* Elförsörjning med solceller Kort version Denna utrustning får endast demonstreras av personal. Vad kan man använda elenergin från solcellen till Vad händer med elenergin från solcellen om man inte använder den Hur får man elenergi när solen inte skiner Kolla laddningskontrollen Hur många ampere (A) kommer från solcellen just nu Hur många ampere använder vi just nu Vad händer om solcellen ger mer ström än vi använder Vad händer om strömmen från solcellen inte räcker till 1
** Elförsörjning med solceller Utförlig version Denna utrustning får endast demonstreras av personal. Solcellen strax utanför fönstret ger elenergi till ett stort bilbatteri. Batteriet laddas upp när solen skiner. När vi behöver el kan vi ta ut el från solcellen i stället för att ladda batteriet. Behöver vi mer el än vad solcellen ger kan vi ta av det som finns i batteriet. Batteriet laddas ur. Laddningskontrollen visar hur stor ström (ampere, A) som flyter i olika riktningar. Hur många ampere (A) kommer från solcellen just nu Hur många ampere använder vi just nu Laddas batteriet upp eller laddas det ur just nu Hur många ampere går till eller från batteriet 2
Solcellen och batteriet ger ungefär 12 volt (V). Om man vill använda energin från solcellen till vanliga elapparater får man använda växelriktaren, som gör om elenergin till 230 V växelström, precis som i vägguttagen. Mätshunten talar om för laddningskontrollen hur mycket ström som går till växelriktaren. Laddningsregulator Display 230 V ut Växelriktare Solcellspanel 12 V = ut Strömbrytare Mätsignal Mätshunt Batteri, 12 V 3
*** Elförsörjning med solceller Utförlig version Denna utrustning får endast demonstreras av personal. Solcellen strax utanför fönstret ger elenergi till ett stort bilbatteri. Batteriet laddas upp när solen skiner. När vi behöver el kan vi ta ut el från solcellen i stället för att ladda batteriet. Behöver vi mer el än vad solcellen ger kan vi ta av det som finns i batteriet. Batteriet laddas ur. Laddningsregulatorn avbryter laddningen när batteriet är fulladdat, och stänger av belastningen när batteriet är nästan urladdat. Denna laddningskontroll har dessutom en speciell spänningsomvandlare, som anpassar solcellens spänning till batteriets, så att eleffekten från solcellen utnyttjas maximalt. Laddningskontrollens display visar hur stor ström (ampere, A) som flyter i olika riktningar (se figuren). Ström från solcell Ström till belastning Spänning Batteriladdning i % av max Strömbrytare för belastning. Tänder även display. Återstående tid med aktuell belastning Ström till / från batteriet. Pilen visar riktning Undersök hur stor strömmen från solcellen är, hur stor ström som går till belastningen och vilken roll batteriet spelar just nu. 4
Solcellen och batteriet ger ungefär 12 volt (V). Om man vill använda energin från solcellen till vanliga elapparater får man använda växelriktaren, som gör om elenergin till 230 V växelström, precis som i vägguttagen. Mätshunten talar om för laddningskontrollen hur mycket ström som går till växelriktaren. Laddningsregulator Display 230 V ut Växelriktare Solcellspanel 12 V = ut Strömbrytare Mätsignal Mätshunt Batteri, 12 V På en särskild display kan du avläsa instrålningen mot solcellen. Instrålningen mäts av en liten kalibrerad solcell som sitter vid sidan av den stora solcellspanelen. Hur varierar instrålningen vid olika tid på dagen, med klar sol Hur varierar instrålningen då molnigheten varierar Hur stor effekt i watt strålar in på solcellen då instrålningen är 1000 W/m 2 5
Solcellen har, som alla energiomvandlare, en verkningsgrad som är mindre än 100%. Verkningsgraden talar om hur stor del av den tillförda effekten som kommer ut som nyttig effekt. Vad är det som är nyttig effekt från solcellen Vad är det som är tillförd effekt till solcellen Hur stor är den nyttiga effekten just nu Hur stor är den tillförda effekten just nu Hur stor är verkningsgraden Vad anser du om solcellens verkningsgrad. Vad kan du jämföra med Vad händer med den energi som träffar solcellen, men som inte blir till elektrisk energi Hur skulle solcellen kunna förbättras 6
****** Mera om Elförsörjning med solceller Syfte Eleverna får se att elenergi från solceller kan lagras i sådan skala att den kan användas för vardagliga elbehov. De får också se att elen kan omvandlas till 230 V växelström. Strömmen från solcellen grenar sig till belastning och batteri. Att ingen ström försvinner, dvs att summan av grenströmmarna är lika med huvudströmmen går att konstatera. Effekt och verkningsgrad för solcellen kan beräknas. Säkerhet. Elever får inte röra utrustningen. Från växelriktaren kommer 230 V växelström, som är livsfarlig. Skyddsjord är ej inkopplad. Växelriktaren bör endast användas med jordfelsbrytare ansluten på utgången. Kommentarer till experimenten Load 1-knappen på laddningskontrollens display har två funktioner: Om displayen