat som en storleksjämförelse med den konvektiva värmeövergångskoefficienten. 23

12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. h c = 2 T.25 2.. 5 1 15 2 25 T (T yta -T air ) Figur 4.12 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-12. 12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. h c = 2 T.25 2.. 5 1 15 2 25 3 T_yta-T_air Figur 4.13 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-15. Se även Figur 4.14 och kommentarer om vindförhållanden. 24

12. 1. 8. h [W/m 2 K] 6. 4. h r, beräknad från yttemperatur 2.. 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: Figur 4.14 Den konvektiva värmeöverföringskoefficientens variation över dagen 27-1-15 (punkter). Som jämförelse är även värmeöverföringskoefficienten för strålning inlagd. 12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. h c = 2 T.25 2.. 5 1 15 2 25 3 T_yta-T_air Figur 4.15 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-18 25

12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. h c = 2 T.25 2.. 5 1 15 2 25 3 35 T_yta-T_air Figur 4.16 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-19 12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. 2.. 5 1 15 2 25 T_yta-T_air Figur 4.17 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-21 26

12. 1. 8. h c [W/m 2 K] 6. 4. 2.. 5 1 15 2 25 3 T_yta-T_air Figur 4.18 Beräknade konvektiva värmeöverföringskoefficienter från mätningar av gränsskiktet 27-1-23 Figurerna 4.12-4.18 visar att det uppmätta värmeövergångstalet h varierar mellan 4 och 1 W/m²,K. Den stora spridningen förklaras av att mätningen är mycket känslig för varierande vindstyrka. I de teoretiska beräkningarna i kap 4.1 har det yttre värmeövergångstalet som anges i ISO 1599, 8 W/m 2 K, används. Detta är i hygglig överensstämmelse med resultatet av mätningarna. Den korrelation som lagts in i diagrammen, 2 T.25 underskattar de uppmätta värdena på värmeövergångstalet. 27

5 Lokal uppvärmning av solcellspaneler, hot-spot En orsak till att en eller några celler i en panel får en speciellt hög övertemperatur kan vara hot-spot uppvärmning. Den orsakas av att en cell är delvis skuggad eller att strömutbytet för cellen är sämre än för de omgivande cellerna som den är seriekopplad till. Figur 5.1 illustrerar mekanismen där den delvis skuggade cellen är ritad mindre än de övriga. En solcell uppträder nära analogt som en strömgenerator kopplad över en diod och med strömmen proportionell mot instrålningen på cellen. I Figur 5.1 betecknas denna analoga ström I 2 för den delvis skuggade cellen och I 1 för de övriga cellerna. Den delvis skuggade cellen begränsar strömmen som går genom slingan av celler och last. Man kan få en stor reverserad spänning över den skuggade cellen som visas i den högra I-V-kurvan och i spänningssummeringen för strömslingan i den nedre grafen. Drivkraften för strömmen i slingan utgörs av de fullt belysta cellerna enligt den vänstra I-V-kurvan. Figur 5.1 Ett exempel på spänningsfördelning i en belastad krets med en delvis skuggad cell 28

För att skydda skuggade celler för skadligt höga spänningar och för att reducera att strömbegränsningen från skuggade celler inverkar på hela den långa kedjan av seriekopplade celler som normalt används, kopplas by-passdioder in över ett mindre antal celler. I de solcellspaneler som används på Tekniska Museet är tre by-pass-dioder inkopplade för 48 (tak), 72 (vägg) solceller på en panel så att 16 eller 24 solceller har en by-pass-diod. I Figur 5.2 visas ett exempel där en by-pass-diod leder förbi en ström genererad från omgivande solceller i strömslingan, då en cell är kraftigt skuggad eller felmatchad. By-pass-dioden gör att strömmen i slingan behålls men att spänningsbidraget från cellerna som by-pass-dioden är kopplad över går förlorad. Dessutom får man ytterligare en liten spänningsförlust genom framspänningsfallet i dioden. Figur 5.2 Ett exempel på spänningsfördelning i en krets med en delvis skuggad cell. En by-passdiod är kopplad över kretsen och den antas vara kopplad i serie med oskuggade solceller. 29

