Utveckling av en 3-axligt koncentrerande hybrid. Elforsk rapport 12:11

Utveckling av en 3-axligt koncentrerande hybrid Elforsk rapport 12:11 Håkan Håkansson, Luis Schea och Björn Karlsson Februari 2012

Utveckling av en 3-axligt koncentrerande hybrid Elforsk rapport 12:11 Håkan Håkansson, Luis Schea och Björn Karlsson Februari 2012

Förord Detta projekt ingår i det tillämpade solcellsprogrammet SolEl 08-11. Programmes kunder är: Energimyndigheten Svenska Byggbranschens Utvecklingsfond via NCC och JM Vattenfall E.ON Sverige Fortum ABB Corporate Research Göteborg Energi Exotech HSB Malmö stad Serviceförvaltningen Sharp Electronics Nordic Switchpower Mälarenergi Tekniska Verken i Linköping AB Jämtkraft Umeå Energi Falkenberg Energi Växjö Energi Elnät Rapporten finns fritt nedladdningsbar från SolEl-programmets webbsajt: www.solelprogrammet.se. Bertil Wahlund Elforsk AB

Sammanfattning En koncentrerande solhybrid, Matarenki, har utvecklats av Global Sun Engineering i Luleå. Den tvåaxligt solföljande solfångaren ger både el och värme. Den är uppbyggd omkring plana speglar i ett paraboliskt fasettmönster som följer solen 2-axligt. Solfångar-hybriden har två kollektorer med var sin 3 3 spegelgrupp. De plana speglarna innebär att solcellerna får jämn belysning. En prototyp av denna solfångare har uppförts på sollaboratoriet i Lund. Funktionen hos denna solfångare har testats och analyserats. Konstruktionens viktigaste egenskap är att ge jämn ljusintensitet på absorbatorns seriekopplade solceller. Därför analyseras denna egenskap i detalj i rapporten. Analysen visar att optiken som avsett ger jämn belysning på absorbatorn och den optiska principen med plana speglar för jämn belysning fungerar tillfredsställande. Utbytet kan dock öka genom en finjustering av geometri och optik. Solföljningen fungerar som avsett. Den bör kompletteras med en finjustering med optiska givare. Hur det kan göras presenteras i rapporten. Det är angeläget att systemet har en funktion för snabb avställning vid alltför höga drifttemperaturer. Den elektriska kopplingen av solcellerna i en kärndel och en randdel har förutsättningar att fungera och skapa ett robust system som är relativt okänsligt för små fel i solföljningen. Simuleringar av systemets årsutbyte har gjorts med vissa antaganden om systemets prestanda. Denna visar att: Den globala instrålningen mot en fast södervänd yta är högre än den direkta instrålningen mot en tvåaxligt solföljande yta i Madrid och i Stockholm Global Sun-systemet med arean 4 m² ger 950 kwh/år el och 4000 kwh/år värme i Madrid. I Madrid kan den ersättas av 3,5 m² konventionella solcellsmoduler och 3,5 m² vakuumrör i söderläge. Global Sun-systemet med arean 4 m² ger 540 kwh/år el och 2000 kwh/år värme i Stockholm I Stockholm kan den ersättas av 3 m² konventionella solcellsmoduler och 3 m² vakuumrör i söderläge. Den elektriska effekten från systemet vid 900 W/m² direkt instrålning är 460 Wp. Den relativa andelen elektrisk energi ökar med ökande latitud. En fast monterad PV-modul lutad i optimal vinkel mot söder ger dubbelt så högt elutbyte som en koncentrerande öst-västligt solföljande modul och 10-20 procent högre utbyte än en tvåaxligt koncentrerande solföljande modul

Summary The Swedish company Global Sun Engineering has developed a bifacial hybrid absorber with a 2-axis tracking system. The collector is constructed around 2 times 9 flat mirrors in a parabolic geometry. The flat mirrors are used for obtaining an uniform intensity on the series connected cells on the absorber. The performance of the optics of the system is analyzed in detail in the report. The analysis of shows that the optical geometry work as expected. It can however be better adjusted. The sun tracking unit has a good performance during a clear day. It works better if it is complemented with a fine tracking adjustment based on current balance between opposing border cell strings. The collector must be equipped with a mechanism which pushes the reflector out of focus at too high operating temperatures. The suggested electrical circuit with a center part and two border parts will form a robust system which is relatively insensitive to a slight misalignments in the tracking system. Simulation of the expected thermal and electric output in Madrid and Stockholm have been performed with the following results: The global irradiation against a static surface is higher than the beam irradiation against a two axis tracking surface both in Madrid and Stockholm. The Global Sun collector with the area of 4m² gives 950 kwh/m²,year of electric energy and 4000 kwh/m²,year of heat in Madrid. In Madrid it can be replaced of 3.5 m² PV-modules and 3.5 m² of vacuum tube thermal collector tilted 30º towards south. The Global Solar collector with the area of 4m² gives 540 kwh/m²,year of electric energy and 2000 kwh/m²,year of heat Stockholm. In Stockholm it can be replaced by 3 m² PV-modules and 3 m² of vacuum tube thermal collector tilted 40º towards south. The electrical maximum power at the beam irradiance 900 W/m² is 460 W p Den relative electrical fraction is increasing with the latitude. The annual performance of a non tracking conventional module is higher than that of a tracking module which utilize only beam irradiation. The evaluation of this solar collector is included in the PhD thesis of Luis Chea, University of Eduardo Mondlane, Maputo, Mozambique.