slocknat tryck på Load 1. Om grova pilen ut åt höger, pilen som visar belastningsström, inte syns tryck ca 2 sekunder på Load 1. Då kopplas belastningen in och pilen visas. Load 1 fungerar alltså som strömbrytare för belastningen. Om du skall ta ut 230 V från växelriktaren, se till att växelriktarens egen strömbrytare bredvid uttaget är på. Genom att koppla in olika belastningar, lampor, verktyg etc antingen på 12 V-uttagen eller på 230 V-uttaget, kan man undersöka hur systemet arbetar. Solcellspanelen består av 36 seriekopplade celler vardera med arean 1 dm 2. Den ger maximalt 61 watt vid full solinstrålning (som är 1000 watt per m 2 ). Spänningen är då 20,5 V, strömmen är 3,0 A. Laddningskontrollens booster sänker spänningen och höjer strömmen så att solcellens elektriska effekt utnyttjas maximalt De värden som kan avläsas på displayen (se figur nedan) kan användas för att beräkna aktuell effekt från solcellen. Om man samtidigt mäter instrålningen kan man beräkna instrålad effekt på solcellen. Därefter kan verkningsgraden beräknas. 7
*** Exempel på avläsningar och beräkningar Spänning Ström Nyttig effekt U = 12,8 V I = 3,8 A P = U I = 12,8 3,8 W = 48, 6W Instrålning S = 890 W/m 2 Solcellspanelens area A = 36 dm 2 = 0,36 m 2 Instrålad effekt P i = S A = 890 0,36W = 320W Pn 48,6 Verkningsgrad η = = = 0,1517 15,2% P 320 i De bästa solceller som finns att köpa har ca 16 % verkningsgrad. Det är ungefär hälften av verkningsgraden hos ett kärnkraftverk eller oljeeldat kraftverk. Men tillförda energin solenergin - är både gratis och utan miljöbelastning. Man kan också jämföra med fotosyntesens verkningsgrad, som är ca 1 %. Vid lägre instrålning, t ex om solen är skymd av moln eller träffar solcellen i sned vinkel, minskar framför allt strömmen, medan spänningen hålls någorlunda konstant av laddningsregulator och batteri. Både instrålad och nyttig effekt minskar, medan verkningsgraden är ungefär konstant. Laddningsregulatorn avbryter laddningen när batteriet är fulladdat, och stänger av belastningen när batteriet är nästan urladdat. Ström från solcell Ström till belastning Spänning Batteriladdning i % av max Strömbrytare för belastning. Tänder även display. Återstående tid med aktuell belastning Ström till / från batteriet. Pilen visar riktning 8
Tillämpningar Elcentralen visar hur en solcell och ett uppladdningsbart batteri kan omvandla och lagra energi från solen. Ett system av denna storlek kan räcka till att ge energi till belysning och tv t.ex. i husvagnar, båtar och stugor utan nätström. I många utvecklingsländer ger det en möjlighet att ha mindre elapparater, kylskåp, tv, radio i byar utan elförsörjning. I större skala kan solceller kopplas samman med en växelriktare och kopplas direkt ut på nätet. I Västra hamnen i Malmö finns solceller på ett altantak, som är kopplade på detta sätt. Sveriges största solcellsanläggning finns på tak och fasader till IKEA i Älmhult. Figur 1. Solcellstak i Västra hamnen i Malmö Det finns också skolor som har ett 10 m 2 solcellssystem på detta sätt. En del av skolans ström kommer då från solcellerna. När skolan är tom går överskottsenergin ut på allmänna elnätet. Bergsjö skola i Hälsingland är ett exempel. På http://www.pvschools.net beskrivs systemet och man kan bl. a. följa solcellernas strömleverans timme för timme. Energilagring i batterier visas också i experimenten Lagra Elenergi, Bygg en bil som laddas av solceller och Testa laddbara batterier. Denna utrustning behöver du Elcentral med solcell, batteri, laddningsregulator och växelriktare. (NAPS Sweden AB) Litteratur Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. Bl a solenergiutnyttjande, solfångare, solceller behandlas. Många experiment beskrivs. Grundläggande högskolenivå (eller fördjupning på gymnasiet). Bason Frank: Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing 2002. Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, 18303 Täby. Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå. 9
Eckerman Pelle, Grähs Gunna. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen 1997. Idérik experimentbok för barn. Martin Green: Solceller. Från solceller till elektricitet. Svensk byggtjänst 2002. Solceller och solcellssystem. Tillämpningsexempel i bostadshus och i utvecklingsländer. Gymnasienivå. Weblänkar http://www.pvschools.net/public/pvschools.htm PV-school project. Skolor med solcellsinstallation beskrivs och data från elproduktionen ges. Ej tillgänglig 030919. http://www.soldata.dk/ SolData. Experiment på bl. a solceller. Försäljning av bra solceller och annan utrustning, samt experimentbeskrivningar och litteratur. Gymnasienivå. På danska. http://britneyspears.ac/basics.htm Solcellsteori. Från gymnasie- till avancerad högskolenivå. http://www.eere.energy.gov/pv/ US Depertment of Energy. Omfattande läromedel om hur solceller fungerar. Gymnasienivå. Mycket bra. På engelska. 10