I Figur 5.2 ser man att det ligger en hög spänning över den skuggade cellen. Om cellen är helt skuggad går strömmen I lim mot noll. Ingen eleffekt avges till den skuggade cellen. Om däremot solcellen skuggas delvis till en nivå så att strömmen I lim blir relativt hög samtidigt som spänningen över cellen också är hög, blir den utvecklade eleffekten, ström gånger spänning, hög och man får det som betecknas som en hot-spot effekt. Speciellt betecknar hot-spot när delar av solcellen får särskilt hög temperatur orsakat av instabilitet. Som tidigare beskrivits uppträder en solcell nära analogt som en strömgenerator kopplad över en diod. Denna diod kan naturligtvis inte stå emot vilka backspänningar som helst utan att släppa igenom ström. I Figur 5.3 visas ett exempel på en IV-kuva för en cell där strömmen ökar progressivt med pålagd backspäning. Förutsättningarna liknar dem i Figur 5.1 men skuggningen är antagen kraftigare så att den analoga strömmen I 2 här är lägre. Genom att strömmen bryter igenom den skuggade cellen, blir denna cell inte strömbegränsande i samma utsträckning som den i exemplet i Figur 5.1. Resultatet blir t.ex. att cellen kan skuggas helt och ändå få en hög värmeutveckling av att ström släpps igenom orsakad av en hög backspänning genererad av många belysta celler i serie. Figur 5.3 Ett exempel på spänningsfördelning i en krets med en skuggad cell som släpper igenom ström i backriktningen när en reverserad spänning läggs över cellen. 3

Termografibilden i Figur 5.4 illustrerar hot-spot effekten väl. En stolpe ger en skugga i hörnet på en solcellspanel på Tekniska Museets tak. Eftersom stolpen befinner sig på ett ganska stort avstånd från panelen, rör sig skuggan relativt snabbt med solen, och någon minut innan termobilden tas, har solcellen i hörnet varit mera skuggad men aldrig helt skuggad. Denna cell har fått en distinkt övertemperatur. Figur 5.4 Termograferat exempel på hot-spot effekter vid delvis skuggade celler på en solcellspanel. I Figur 5.5 visas mätta I-V-kurvor för många seriekopplade celler utan bypass diod. Den nedre kurvan visar effekten då två celler delvis skuggas. Man ser här att max-effekten påverkas mera än kortslutningsströmmen i detta exempel. IV-kurvor för den typ av solcellspanel som är installerad på taket på Tekniska Museet visas i Figur 5.6. Panelen har 48 celler med 16 celler per by-pass diod. En enda cell skuggades 18.5% och denna inverkan på IV-kurvan visas i diagrammet. 31

6 5 kl 15:14 östra panelen Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 delv.skuggad 4 I [A] 3 2 1 5 1 15 2 25 U [V] 36 celler Figur 5.5 Exempel på IV-kurvor för 36 solceller utan by-pass diod och där 2 solceller alternativt skuggas. 8 Solcellspanel Sharp ND-Q2E3ED 16 7 Instrålning 843 W/m 2 IV oskuggad IV skuggad 18.5% P oskuggad P skuggad 18.5% 14 6 En cell skuggad 18.5% 12 5 1 I [A] 4 8 P [W] 3 6 2 4 1 2 5 1 15 2 25 3 U [V] Figur 5.6 IV-kurvor för en solcellspanel av typ som används på museets tak. Effekten av en delvis skuggad cell visas. 32