Innehåll 1 Inledning och bakgrund 1 2 Beskrivning av tvåaxlig hybrid 2 3 Geometri och Ljusfördelning 5 4 Analys av solföljningens funktion 11 4.1 Funktion hos solföljning vid stagnation... 14 5 Uppskattning av elutbytet 15 6 Simulering av Energiutbyte 18 6.1 Resultat av simuleringar... 20 6.2 Analys av simuleringar... 21 7 Slutsatser 23

1 Inledning och bakgrund Global Sun Engineering (GSE) i Luleå har utvecklat en unik solfångare som har givits namnet Matarenki Light. Den följer solen och koncentrerar solljuset för att omvandla denna till elektricitet och värme. Matarenki Light är uppbyggd av spegeloptik och solpaneler. Speglarna fokuserar solljuset mot solpanelerna som består av solceller som kyls av en värmeväxlare. Solcellerna alstrar elektricitet medan värmeväxlarna genererar värme. Systemet för solföljning ger flexibilitet i placering eftersom det inte kräver ett tak i söderläge för optimal installation. Den koncentrerande solhybriden installerades på soltaket vid LTH i Lund för utvärderingen. Den är uppbyggd omkring plana speglar i en paraboloid form som följer solen 2-axligt. De plana speglarna innebär att solcellerna får jämn belysning. Figur 1. Tvåaxligt solföljande hybrid för el och värmeproduktion för utvärdering vid Lunds Tekniska Högskola under 2010-2011. Koncentrationen av solljus medför att kylning av solcellerna är nödvändig. Solcellerna lamineras på en glastäckt absorbatorlåda. I denna cirkulerar kylvätskans som slutligen värmeväxlas mot en ackumulatortank. Utvärderingen visar solhybridens funktion och prestanda som solcell och som solfångare. Dess prestanda skall jämföras med konventionella plana solfångare och solceller. Simuleringar genomförs för orter på olika breddgrader och prestandan jämförs med konventionella system. Vidare visas hur förhållandet mellan produktion av värme och el förändras vid olika breddgrader. Denna relation är viktig när solfångaren skall användas i olika system. Utvärderingen av denna solfångare ingår i doktorandstudierna för Luis Chea vid Eduardo Mondlane Universitetet i Moçambique. 1

2 Beskrivning av tvåaxlig hybrid Figur 2 visar en komplett modul med speglar, solföljare och hybridabsorbator. Solföljaren är uppbyggd omkring en box med fotodioder monterade i fyra riktningar som styr solföljningen, figur 3. Principen för denna typ av solföljning är att skillnaden mellan två motstående fotodioder ger utsignal till rörelse. Styrningen roterar riggen till öster gränsläge när en extra fotodiod på toppen av boxen registrerar att det har blivit natt, så att speglarna står i rätt läge på morgonen. När riggen står riktad mot solen reflekterar speglarna strålningen mot absorbatorn. Absorbatorn består av ett stort antal seriekopplade solceller. Seriekopplingen innebär att den solcell som tar emot minst strålning begränsar strömmen i kretsen och utbytet. Kravet att åstadkomma samma totala instrålning mot alla celler, så att dessa genererar samma ström är den viktigaste och svåraste uppgiften i konstruktionen. Det är också denna egenskap som gör konstruktionen unik. Utvärderingen av systemet inriktades av denna anledning på att analysera den optiska funktionen hos speglar, absorbator och solföljning. Figur 2. Spegelrigg med den västra kollektorn monterad för test av värmeutbyte. Absorbatorerna skuggar de två centrumspeglarna. 2

Spegelytorna får strukturell styvhet genom att vara limmade mot varandra så att de bildar ett dubbelkrökt skal, figur 2. Speglarna samverkar även konstruktivt med stålställningen, figur 5. Spegelytorna har största projicerade bredd 3 m och höjd 1,7 m. Avståndet mellan spegelhalvorna i figur 2 är 0,48 m. Avståndet mellan en mittspegel och absorbatorytan är 1,47 m, vilket alltså motsvarar paraboloidens fokalavstånd. Absorbatorerna är vinklade ut mot respektive spegelgrupp 16,5, figur 2. Absorbatorn består av en glasad låda där värmebäraren rinner. Glasningen är avsedd att minska värmeförlusterna från den termiska absorbatorn. I en komplett enhet lamineras solcellerna på absorbatorn under glaset. Absorbatorn visas snett från framsidan i figur 2 och bakifrån i figur 3. Absorbatorlådan har utrymme för att isoleras termiskt för att maximera det termiska utbytet. Figur 3 Absorbatorlåda med vattenanslutning, luftning och temperaturgivare Figur 4. Blå box med fotodioder som känner av solens position Ställdonet för den tvåaxliga solföljningen visas i figur 2 och figur 5. Speglarna vrider sig omkring den vertikala axeln för att få rätt azimutvinkel och kolven i figur 2 rör sig till korrekt solhöjd. Kravet på stabilitet och optisk noggrannhet vid höga vindlaster kräver att systemet är mekaniskt stabilt. De plana speglarna som limmas kant i kant visas bakifrån i figur 6. Speglarna består i denna prototyp av standardglas med hög halt av järnoxid som är försilvrad på baksidan. Detta skapar absorption i glaset och minskar reflektansen. 3

