Sol och vind för småskalig elgenerering Frank Fiedler Centrum för solenergiforskning SERC, Högskolan Dalarna 023-778711, ffi@du.se, www.serc.se
Innehåll Solinstrålning, vind Solceller, vindturbiner Solcellssystem! Fristående system! Nätanslutna system! Hybridsystem Marknad Ekonomi
Solinstrålning Instrålning horizontalt [kwh/m 2 ] Källa: European Comission PVGIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Solinstrålning Instrålning söder, 40 lutning [kwh/m 2 ] Källa: European Comission PVGIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Solinstrålning Instrålning söder, 90 lutning [kwh/m 2 ] Källa: European Comission PVGIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Årliga solinstrålning på Sveriges landyta är ~1000 gånger större som totala energianvändning ~2500 gånger större än totala elanvändning!
Solinstrålning Global Solar Radiation (W/m2) 300 250 200 150 100 50 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Kiruna Lulea Umea Ostersund Borlange Karlstad Arlanda Norkoping Goteburg Visby Lund
Solinstrålning (Tyskland)
Vindpotential Today areas wind speed > 6,5 m/s at 70 m height are economically feasible (large WT) Good wind locations in Southern Sweden, coastal areas, Vännern, Vättern and in the mountains
Potential Monthly Average Wind Speed SMHI Weather Stations Wind Speed Average (m/s) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Lund Visby Göteborg Arlanda Nörköping Östersund Borlänge Karlstad Kiruna Luleå Umeå Vaxjö Time in Months
Potential Monthly average wind power and solar radiation [W/m2] 250 200 150 100 50 0 1 Pwind =! Av 2 Solar radiation [W/m2] Wind power [W/m2] Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec 3 Wind power on a suitable location in Sweden can partially even out the low solar radiation during the cold seasons.
Solelteknik Solceller Soltermiska kraftverk Direkt- och diffusstrålning Direktstrålning
Solljus och solceller Källa: M. Ross, Photovoltaics in cold climates
Teknik - Celler 1:a generationen - Kiselceller 2:a generationen - Tunnfilm (mono- och multi-kristallin) (flera olika tekniker och material) Verkningsgrad ~12-20% Verkningsgrad ~5-12% Tjocklek 150-300 µm Tjocklek ~1 µm Tunnfilmsmodul Ångström
Teknik - Celler 3:de generationen (under utveckling) Polymera, Nanokristallina, Fotoelektriska solceller Billiga material Billig tillverkning Än så länge: För låg verkningsgrad Ingen storskalig tillverkning Stabilitetsproblem
Solar Electricity - Photovoltaic Source: NREL
Solcellsteknik Typically 36 cells in series for a 12 V system, each cell has a voltage of 0.5-0.6 V Modules are available in a range between 5W and 300W Voltage (power) is temperature dependent!
Wind turbines
Source: P. Kühn, ISET
Source: P. Kühn, ISET
Commercial products Many manufacturers with variety of products. Unfortunately many unreliable products produced by unreliable companies Manufacturer curves often not measured under standard conditions -> select only products of established manufactures with good references and products tested according to the standards procedures
Example Bergey BWC XL.1 1 kw
Yield prognosis Difficult to give thumb rules 10min or at least 1 hour measured wind data are needed Wind turbine power curve tested derived using international test standard
Links: http://www.greenspec.co.uk/html/energy/windturbines.html http://www.bwea.com/small/index.html http://www.micropower.co.uk/ http://www.smallwindindustry.org/ Market survay: Sun and Wind Energy 1-2010, Small turbines with large potential, Page 108-114
Solcells- och hybridsystem Fristående system,! med batteri - överskottsenergi lagras,! utan batteri - energi förbrukas direkt Ofta långt från elnätet Nätanslutna system! Levererar el till elnätet! Växelriktning är nödvändig! Elnätet fungerar som batteri Hybridsystem! Kombination av olika generatorer! Fristående eller nätanslutna
Fristående system Självförsörjande system Fyrar Telekommunikation Parkeringsautomater Fritidshus Segelbåtar Gatubelysning Husvagnar Etc. Källa: Energibanken AB
Fristående system Rural electrification with Solar Home Systems (SHS)
Fristående system Source: Refocus (01/2004)
Components Charge Controller Why do we need a charge controller? To protect the battery from: 1. Overcharging (excessive gassing) 2. Deep-discharging Prolongs life time of the battery
Batteries Primary cells (non-rechargable) Secondary cell (rechargeable) Lead-acid Nickel-cadmium Nickel metal hydride Lithium-ion Redox flow PV applications Become interesting for PV
Solar street lights
PV Water Pumping! Drinking water supply! Livestock watering! Irrigation schemes! in rural areas without grid electricity! where there is adequate insolation (>5kWh/m2,day) One billion people are still without access to safe drinking water supply!
