Metoder för att öka utbytet från stationära koncentratorer med standardsolceller Johan Nilsson Avd. f. Energi & ByggnadsDesign, Lunds tekniska högskola Disposition Bakgrund Metod för att utvärdera olika förändringar på existerande system Hur påverkar olika förändringar årsutbytet Hur ska man bygga nya stationära koncentratorer?
Bakgrund Nuvarande geometrier
Fördelar med stationära koncentratorer Ersätter dyr solcellsyta med billig reflektoryta Kräver ingen solföljning Möjligt att använda standardsolceller Enkla att byggnadsintegrera Problem med stationära koncentratorer Ojämn ljusfördelning Ljusfördelning över cellerna Ström-spänningskarakteristik Koncentration 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Avstånd från fokalpunkten (mm) Ström (A) 12 10 8 6 4 2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Cellspänning (V)
Problem med stationära koncentratorer 1 0,9 0,8 Reflektionsförluster Optisk verkningsgrad 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Solhöjd (º) Utvärderingsmetod
Ny metod för att utvärdera systemförbättringar Optiska simuleringar Elektriska simuleringar Ljusfördelningar IV-kurvor, maxeffektpunkter Årsutbytessimuleringar Systemförbättringar
Systemförbättringar Reflektormaterial med högre reflektans 16 14 12 Ström (A) 10 8 6 4 2 0 Reflektans 85% Reflektans 96% 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Cellspänning (V) Systemförbättringar Reflektormaterial med högre reflektans Reflektansen ökade med 13% Årsutbytet ökade med 13% Ökningen av årsutbytet är proportionell mot reflektansökningen
Systemförbättringar Absorbatorns lutning Längs optiska axeln Med 15º lutning Systemförbättringar Absorbatorns lutning Ljuskoncentration 40 35 30 25 20 15 10 Längs optiska axeln Lutande i 15º Ström (A) 14 12 10 8 6 4 5 0 0 20 40 60 80 100 120 Avstånd från fokalpunkten (mm) 2 0 Längs optiska axeln Lutande i 15º 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Cellspänning (V)
Systemförbättringar Absorbatorns lutning 5% högre årsutbyte för systemet med absorbatorn lutande i 15º Högre verkningsgrad för diffust ljus Bättre fill factor kring acceptansvinkeln Systemförbättringar Högre verkningsgrad för diffust ljus Inte ovanligt att 50% av den totala instrålningen mot en yta är diffus
Systemförbättringar Strukturerade reflektorer Jämnare ljusfördelning Större acceptansområde
Strukturerade reflektorer Jämnare ljusfördelning 80 70 Strömtäthet (A/cm 2 ) 60 50 40 30 20 10 0 Referens, celler mot övre reflektor Referens, celler mot nedre reflektor Strukturerad, celler mot övre reflektor Strukturerade, celler mot nedre reflektor 0 0,2 0,4 0,6 Cellspänning (V) Strukturerade reflektorer Större acceptansområde 1 0,9 0,8 Optisk verkningsgrad 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Slät reflektor Strukturerad reflektor 0 20 40 60 80 Solhöjd (º)
Strukturerade reflektorer 20% ökning av årsutbytet är möjligt om tråget öppnas upp för att utnyttja det större acceptansintervallet Lägre temperatur i hot spots gör systemet mindre beroende av kylning Systemförbättringar Ljusspridande reflektormaterial Normerad spridningsintensitet 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 X-riktning Y-riktning Aluminiumreflektor med valsrepor 0-30 -20-10 0 10 20 30 Spridningsvinkel ( )
Systemförbättringar Ljusspridande reflektormaterial Celler mot nedre reflektorn Celler mot nedre reflektorn Instrålning (W/m 2 ) 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Slät reflektor Spridande, repor längsgående Spridande, repor på tvären 0 25 50 75 100 125 Avstånd från fokalpunkten (mm) Ström (A) 14 12 10 8 6 4 2 Slät reflektor Spridande, repor längsgående Spridande, repor på tvären 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Cellspänning (V) Systemförbättringar Ljusspridande reflektormaterial 3% ökning av årsutbytet med reporna i längsriktningen 4% ökning med reporna på tvären Viktigt att inte minska totalreflektansen, om den minskar från 85% till 82% i detta exempel vinner man ingenting!