Figur 5. Ställdon för den tvåaxliga solföljningen. En lågvoltsmotor roterar riggen horisontellt via en kuggkrans Figur 6 De plana speglarna i fasett montage. Fogarna mellan glasen är limmade och spegeln samverkar med stålställningen genom att bilda ett styvt dubbelkrökt skal. 4

3 Geometri och Ljusfördelning Solfångarhybriden har två kollektorer med var sin 3 3 spegelgrupp. Spegeln i mitten i höjdled och närmast mittaxeln är en dummy eftersom den helt skuggas av kollektorn. Den ingår dock i det dubbelkrökta skalet och bidrar till stabiliteten. Det blir därför 8 aktiva speglar på var sida. Kollektorerna är vinklade något utåt så att ljuset från mittspegeln faller vinkelrätt in på kollektorytan. Konstruktions viktigaste egenskap är att ge jämn ljusintensitet på absorbatorns seriekopplade solceller. Därför analyseras denna egenskap i detalj i rapporten. Ett konventionellt koncentrerande system i två dimensioner är vanligen uppbyggt omkring ett paraboliskt tråg och ett system i tre dimensioner är uppbyggt omkring en parabolisk disk. Denna har ett tvärsnitt som en parabol och samma geometri som en TV-parabol. Detta system är uppbyggt av plana speglar i ett fasettmönster inskrivna i en paraboloid. De plana speglarna är valda för att ge jämn ljusintensitet på solcellerna. Paraboloidformen gör att infallsvinklarna mot de olika speglarna varierar. Det innebär vidare att arean från reflexen av speglarna på absorbatorn kommer att variera mellan speglarna. För att kompensera denna effekt måste speglarna tillverkas med olika area och form. Figur 7 illustrerar tydligt att speglarna inte är rektangulära Det betyder att det optiska systemet bli komplext och måste utformas och tillverkas med stor noggrannhet. Figur 7 Fotograf placerad på dubbla fokalavståndet och sedd från 9 olika vinklar i speglarna. Kollektorerna är inte monterade. 5

ELFORSK Figur 8 visar hur speglarna fungerar. Fotografen är placerad på dubbla fokalavståndet och sedd av speglarna från 9 olika vinklar. Kollektorerna är inte monterade, vilket ger fri sikt från kameran mot alla speglar. Figur 8 Uppmätta tvärsnittsmått på de 6 speglarna. I figur 8 redovisas de olika speglarnas ungefärliga mått. Den totala spegelarean för 9 speglar är 2,08 m2. Om den skuggade centrumspegeln räknas bort blir ytan 1,90 m2. Kollektorlådornas yttermått skall dimensioneras så att de exakt täcker centrumspeglarna. Om kollektorlådornas yttermått överskrider de dimensionerande måtten kommer tre speglar plus tre speglar att skuggas och utbytet faller drastiskt. Figur 2 visar att den ljusa fogmassan runt dummyspegeln precis är skuggad av kollektorlådan, vilket indikerar rätt dimensionerande yttermått. Speglarna är icke rektangulära och helt plana. Det innebär att en mätning av reflexens position för samtliga aktiva speglar ger en beskrivning av ljusfördelningen. För att analysera på ljusfördelningen 6

över kollektorytan monterades en skiva på positionen för kollektorn. Därefter täcktes speglarna med undantag för en så att bilden av spegeln på absorbatorytan kunde fotograferas. Detta upprepades för alla 8 aktiva speglarna i den östra spegelgruppen. Resultaten redovisas i figurerna 10 och 11 i 3 3 matriser med den vänstra kolumnen för speglarna närmast centrumaxeln sett från solen. Figur 9. Mätning av funktion hos de enskilda speglarna. Alla speglar utom en skuggas och reflexen från denna på absorbatorn fotograferas. Figur 9 visar hur alla speglar utom en skuggas vid fotograferingen. Den centrala dummy-spegeln är dock alltid skuggad av absorbatorn. Den aktiva spegeln i övre hörnet i den vänstra bilden speglar den blå himlen och förefaller skuggad. I den högra bilden är den övre mittspegeln aktiv. Spegeln i övre hörnet har en ljusare yta än täckningen på de övriga speglarna. I figur 10 visas resultaten från de individuella speglarna. Den ljusa delen av fotot visar bilden av spegeln på absorbatorn. De delar som ser skuggade ut får alltså ingen reflex. Eftersom fotona är tagna mot solens riktning blir de spegelvända i förhållande till redovisningen i 3 3 matrisen. Exempelvis ser man i den nedre vänstra bilden en skuggning i fotots högra del. Detta orsakas av att den nedre spegeln inte är utsträckt nog i riktning mot centrumaxeln. Då denna procedur genomfördes riktades solföljningen vid varje fotografering in manuellt i linje med stativarmen. Resultatet visar att den komplicerade optiken i princip fungerar bra och som förväntat. Bilderna visar också att utbytet ökar om optiken kan finjusteras. En ideal, plan spegel förändrar inte koncentrationen av det reflekterade ljuset. Det reflekterade ljuset har samma intensitet uppmätt vinkelrätt mot strålningsriktningen som det infallande ljuset. Strålningen intensitet mot absorbatorn är proportionell mot cosinus infallsvinkeln. Bidraget till instrålningen mot absorbatorytan från varje enskild spegel blir då direkt solstrålning cosinus för det infallande ljuset mot absorbatorytan. För att få intensitetens fördelning över absorbatorytan superponeras bidragen från varje individuell spegel. I figur 11 visas reflexbilderna från figur 10 tillsammans med infallsvinklarna och cosinus för infallsvinklarna mot absorbatorn. 7