Vid termograferingen av det stora solcellsfältet på taket på Tekniska Museet upptäcktes några solcellspaneler som speciellt avvek genom att ha celler med övertemperatur. Figur 5.7 visar en sådan solcellspanel som avviker. Vid ett senare tillfälle mättes spänningen över denna panel samt över grannpanelen som var seriekopplad med denna. Tunna moln passerade under mätningen så att spänningar vid olika strömmar kunde mätas. När grannpanelen mättes tätnade molntäcket något. Samtidiga mätningar av ström och spänning på en cell kunde göras. Strömmen mättes med en tångamperemeter för likström och spänningen genom att isoleringen penetrerades med nålar så att växelriktarens funktion inte stördes. Diagrammet i Figur 5.8 visar några ström spänningspunkter för de seriekopplade solcellspanelerna. Man kan förvänta sig att spänningen för max-effektpunkten skall vara nära densamma, oberoende av instrålningsintensiteten. Detta gäller här för den normala solcellspanelen som har nära samma spänning som för den nominella maxeffektpunkten vid 1 W/m 2 som är inritad i diagrammet. Detta gäller om växelriktaren har lyckats följa max-effektpunkten och så tycks vara fallet här. Bidraget från den avvikande solcellspanelen bidrar bara med en bråkdel av den nominella effekten. Speciellt litet tycks bidraget vara vid hög instrålning. Eftersom fel eller dålig matchning främst yttrar sig som en lägre spänning för seriekopplade solcellspaneler med by-passdioder, skulle en metod att upptäcka detta vara att övervaka den totala spänningen för likspänningen in till varje växelriktarkrets. Man skulle samtidigt även kunna upptäcka störningar i växelriktarnas funktion. Figur 5.7 Solcellspanel som avviker genom att vissa solceller har en distinkt övertemperatur. Mätningar på hur denna panel samverkar elektriskt med övriga solcellspaneler i seriekoppling visas i Figur 5.8. 33

8 Ström genom flera seriekopplade solcellspaneler [A] 7 6 5 4 3 2 1 Förväntade spänningar för arbetspunkter Peak Power vid 1 W/m 2 Ineffektiv panel Grannpanel i serie Punkt för peak power 5 1 15 2 25 3 U en panel [V] Figur 5.8 Några arbetspunkter för den avvikande solcellspanelen i Figur 5.7 (kryssmarkerade) samt arbetspunkter för en anslutande seriekopplade solcellspanel. På taket på Tekniska Museet skuggar kylaggregat den främsta raden av solcellspaneler som ses på bilden i Figur 5.9 Detta är enligt uppgift avsiktligt gjort för att utvärdera denna skuggnings inverkan på utbytet. På bilden ser man även att den nedre raden av solceller är skuggad. Den nedersta kretsen av solceller, två rader som upptar en tredjedel av panelen, har en egen by-pass diod och man kan anta att utbytet blir två tredjedelar även vid en kraftig skuggning av de två nedersta raderna av celler. 34

Figur 5.9 Skuggning från kylaggregat i första raden och skuggning från framförvarande rad vid låg solhöjd (27 1 31 kl. 11:). 35

6 Jämförelser mellan instrålning och utbyte 6.1 Jämförelse med utbytet från mätt instrålning Jämförelser har gjorts på de väggmonterade solcellspanelerna med utbytet erhållet från växelriktarna. I diagrammet i Figur 6.1 ser man en tydlig platå vid 48 W där växelriktaren begränsar den tillgängliga effekten. Detta ses också i de övriga diagrammen. I diagrammet i Figur 6.2 finns en fördröjning omkring kl. 9 mellan instrålning och eleffekt. Instrålningsmätaren (Solarex) är monterad på takets överkant som ses på bilden i Figur 4.11 och man kan anta att solcellsfältets nedre delar skuggas av trädridån på andra sidan vägen under morgonen. I de andra diagrammen ser man inte denna effekt lika tydligt eftersom det då inte är full sol tidigt på dagen. Väggen har 8 8 paneler med 6 12 celler med ytan.152 2 m2 vilket ger en nettoyta solcell 16.5 m 2. Elytbytet för halva denna yta är visad i diagrammen. Relationen mellan eleffekt och instrålning som är satta på y- axlarna och som ser ut att överensstämma för de båda kurvorna när effekten understiger 48W ger.15 i verkningsgrad beräknat på cellens nettoarea. 7 9 "5227" Solarex 8 6 7 Effekt från växelriktare [W] 5 4 3 2 6 5 4 3 Instrålning [W/m 2 ] 2 1 1 27-1-12 8: 27-1-12 9: 27-1-12 1: 27-1-12 11: 27-1-12 12: 27-1-12 13: 27-1-12 14: 27-1-12 15: 27-1-12 16: 27-1-12 17: Figur 6.1 Instrålning och producerad el-effekt 27 1 12. 36