Slutsatser Högre reflektans ger alltid högre utbyte Strukturerade reflektorer ger högre utbyte pga jämnare ljusfördelning och större acceptansområde (20%) Underskatta inte det diffusa ljuset! (50% av instrålningen) Spridande reflektorer kan ge högre utbyte om totalreflektansen är oförändrad (3-4%) Ändrig av absorbatorvinkeln kan ge en liten ökning av årsutbytet (5%)
Arontis Solar Concentrator AB 1 Hur ska framtidens energi produceras? Gigantisk omställning från fossila bränslen Varken vind, våg, bioenergi räcker till 1,65 miljarder människor utan elnät Det behöver investeras 35 000 miljarder i ny elproduktion till år 2030 - kol och olja? 2
Solenergi är lösningen! Solcellssystem för 40 mdkr installerades 2006 i Tyskland, 50.000 anställda CSP: Solar Millennium, Ausra 40% tillväxt Photon Solar Annual 2007: 2007: 4 GW 2011: 20 GW Operational profit: 20 miljarder kr 300 miljarder Conergy, First Solar, Q-cells, REC, SolarWorld, SunPower, Suntech, Wacker. 3 Vad skall Sverige bli bäst i världen på? Doktorer och presenterade papers Tunnfilm Koncentrerande system PV + T Sex doktorer Över 20 exjobbare PVSEC: 3 av 8 presenterade svenska bidrag Koncenterande system passar svensk industritradition - F&U, komplexa system, massproduktion, plåtbearbetning (jfr. bilindustrin) 4
Nackdelar med solceller Låg verkningsgrad, 10% 20% Traditionella solcellssystem dyra att producera Massproduktion kräver stora investeringar i nya högteknologiska fabriker Det dröjer till år 2040 innan 20% av elen kommer från solen 50 000 miljarder behöver investeras 5 En snabbare väg: Koncenterande system PV/T Kombinerar produktion av el och värme vilket ger 40 50% energiutbyte Ersätter dyra solceller med billig reflektorplåt Består i huvudsak av materialsatser som lätt kan massproduceras 6
Exempel på PV/T-system 7 Marknadspotential och vision Vår vision är att fastigheter år 2030 ofta är självförsörjande på el och värme 10 miljoner byggnader, 4000 miljarder 8
Solvärme får fler tillämpningar med högre temperaturer Tappvarmvatten Avsaltning Solar Cooling Processvärme Hotell Sjukhus Livsmedelsindustri 9 Kunnande om koncentrerande system bland företag och institutioner Solarus - Blenda Boröpannan SRC Arontis Global Sun Engeneering Uppsala Universitet Lunds Tekniska Högskaola Högskolan Dalarna (Borlänge) Luleå Tekniska Universitet 10
Aktuellt från Arontis Försäljning: 1 MSEK Tre svenska, levererat till Lund och Skule Sex installatörsföretag (NZ, AU, GR, DE, BE, IR) Produktion: 20-serie i produktion 100-serie planeras Forskning och utveckling: Keymark-märkning Vetenskaplig uppsats på till PVSEC Milano Större demoninstallationer 11 IEA SHC Task 35 PV/T 70-tal deltagande experter från hela världen 10 aktiva Arontis Marknadsundersökning LTH provning, PV/T modell Sammaför de i världen som är verksamma inom området, samordnar forskningen 12
PVTnytt.se 350 prenumeranter Nyheter på svenska om solel och PV/T Samarbete med Photon, sammanfattningar Skapa ett nätverk av företag och institutioner SP vintertestning IUC Produktionsteknik 13 23 + 26 Solenergitekninger 10 tjejer! 40 Drifttekniker 14
Utbildning - Företagande - Forskning Solenergilaboratorium Vi skall vara världsledande på reflektorsystem för solceller Sverige har 20 års erfarenhet och ett otal doktorer i ämnet Exploatera reflektormaterial tillsammans med SSAB Söker finansiering hos Sparbanksstiftelsen Norrland 15 Arontis Solar Concentrator AB 16
John Ericssons soldrivna hetluftmotor från 1883 där solljuset koncentrerades på ett luftfyllt rör med samma paraboliska spegelgeometri som vi använder. 17 Koncentrerande system doktorer & exjobbare Prof. Björn Karlsson, Maria Hall, Monika Adsten, Mats Rönnelid, Johan Wennerberg, Johan Nilsson Svante Nordlander, Mikael Svensson, Fredrik Martinsson, Mikael Knutsson, Magnus Persson, André Gustavsson, Alexander Olausson, Erik Pihl, Cecilia Thapper, Emil Larsson, David Lindvall, Andreas Persson, Olle Olsson, Johan Nilsson, Shyam Sundar Shrestha, Magnus Källmark, Tomas Persson, Marcus Gahlin. PVSEC: 3 av 8 involverade koncentrerande system 18