ELFORSK Teoretisk koncentrationsfaktor erhålls genom att summera cosinus för infallsvinklarna för de åtta aktiva speglarna. Då har antagits att reflexerna från speglarna idealt exakt täcker absorbatorns area. Den verkligt praktiskt uppnådda koncentrationsfaktorn fås om speglarnas areor korrigeras med de aktivt belysta areorna i figur 11. Dessutom tillkommer optiska förluster p.g.a reflektionsförluster i speglarna och absorptionsförluster i absorbatorlådornas täckglas. Position för dummyspegel Figur 10. Foton av reflexer från individuella speglar på absorbatorytan. Den ljusa delen av fotot visar bilden av spegeln på absorbatorn. De delar som ser skuggade ut får ingen reflex. 8

Incidence angle 25 Cos 25 = 0.91 Incidence angle 18 Cos 18 = 0.95 Incidence angle 23 Cos 23 = 0.92 Incidence angle 0 Cos 0 = 1 Incidence angle 16 Cos 18 = 0.96 Incidence angle 25 Cos 25 = 0.91 Incidence angle 18 Cos 18 = 0.95 Incidence angle 23 Cos 23 = 0.92 Figur 11. Skuggbilder uppritade på absorbatorytan med ledning av fotona. Observera att bilderna är spegelvända i förhållande till 3 3 matrisen på samma sätt som för fotona. Uppmätta infallsvinklar för ljuset mot absorbatorytan liksom cosinusfaktorn visas för varje spegelreflex. Med värdena på vinklarna för infall mot absorbatorplanet i figur 11 kan man summera bidragen till koncentrationsfaktorn från 8 ideala speglar. Teoretisk koncentrationsfaktor med ideala speglar och utan täckglas blir då: 9

2 cos 25 +1 cos 0 +2 cos 18 +1 cos 16 +2 cos 23 = 7,52 Det innebär att cosinusberoendet korrigerar koncentrationsfaktorn med en faktor: 7,52/8 = 0,94 Absorbatorn har måtten 0,442x0,556=0,246 m². Den upptagande arean ges då av 7,52x0,246=1,85 m². När ett spegelfält med 3 3 speglar har en stor krökningsradie får de omslutande speglarna runt centrumspegeln nära 90 hörnvinklar, men om krökningsradien minskar, alltså om fokalavståndet minskar, måste hörnvinklarna minska för att krökningen skall öka.. Vid mindre fokalavstånd förloras en triangelformad bit spegelyta som då orsakar en triangelformad skugga på absorbatorn. Detta kan man se på skuggbilderna i figur 11 för hörnspeglarna i övre och undre raden. Den övre raden speglar är utformade symmetriskt med den undre raden och borde ge samma reflexbilder som den nedre, men alla tre uppritade skuggbilderna från den nedre raden i figur 11 uppvisar en skugga i vänstra kanten. Detta tyder på att speglarna har rätt vinkelförhållande inbördes men att hela spegelfältet har en liten vinkelavvikelse som borde gå att justera genom att korrigera infästningarna. Om man utgår från att den nedre spegelraden kan få samma reflexbild som de övre, och om man dessutom drar ifrån ytan från den ca 1 cm breda ramen på kollektortäckningen, blir effekterna av skuggning i kanterna obetydlig. Avståndet mellan mittspegeln och absorbatorytan, d.v.s fokalavstånde är 1,48 m. Detta relativt korta avstånd mellan speglar och absorbatorn innebär att: Infallsvinklarna mot absorbatorn bli relativt stora med högre förluster som följd. Ramen runt absorbatorn ger mera skuggningen längs ramens periferi. Spegelreflexerna blir mindre rektangulära och mer rombiska. Detta gör att ljuset kan utnyttjas mindre och att man får en uttunnad ljusbild i hörnen på absorbatorn. Spegelgeometrin blir mer komplicerad att åstadkomma. Spegelytorna ökar och de olika speglarna får mera varierad storlek. Belastningen på mekaniken för solföljning minskar. Belastningen av moment på konstruktionen från tyngd och vindlast minskar. Spegelarean får en mer krökt form och bli då styvare och starkare. 10