7 1 "5227" Solarex 9 6 8 Effekt från växelriktare [W] 5 4 3 2 7 6 5 4 3 Instrålning [W/m 2 ] 2 1 1 27-1-19 8: 27-1-19 9: 27-1-19 1: 27-1-19 11: 27-1-19 12: 27-1-19 13: 27-1-19 14: 27-1-19 15: 27-1-19 16: 27-1-19 17: Figur 6.2 Instrålning och producerad el-effekt 27 1 19. 7 9 5227 Solarex 8 6 7 Effekt från växelriktare [W] 5 4 3 2 6 5 4 3 2 Vertikal instrålning [W/m 2 ] 1 1 27-1-23 8: 27-1-23 9: 27-1-23 1: 27-1-23 11: 27-1-23 12: 27-1-23 13: 27-1-23 14: 27-1-23 15: 27-1-23 16: 27-1-23 17: Figur 6.3 Instrålning och producerad el-effekt 27 1 23. 37

7 9 8 6 Vägg 5227 7 Effekt från växelriktare [W] 5 4 3 Solarex 6 5 4 3 Vertikal instrålning [W/m 2 ] 2 2 1 1 27-1-24 8: 27-1-24 9: 27-1-24 1: 27-1-24 11: 27-1-24 12: 27-1-24 13: 27-1-24 14: 27-1-24 15: 27-1-24 16: 27-1-24 17: Figur 6.4 Instrålning och producerad el-effekt 27 1 24..14.12.1 Verkningsgrad η [ ].8.6.4.2. 27-1-12 8: 27-1-12 9: 27-1-12 1: 27-1-12 11: 27-1-12 12: 27-1-12 13: 27-1-12 14: 27-1-12 15: 27-1-12 16: 27-1-12 17: Figur 6.5 Verkningsgradens variation 27 1 12. 38

6.2 Jämförelse med utbytet från simulerad instrålning 1 9 8 7 Begränsning 68 W P ut solcell W/m 2 6 5 4 3 2 Serie1 1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Timmar Figur 6.5 Varaktighetsdiagram för simulerad uteffekt per m² solcell för solcellsystemet på fasaden vid Malmö Museum. Växelriktaren kan maximalt ta emot 68W från varje m² solcell. Figur 6.1-6.4 visar att växelriktaren kan ta emot maximalt 477 W. Det motsvarar omkring 68 W per m² solcellarea in figur 6.5 eller en instrålning på 62 W/m².Detta innebär att energin för högre effekter i varaktighetsdiagrammet inte kan utnyttjas. I figur 6.5 illustreras hur verkningsgraden minskar under den period som växelriktaren bottnar. Detta innebär en årlig energiförlust på omkring 2%. Växelriktaren är dimensionerad för att kunna omvandla 477 kw, vilket är drygt 5% av halva fasadens toppeffekt 8.3 kwp vid en instrålning av 1 W/m². Denna toppeffekt är dock endast teoretisk eftersom maximal instrålning är 85 W/m², vilket resulterar i en verklig toppeffekt på 7 kwp på halva fasaden. 6.3 Temperatur och vinkelberoende utbyte för solcell på fasad i Malmö simulerat med Winsun. Tabell. Årsinstrålningen mot yta i Malmö vid olika lutning och azimutvinkel. Lutningsvinkel Asimutvinkel Instrålning (kwh/m²,år) Normerad Instrålning 4 1119 1.51 9 773 1.5 9 4 738 1. Årsinstrålningen beräknades med simuleringsprogrammet Winsun. Solcellssystemet på fasaden riktad 4 mot väst skulle öka sitt årsutbyte med 5% om 39