Professional Applications Solar powered buoys
Frisian Solar Challenge 2008
Solbåtstävling 2008 Results
Nätanslutna system Foto: Carl Michael Johannesson
Grid-connected PV systems What components do we need?
Source: DGS
PV System Types PV plant connected with three different topologies a) Central inverter b) String inverter c) Module integrated inverter Source: Refocus (01/2004)
Inverter categories by size Small: for home systems, 1-5 kw, transformer or transformerless, Max DC voltage 500-700V medium: for mid range systems up to 50 kw transformer or transformerless, Max DC voltage 600-700V Large: for PV power plants,100-1000 kw, Max DC voltage 1000V Photos: SMA
Nätanslutna system Byggnadsintegrering Österängen, Kristianstad KTH, Stockholm, 2.8 kw Källa: Linus Palmblad, Energibanken AB
Nätanslutna system Stora system 5 MWp på tak anläggning Bürstadt, Tyskland Källa: http://www.sonnenfleck.com
Nätanslutna system Stora system 10 MWp, världens tredje störste på land anläggning, Pocking, Tyskland 2007 2009 bara världens 65 störste på land anläggning! Källa: Martin Butcher Projektentwicklungen
Nätanslutna solcellsystem i Dalarna Högskolan Dalarna Borlänge Byggår 1992 3.2 kw, GPV moduler Årsproduktion ~1900 kwh (594 kwh/kw) Räddningsstation Falun Byggår 2008 150 kw, GPV moduler (Beräknad) årsproduktion 110 MWh (733 kwh/kw)
Hybridsystem Large systems Source: Lopéz et al., Renewable Energy (2006)
Hybrid systems Small AC power supply system with DC coupled components Source: Refocus (01/2004)
PV-wind hybrid system HDa Wind turbine Pmax=1kW PV array Pmax=520W Battery bank=250ah!6kwh System voltage 24VDC 250 Monthly average wind power and solar radiation [W/m2] 200 150 100 50 0 Solar radiation [W/m2] Wind power [W/m2] Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Monthly average wind power and solar radiation for Gothenburg/Sweden
120 Vind+sol = 825 kwh/år (361+464) 100 80 Energy [kwh] 60 40 20 0 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - Jul 07 Aug 07 Sep 07 Oct 07 Nov 07 Dec 07 Jan 08 Feb 08 Mar 08 Apr 08 May 08 Jun 08 PV array Wind turbine Load Dump load Controller & battery losses
PV-Wind Hybrid System Design Wind and Solar as Complements $60,000 $50,000 $40,000 $30,000 Turbine No Turbine $20,000 $10,000 $0 Borlange Lund Goteburg Hybrid/PV-alone comparison for Borlänge, Lund, and Gothenburg
Drift, underhåll & installation Snö, smuts, skuggning Celler och paneler är ofta seriekopplad -> Skuggning, snö och smuts kan minska elproduktionen betydligt
Drift, underhåll & installation Observera också: Säkerhet (stöld och vandalism) Vindlast Bygglov Elektriska normer
Operation and Maintenance Säkerhet Theft protection Cleaning Growing threes
Marknad Annual market growths world In Germany more than 1% of electricity is produced with PV
Marknad - Sverige Source: IEA PVPS
Kostnadsutveckling solceller
Innehåll Bakgrund.... Källa: Solceller i byggnader
Framtid Prognos: Energibanken AB
Ekonomi Stödsystem Olika modeller Inmatningslag Reglerat pris Nettofakturering Nettopris Direkt subsidie Kapitalbidrag Trend sedan flera år: Inmatningslagar i många länder
Stöd för (nätanslutna) solcellsansläggningar i Sverige möjlighet att få stöd även för privatpersoner 60 % av kostnaden för projektering, material och installation av solceller (55% för företag) tak på 75.000 kronor i stöd per installerad kilowatt och högst 2 miljoner kronor per anläggning. Slut 2011, sen? Mätning på timbasis, problem med överskottsel under sommaren om elnätbolag inte vill köpa elen http://www.energimyndigheten.se/hushall/aktuella-bidrag-och-stod-dukan-soka/stod-till-solceller/
Mer information om småskalig solel och vindkraft Solceller i byggnader - nya möjligheter!,energimyndigheten 2005 Installationsguide nätanslutna solcellsanläggningar, Elforsk, SolEl Programmet El och värme från solen, Björn Andersson, Maria Brogren, Tomas Kåberger, IVA, 2004 El från solen-energi & industri i Sverige, Energimyndigheten, 2004 Solceller Från solljus till elektricitet, Martin Green, Svensk Byggtjänst, 2002 Aktiv solenergi i hus och stadsbyggnad, Marja Lundgren, Arkus, 2004 Installationsguide för småskalig vind- och solel, Elsäkerhetsverket
INFO Solel Solel Sverige: www.elforsk.se/solenergi www.solcell.nu Solel International: http://www.pvnord.org/ http://www.iea-pvps.org