4 Analys av solföljningens funktion Den dubbelaxliga drivningen för solföljningen är primärt avsedd för plana solfångare. Motorerna drivs med lågspänning och endast en motor är inkopplad samtidigt vid automatisk funktion för att reducera krav på hög maxeffekt. En box med fotodioder monterade i fyra riktningar styr solföljningen, figur 4. Boxens kanter där dessa fyra fotodioder är monterade får släpljus så att även en liten ändring i vinkel ger en stor skillnad i utsignal för två motstående fotodioder. För att solföljningen skall hitta solen på morgonen roterar styrningen riggen till öster gränsläge när en extra fotodiod på toppen av boxen registrerar att det har blivit natt Principen för denna typ av solföljning är att skillnaden mellan två motstående fotodioder ger utsignal till rörelse. Om den ena sidan av himlen har ett starkt belyst moln driver solföljningen iväg mot molnets riktning. Detta brukar kallas hunting, d.v.s. solfångaren jagar molnet. Systemet har alltså ingen mjukvara som beräknar solens läge. En optiskvinkelgivare utvecklades för att kunna analysera noggrannheten i funktionen hos systemets solföjare. Den visas i figurerna 12a och 12b. Denna givare monterades på solfångarens stativ, där den visar solföljningens eventuella missvisning. Optiska positionsgivare mäter en position för tyngdpunkten för en ljusfläck som faller mot en utsträckt fotodiod med dubbla katoder placerade i diodens ytterkanter. Positionen fås genom ett linjärt förhållande mellan de två strömmarna som genereras. Boxen på bilden är fäst på det solföljande stativet för att registrera avvikelser i solföljningen i två riktningar. Avståndet mellan slitsarna i locket och positionsgivarna på basplattan är 36 mm. Positionsgivarna är 6 mm långa. Ljus från stora reflekterande molnytor stör de fyra dioderna på systemets solföljningen i figur 4 eftersom de i princip registrerar skillnaden i ljus mellan två motställda halvsfärer (Öst Väst, Upp Ner). Positionsgivaren i figur 12 som registrerar vinkelavvikelser däremot reagerar inte för ljus som faller utanför det snäva området som bildas av de optiska positionsgivarna. Dessutom monterades en enkel mekanisk vinkelgivare som består av en potentiometer på stativet så att vinkeln mellan horisontalplanet och speglarnas huvudaxel kunde registreras kontinuerligt. Det innebär att solföljningens funktion kunde kontrolleras. Om värdet från den optiska positionsgivaren i figur 12 som ger vertikal avvikelse mellan speglarnas huvudaxel och solinfallet adderas till värdet från den mekaniska vinkelgivaren som mäter stativets vinkel fås den korrekta solhöjden om givarna mäter tillräckligt noggrant. Detta illustreras i figur 13. 11

ELFORSK Figur 12a. Box för optisk mätning av vinkelavvikelse för solföljningen i två riktningar. Figur 12b. Nedre delen visar de smala slitsar som släpper igenom ljus till tvärställde optiska positionsgivare. Positionsgivarna visas på övre delen av bilden omgivna av ramar av svart sammet. 12

28 27 26 25 Solhöjd [ ] Solföljning [ ] Solhöjd mätt med kompensation med optisk vinkelgivare 24 Solhöjd [ ] 23 22 21 20 19 18 16:45 17:00 17:15 17:30 17:45 Figur 13 Diagrammet illustrerar ett tillfälle när solföljningen släpper p.g.a att ljusa moln uppträder och s.k. hunting uppstår. Kurva för beräknad korrekt solhöjd(blå) solhöjd mätt med mekanisk vinkelgivare på stativet(röd) samt mätt solhöjd korrigerad med den optiska givaren(grön). Figur 13 visar en dag när systemets solföljning går fel p.g.a. ljusa moln lurar systemets optiska givare. I denna figur visas också den korrekta solhöjden och en solhöjd som beräknats med hjälp av mätningar av den egna optiska mätaren från figur 12 som sitter på stativet. Värdet från den mekanisk potentiometer vinkelgivaren på stativet tillsammans med kompensationen med värdet för optisk avvikelse ger en god överensstämmelse med verklig solhöjd. Detta demonstrerar att funktionen för den optiska vinkelgivaren i figur 12 är god. För denna typ av elproducerande koncentrerande rigg är det nödvändigt att ha en finjustering av solföljningen. För denna rigg är det är planerat att skillnaden i ström genom motstående solceller vid kanten av absorbatorn skall ge en styrsignal för finjusteringen, se figur 15. 13