den satt på en fasad riktad mot söder och med 5% om den lutade 4 i söderriktning. 6.3.1 Inverkan av infallsvinkel Vid simuleringar av modulernas energiutbyte har antagits att verkningsgraden beror av infallsvinkel enligt formeln: K b (θ) = 1- b (1/cos(θ)-1) Där b är en varierbar parameter och θ är infallsvinkeln mot modulen. Vid simuleringarna antages att b =.1. Då fås ett vinkelberoende för direkt instrålning I beam enligt figur 6.6. Vidare har antagit att infallsvinkelkoefficenten för diffus strålning I diffuse ges av koefficienten vid infallsvinkel 6 : K b (6) =.9. Det innebär att den totala instrålningen mot modulen som inte reflekteras ges av: G modul (θ)= I beam (1-.1 (1/cos(θ)-1))+ I diffuse.9 Normerat Vinkelberoende 1,2 1,8,6,4,2 2 4 6 8 1 Infallsvinkel Figur 6.6 Antaget infallsvinkelberoende hos PV-modulerna. En simulering enligt detta infallsvinkelberoende för väggmodulen resulterar i att den användbara instrålningen reduceras med en faktor.91 från 738 till 7 (kwh/m², år). 6.3.2 Inverkan av förhöjd drifttemperatur Modulernas övertemperatur T beräknas hur följande samband T= α [K b (θ) I beam + K b (6) I diffuse ]/h tot = α=.9 h tot =21 (W/m²,K) 4

α är solcellens absorptans och h tot =är modulens totala värmeförlustkoefficient genom strålning och konvektion mot väggen och mot omgivningen. Värdet på h har anpassats till de teoretiska beräkningarna i kap 4.1-4.2 och mätningarna i kap 4.2-4.3 Solcellens verkningsgrad antages minska med.5%/ C ökande temperatur enligt: η(t) = η(25 ) [(1-(T-25)).5] Solcellens verkningsgrad anges enligt standardmätningar vid temperaturen 25 C och normalt infall. Denna är i detta fall 13.4%. 6.3.3 Resultat av simuleringar Resultatet av simuleringarna sammanfattas i tabellen. Tabell. Beräknat årsutbyte från PV-modul med verkningsgraden 13.4% Drifttemperatur Årsutbyte Normerat Utbyte Årsverkningsgrad (kwh/m²,år) Modul utan vinkelberoende 14.8 1.175.142 vid omgivningstemperatur Modul med vinkelberoende 95.7 1.75.13 vid omgivningstemperatur Nominellt utbyte: Modul 98.9 1.111.134 utan vinkel-beroende vid 25 Modul med vinkelberoende 9.3 1.15.122 vid 25. Modul med vinkelberoende vid beräknad temperatur 89. 1..121 Uppvärmningen av modulen innebär att den under instrålning blir varmare än omgivningen. Detta reducerar årsverkningsgraden från 13. till 12.1 % eller en faktor.93. De temperaturgradienter på 3-5 som registrerats inom enskilda moduler och mellan modulerna har försumbar inverkan på utbytet. Det verkliga årsutbytet är enligt simuleringarna en faktor ϕ=.9 lägre än det nominella utbytet. De begränsningar dimensioneringen av växelriktaren orsakar ger enligt figur 6.5 en 2% reducering av årsutbytet. Identiska moduler uppsatta på en vertikal vägg riktad direkt mot söder eller på en yta lutad 4 mot söder ökar utbytet med 5 respektive 5% i förhållande till aktuell vägg, som är vriden 4 mot sydöst. 41