80 70 60 50 Solhöjd [ ] 40 30 20 Solföljning Solhöjd 10 0 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Figur 14. Bilden illustrerar hur solföljningen arbetar en delvis molnig dag. Vid helt mulen himmel är normalt zenitdelen av himlen ljusast och solföljningen ställer in sig mot högsta solhöjd som är 75 när den inte känner av solen. Denna effekt visas i figur 14, som visar hur solföljningen fungerar under en dag som periodvis är helt igenmulen. Ställhastigheten är i storleksordningen 1 minut på 10 och är inte helt försumbar. Figuren visar att när solstrålningen registreras av givarna i figur 4 ställer systemet in sig mot korrekt vinkel. 4.1 Funktion hos solföljning vid stagnation Den höga koncentrationsfaktorn innebär att kollektorn inte tål den höga stagnationstemperatur som uppstår vid solföljning och bortfall av cirkulation av kylvätska i kretsen. Kollektorerna måste då ha temperaturgivare som ger signaler så att styrningen ställer spegelriggen off-focus. Eftersom riggen skall ha givare för fininställning av solföljningen monterade i absorbatorn kan en givare för övertemperartur enkelt kombineras med denna funktion så att riggen lämpligen rör sig mot öster vid registrerad övertemperatur. 14

5 Uppskattning av elutbytet Kollektorn är ännu inte försedd med solceller, så utbytet måste uppskattas. Genom att beräkna koncentrationsfaktorn för den direkta solstrålningen mot kollektorytan och med en känd verkningsgrad för solcellen kan ett utbyte beräknas. Det finns olika alternativ för att koppla samman solcellerna. Principen är att alla cellerna i kärnområdet seriekopplas, men däremot cellerna runt periferin parallellkopplas. Cellerna uppe och nere respektive öst och väst parallellkopplas innan de seriekopplas med de övriga cellerna enligt figur 15. Det innebär att en låg ström i en kantcell inte blir begränsande eftersom den motstående parallellkopplade cellen då får hög ström. Paralellkopplas ingen solcellsyta Paralellkopplas Kärnarea Paralellkopplas 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5m Figur 15 Uppdelning av ytorna för solceller på absorbatorn. Kärnarean antas ha måtten 0.34 0.46=0.1564 m 2. Solcellerna längs kanterna antas ha måtten 0.040 (2 0.34+2 0.46)=0.064 m 2 De parallellkopplade cellerna i kantzonerna behöver bara alstra hela strömmen tillsammans för att matcha de övriga cellerna. Om kärnarean hade täckt hela ytan och någon cell då hade blivit belyst med mindre än omkring 90 % hade denna cell bromsat strömmen och denna cell hade fått en kraftig bromsande backspänning. Om man utgår från att solcellerna är uppdelade i grupper med by-passdioder hade denna diod kopplat bort gruppen med ett åtföljande spänningsfall på motsvarande 1,5 solceller ytterligare i förlust. Förlusteffekten ger dessutom lokal värmeutveckling som kan skada solpanelen. Med parallellkopplade celler i kantzonen får man ett förlåtande, robust system på bekostnad av en något mindre maximal eleffekt. Figurerna 16 och 17 illustrerar med ett exempel marginalerna vid obalans i ström p.g.a. ojämn belysning på seriekopplade solceller. I detta exempel är maxeffektströmmen I mp en faktor 0,891 av kortslutningsströmmen I sc. Om de övriga solcellerna i kretsen förmår då producera 1,1 strömmen i maxeffektpunkten reduceras spänningsbidraget från denna mindre belysta cellen relativt lite. Om däremot de övriga cellerna kan producera 1,13 15

strömmen i maxeffektpunkten för cellen i diagrammet spärrar solcellen strömmen och en stor backspänning uppstår. Detta tydliggörs i figur 17. 6 5 Maximum Power Point 4 I [A] 3 0.891 I sc 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 U [V] Figur 16 Exempel på en uppmätt IV-kurva för 20 solceller och maxeffektpunkten markerad. 13 52 1.13 I MPP 12 48 11 0.78 I MPP I MPP 1.1 I MPP 44 10 40 9 36 8 32 U [V] 7 6 5 4 3 2 1 28 24 20 16 12 8 4 P [W] 0 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Figur 17 Identisk kurva som i Figur 16 men med spänningen och effekten som funktion av strömmen och känsligheten för överströmmar illustrerade. I [A] 16

1 2 0.9 1.8 0.8 1.6 Transmission, 10 mm glas 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Transmission sol Exempel på relativ känslighet för kisel 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Direkt solinstrålning [W/(m2 nm) 0.2 0.4 0.1 0.2 0 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 ljusvåglängd [μm] Figur 18. Den direkta solinstrålningens våglängdsfördelning och absorptionen för 10 mm standardglas. Absorptionen för detta glas motsvarar ungefär absorptionen i speglar och täckglas i aktuellt system. Känslighetskurvan för kisel är inlagd i figuren. Den testade protypen har järnhaltigt glas i täckglas och speglar. Detta glas har relativt kraftig absorption för vissa våglängder. Effekterna av detta illustreras i figur 18. Denna figur visar att det är angeläget att använda järnfritt glas med hög transmittans i glas och speglar. Detta är motiverat även om kostnaden för komponenterna blir högre. 17