7 Slutsatser 7.1 Montageavstånd för solcellspaneler i fasad Vid en teoretisk beräkning av avkylning från spalten bakom ett fasadmonterat solpanelfält spelar spalthöjden inte så stor roll den högre temperaturen i en hög spalt kompenseras i viss mån av högre lufthastighet. Våra mätningar antyder däremot att de horisontella öppningarna bidrar till avkylningen som resulterar i att den nedre delen av solcellspanelerna får en lägre temperatur än de övre. Den teoretiska modellen tar emellertid inte hänsyn till den turbulens som alltid finns runt en solbelyst fasad. Turbulensen ger lokala tryckskillnader som ger kylning genom luftutbyte i mellanrummen mellan solcellspanelerna. Vid fasadmontaget på Tekniska Museet står fronten på panelerna ut 16 cm från fasadlivet med c:a 2 cm mellanrum i vertikal led och 4 cm mellanrum i horisontell led. Estetiska bedömningar är subjektiva men avstånden är knappast störande vilket kan bedömas från bilderna i Kapitel 1 och Figur 4.11. De vertikala avstånden kan kanske ökas något för större luftutbyte enligt resonemanget ovan. 7.2 Lämpliga metoder för temperaturmätning på solcellspaneler Att mäta absolutnivåer på temperaturer på solbelysta solcellspaneler med termografering är mindre lämpligt eftersom en klar himmel har en mycket låg strålningstemperatur och störningarna blir stora. Däremot är termografering utmärkt för mätning av temperaturskillnader, speciellt lokala. Man får en unik överblick av temperaturskillnader och med närbilder kan man även få hög detaljupplösning. Med mycket tunna termoelement kan med god noggrannhet yttemperaturer mätas på släta ytor även under solbelysning. 7.3 Metoder för kontroll av energiutbytet Elutbytet loggas kontinuerligt med den permanenta utrustningen för Tekniska Museet. Instrålningen borde också loggas kontinuerligt, förslagsvis med fotodioder satta i solcellernas plan. Kontinuerlig loggning av likspänningen in till växelriktarna skulle kunna övervaka deras funktion, speciellt deras förmåga att vid olika instrålning hitta den maximala effektpunkten. Man skulle även få en indikation på hur växelriktarna hanterar en eventuell skuggning. Solcellspaneler som har sämre strömutbyte än paneler som de är seriekopplade med och därför får celler med övertemperatur skulle kunna upptäckas med termografering. Sedan kunde en bättre matchning göras genom omgruppering. 42

7.4 Förslag på fortsatta undersökningar Ett sätt att studera problematiken med dålig matchning mellan seriekopplade solcellspaneler är att göra mätningar av spänningarna över flera paneler samtidigt. Galvaniskt skilda spänningsgivare behöver då användas. För att mäta på en solbelyst yta utan att få störningar måste mycket tunna termoelement användas. Dessa termoelement kan skyddas vid ett mera permanent montage genom att de limmas på ytan täckta av ett tunt mikroskoptäckglas. Vi har goda erfarenheter av en sådan montering. Man kan även tänka sig att göra en handhållen prob där de tunna termoelementen hålls och skyddas med en glasram som visas i Figur 4.1. Termografbilder från solcellspanelerna på taket på Tekniska Museet visar att den översta och nedersta raden av solceller har högre temperatur än övriga solceller. Om detta beror på olika kylning på baksidan, skulle kunna undersökas genom mätning med värmeflödesmätare. 7.5 Rekommendationer och slutsatser vid byggnadsintegrering För att undvika oönskade övertemperaturer bör avståndet mellan moduler och vägg vara minst 1 cm. Avståndet mellan modulerna bör vara några centimeter för att tillåta insugning av kallare luft bakom modulerna. Temperaturgradienten mellan olika moduler förväntas ha en försumbar inverkan på årsutbytet. Om modulerna isoleras på baksidan ökar celltemperaturen med upp till 2 i förhållande till en helt oisolerad modul. En isolerad baksida förväntas minska årsutbytet med en faktor.95 i jämförelse med en modul med kyld baksida. Modulernas uppvärmning över omgivningstemperaturen minskar årsutbytet med en faktor.93. Nominell verkningsgradsmätning vid 25 ger en verkningsgrad som är jämförbar med verkningsgraden vid en verklig installation. Inverkan av infallsvinkeln minskar dock årsutbytet med en faktor.9. Solcellernas olika färger har försumbar inverkan på modulernas temperatur och temperaturberoende verkningsgrad. Om modulerna lutas 4 mot väggen förväntas årsutbytet öka med omkring 4%. Skuggning av moduler eller av enstaka celler bör undvikas. Värmeutveckling p.g.a. skuggning eller seriekopplade moduler som inte förmår ge samma ström som kretsen de sitter i kan detekteras genom termografering. 43