6 Simulering av Energiutbyte Energiutbytet från system har simulerats för Stockholm och Madrid. I dessa simuleringar har antagits att systemet förses med solcell med verkningsgraden 16 %. Systemets optiska verkningsgrad antas vara 0,80. Vidare har antagits att solfångardelen får en optisk verkningsgrad på 0,60 och U-värdet 1(W/m²,K) beräknat per reflektorns apperturarea. Det innebär att 80 % av den direkta solinstrålningen mot speglarna når solcellen och att av denna omvandlas 16% till elektricitet och resten blir värme, d.v.s omkring 60 %. Värmeproduktionen beräknas vid en medeldrifttemperatur av 50 C. Tabell 1. Global och direkt instrålning mot tvåaxligt solföljande yta, enaxligt solföljande yta som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt en fast yta som lutar 30 mot söder. Utbytet har simulerats för plan PV-modul, vakumrörsolfångare, koncentrerande solcell och en koncentrerande solfångare. Madrid vid latitud 40.3. Madrid Global instrålning (kwh/m²,år) Direkt instrålning (kwh/m²,år) Plan solcell 1 (kwh/m²,år) Vakuumrör 2 (kwh/m²,år) 50 C Utbyte för solfölj. konc solcell 3 Utbyte för solfölj. konc solfångare 4 30 söder 1861 1191 278 1115 - - Sol-följ 1991 1317 300 1295 214 685 1ax,ö-v (solföljande) (solföljande) Sol-följ 2-ax 2592 1786 393 (solföljande) 1702 (solföljande) 298 994 1)Solcellen har 16 % verkningsgrad. 2)Vakuumröret har optisk verkningsgrad η 0 -beam=0,80, U-värde=2(W/m²,K) 3) Den koncentrerande solcellen har 16 % verkningsgrad och accepterar 10% av den diffusa instrålningen. Inga optiska förluster har antagits. 4)Koncentrerande solfångare har optisk verkningsgrad η 0 -beam=0,60, η 0 - diffus=0,10, Uvärde=1,0 (W/m²,K). Modellerna 3&4 representerar Global Sun Engineerings hybridsystem. Om det 2-axligt solföljande koncentrerande hybrid systemet har den optiska verkningsgraden γ=80 % kommer det att årligen ge: Elproduktion: 0,8*298=240 kwh/m²,år Värmeproduktion: 994 kwh/m²,år Om det 1-axligt solföljande koncentrerande hybrid systemet har den optiska verkningsgraden γ=80 % kommer det att årligen ge: Elproduktion: 0,8*214=170 kwh/m²,år Värmeproduktion: 685 kwh/m²,år Det fasta systemet kommer det att årligen ge: Elproduktion: 278 kwh/m²,år Värmeproduktion: 1115 kwh/m²,år 18

Tabell 2. Global och direkt instrålning mot tvåaxligt solföljande yta, enaxligt solföljande yta som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt en fast yta som lutar 30 mot söder. Utbytet har simulerats för plan PV-modul, vakumrörsolfångare, koncentrerande solcell och en koncentrerande solfångare. Stockholm vid latitud 59,2. Stockholm Global instrålning (kwh/m²,år) Direkt instrålning (kwh/m²,år) Plan solcell 1 (kwh/m²,år) Vakuumrör 2 (kwh/m²,år) 50 C Utbyte för solfölj. konc solcell 3 Utbyte för solfölj. konc solfångare 4 30 söder 1164 632 173 640 - - Sol-följ 1255 718 188 704 119 335 1ax,ö-v (solföljande) (solföljande) Sol-följ 2-ax 1563 993 241 (solföljande) 947 (solföljande) 168 511 1)Solcellen har 16 % verkningsgrad. 2)Vakuumröret har optisk verkningsgrad η 0 -beam=0,80, U-värde=2 (W/m²,K) 3) Den koncentrerande solcellen har 16 % verkningsgrad och accepterar 10 % av den diffusa instrålningen. Inga optiska förluster har antagits. 4)Koncentrerande solfångare har optisk verkningsgrad η 0 -beam=0,60, η 0 - diffus=0,10 U värde=1,0 (W/m²,K). Modellerna 3&4 representerar Global Sun Engineerings system. Om det 2-axligt solföljande koncentrerande hybrid systemet har den optiska verkningsgraden γ=80 % kommer det att årligen ge: Elproduktion: 0,8*168=135 kwh/m²,år Värmeproduktion: 511 kwh/m²,år Om det 1-axligt solföljande koncentrerande hybrid systemet har den optiska verkningsgraden γ=80 % kommer det att årligen ge: Elproduktion: 0,8*119=95 kwh/m²,år Värmeproduktion: 335 kwh/m²,år Det fasta systemet kommer det att årligen ge: Elproduktion: 173 kwh/m²,år Värmeproduktion: 640 kwh/m²,år Antagande innebär att den elektriska effekten från systemet vid 900 W/m² direkt instrålning ges av: γ* η*a*i=0,8*0,16*4m²*900w/m²=460 W p toppeffekt. 19

6.1 Resultat av simuleringar Den globala instrålningen mot fast yta är högre än den direkta instrålningen mot en tvåaxligt solföljande yta på i Madrid och Stockholm enligt figurerna 19 och 20. Global Sun systemet med arean 4 m² ger 950 kwh/m²,år el och 4000 kwh/m²,år värme i Madrid. I Madrid kan den ersättas av 3,5 m² solcells moduler och 3,5 m² vakuumrör i söderläge. Global Sun systemet med arean 4 m² ger 540 kwh/m²,år el och 2000 kwh/m²,år värme i Stockholm I Stockholm kan den ersättas av 3 m² solcells moduler och 3 m² vakuumrör. Den elektriska effekten från systemet vid 900 W/m² instrålning är 460 W p Den relativa andelen elektrisk energi ökar med ökande latitud. Elutbytet från en fast PV- modul, en koncentrerande enaxlig öst-västlig solföljande PV-modul samt en tvåaxligt solföljande PV-modul förhåller sig som: 1-0,6-0,85 i Madrid enligt figur 21. Elutbytet från en fast PV- modul, en koncentrerande enaxlig öst-västlig solföljande PV-modul samt en tvåaxligt solföljande PV-modul förhåller sig som: 1-0,5-0,8 i Stockholm enligt figur 22. Den koncentrerande modulen förutsätts utnyttja 10 procent av den diffusa instrålningen och ha en optisk verkningsgrad av 0,80. 20

6.2 Analys av simuleringar kwh/m²,år 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Instrålning Madrid 30 direkt direkt Fast 1-ax, ö-v 2-ax följ Figur 19 Global Solinstrålning mot fast yta lutande 30 mot söder, direkt instrålning mot en 1-axligt solföljande yta som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt direkt instrålning mot en 2-axligt solföljande yta i Madrid. 1400 1200 Instrålning-Stockholm 1000 kwh/m²,år 800 600 400 200 0 40 direkt direkt Fast 1-ax, ö-v 2-ax följ Figur 20. Global Solinstrålning mot fast yta lutande 30 mot söder, direkt instrålning mot en 1-axligt solföljande yta som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt direkt instrålning mot en 2-axligt solföljande yta i Stockholm. 21

300 250 Elutbyte-Madrid kwh/m²,år 200 150 100 50 0 30 direkt direkt Fast 1-ax, ö-v 2-ax följ Figur 21. Elutbyte för en fast PV-modul lutande 30 mot söder, elutbyte för en 1-axligt solföljande koncentrerande solcell som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt elutbyte för en 2-axligt koncentrerande PV-modul i Madrid. kwh/m²,år 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Elutbyte-Stockholm 40 direkt direkt Fast 1-ax, ö-v 2-ax följ Figur 22. Elutbyte för en fast PV-modul lutande 30 mot söder, elutbyte för en 1-axligt solföljande koncentrerande solcell som vrider sig omkring en öst-västlig axel samt elutbyte för en 2-axligt koncentrerande PV-modul i Madrid. 22

7 Slutsatser En avancerad tvåaxligt solföljande solfångare som ger både el och värme utvecklas av företaget Global Sun Engineering i Luleå. En prototyp av denna solfångare har uppförts på sollaboratoriet i Lund. Funktionen hos denna solfångare har testats och analyserats. Solfångarhybriden har två kollektorer med varsin 3 3 spegelgrupp. Konstruktionens viktigaste egenskap är att ge jämn ljusintensitet på absorbatorns seriekopplade solceller. Därför analyseras denna egenskap i detalj i rapporten. Analysen visar att optiken ger jämn belysning på absorbatorn och den optiska principen med plana speglar för jämn belysning fungerar. Utbytet kan dock öka genom en finjustering av geometri och optik. Solföljningen fungerar tillfredsställande. Den bör kompletteras med en finjustering med optiska givare. Hur det kan göras presenteras i rapporten. Det är angeläget att systemet har en funktion för snabb avställning vid alltför höga drifttemperaturer. Den elektriska kopplingen av solcellerna i en kärndel och en randdel har förutsättningar att fungera och skapa ett robust system som är relativt okänsligt för små fel i solföljningen. Simuleringar av systemets årsutbyte har gjorts med vissa antaganden om systemets prestanda. Denna visar att: Den globala instrålningen mot en fast södervänd yta är högre än den direkta instrålningen mot en tvåaxligt solföljande yta i Madrid och Stockholm Global Sun-systemet med arean 4 m² ger 950 kwh/år el och 4000 kwh/år värme i Madrid. I Madrid kan den ersättas av 3,5 m² konventionella solcellsmoduler och 3,5 m² vakuumrör i söderläge. Global Sun systemet med arean 4 m² ger 540 kwh/år el och 2000 kwh/år värme i Stockholm I Stockholm kan den ersättas av 3 m² konventionella solcellsmoduler och 3 m² vakuumrör i söderläge. Den elektriska effekten från systemet vid 900 W/m² direkt instrålning är 460 Wp Den relativa andelen elektrisk energi ökar med ökande latitud. En fast monterad PV-modul lutad i optimal vinkel mot söder ger dubbelt så högt elutbyte som en koncentrerande öst-västligt solföljande modul och 10-20 procent högre utbyte än en tvåaxligt koncentrerande solföljande modul 23