2.5.1 Solinstrålning
Endast en bråkdel av solens energi träffar jordens yta. Medelvärdet för den solinstrålning som solen avger till atmosfärens yttre rand uppgår till 1370 W/m2 och kallas för solarkonstanten. En del av solinstrålningen reflekteras tillbaka, en del absorberas av gaser i atmosfären och en del absorberas av vattenångan i luften. Den resterande solinstrålningen som når jordens yta uppgår i Sverige maximalt till cirka 1000 W/m2. Det motsvarar en årlig
medelsolinstrålning på cirka 1000 kWh/m2 och år, vilket också stämmer in på den solinstrålning som Stockholm mottar på ett år [40]. Solinstrålningen upplever stor variation under året där den största andelen solinstrålning förekommer mellan maj och juli. Under vintertid sker en kraftig minskning av solinstrålningen. Mängden solinstrålning på en viss yta är starkt
sammankopplat med ytans riktning samt lutning relativt horisontalplanet. En yta vänd i sydlig riktning resulterar i större instrålning över ett år, men ytans lutning avgör hur fördelningen av solinstrålning varierar under året. En lutning mellan 0 och 30 grader relativt horisontalplanet ger en kraftig ökning av instrålning under vår och sommar, dock med en kraftig nedgång under höst och vinter. En lutning på 90 grader ger jämnare fördelning av
17
instrålningen under året, med lägre toppar under sommaren samtidigt som minskningen under höst och vinter inte är lika påtaglig. Maximal
solinstrålning uppnås vid sydlig riktning och en lutning på cirka 40 grader.
Solstrålningen varierar även under dygnet där den under nattetid är nästintill obefintlig [41]. Solinstrålning delas in i direkt och diffus instrålning, som tillsammans utgör globalinstrålningen. Direktinstrålningen är den strålningen från solen som vinkelrätt når jordens yta. Den diffusa instrålningen är den spridda solinstrålningen som kommer från molnen och himlen [42].
Solinstrålning kommer främst in i byggnaden via fönstren. Huvuddelen av instrålningen sker under tider av direkt solinstrålning men även den diffusa instrålningen bidrar. Solinstrålning för fönsterglas delas upp i följande kategorier:
• UV-transmission: Denna del utgörs av UV-strålning och släpps endast igenom fönsterglaset i relativt låga mängder.
• Ljustransmission: Utgörs av det synliga solljuset. 90% släpps igenom av fönsterglaset.
• Solenergitransmission: Denna del utgörs av delarna direkt
solenergitransmission som är jämförbart med ljustransmission, och en sekundärdel som utgörs av energi från
värmeöverföringsprocesser.
Den största delen av solinstrålningen som träffar fönsterglaset transmitteras.
Resterande delar som inte transmitteras reflekteras samt absorberas av fönsterglaset [43].
2.5.2 Solceller
Solceller utnyttjar den fotovoltaiska effekten som innebär att ljus tillför elektroner till ett halvledarmaterial. Kisel är det vanligast förekommande materialet där solcellen innehåller två sådana lager. Genom att tillföra atomer från andra material till kisellagren kan de få olika elektronladdningar. Det kallas att dopa och vanligt förekommande material är fosfor, bor och arsenik.
Det är viktigt att olika material används till varje kisellager då syftet är att ge dem olika laddningar. Den ena sidan sägs då vara n-dopad och den andra p-dopad. Den p-dopade sidan har ett underskott på elektroner medan den n-dopade har ett överskott. När ljuset träffar solcellen alstras en spänning mellan de två sidorna och elektroner från den n-dopade sidan strömmar över
18
till den p-dopade som då får ett överskott av elektroner, samtidigt upplever den n-dopade sidan ett underskott [41].
En vanligt förekommande variant av solceller är kristallina solceller. De tillverkas av tunna kvadratiska kiselplattor och finns i varianterna polykristallina och monokristallina.
Polykristallina solcellsmoduler är spräckliga då de består av flera kristaller medan monokristallina har ett mer homogent utseende då de tillverkas av en enda kristall. Solceller består av ett flertal så kallade celler, där det vanligaste antalet celler för en solcellsmodul är 60st, med fördelningen 6x10. Varje cell ger en spänning på 0,5–0,7 volt och vanligt förekommande
spänningar för en solcellsmodul är 32V. Vanligt
förekommande strömstyrka är 8–9 ampere och vanligt förekommande effekter för en solcellsmodul är 260-320Wp. Modulverkningsgraden ligger vanligtvis på 14–16% för polykristallina solcellsmoduler och 16–20% för
monokristallina [41].
Figur 7. Kristallin solcellsmodul [44].
Skuggning är ett förekommande problem för kristallina solceller då det leder till att mängden solinstrålning minskar. Det leder till en minskning av
mängden producerad energi från solcellerna som kan vara procentuellt större än den yta av solcellsmodulen som utsätts för skuggning. Det beror på att solcellernas individuellt låga spänning kräver att de seriekopplas. Då samma ström passerar igenom cellerna innebär skuggning av en enskild cell att strömmen inte kan passera till nästkommande cell, vilket leder till att fler celler än de som är skuggade upphör att producera elenergi. Skuggade celler riskerar att förstöras när strömmen inte kan passera och istället omvandlas till värme i den skuggade cellen. Problemet med skuggning kan reduceras med hjälp av by-pass-dioder som tillåter strömmen att hoppa över skuggade delar av en solcellsmodul [45].
Solcellsanläggningar som inte är anslutna till elnätet kallas för off-grid-anläggningar.
Dessa är ofta relativt små likströmsanläggningar på 12–24 volt då de ofta används för till exempel sommarstugor tillsammans med batterilager.
Batterilager används till att lagra solel för tillfällen då elanvändningen är större. En laddningsregulator behövs för att säkerställa att batteriet laddas
19
med korrekt spänning. För större off-grid-anläggningar där 230 volt växelspänning ska användas krävs en växelriktare. En växelriktare
omvandlar den likström som solcellsmodulerna genererar till växelström.
Den fungerar även som en övervakare av systemet samt ser till att solcellsmodulerna alltid belastas optimalt för att maximera mängden genererad el [46].
3 Metod
De flesta beräkningar kommer genomföras med hjälp av
energisimuleringsprogrammet IDA Indoor Climate and Energy från EQUA.
För vissa delar kommer andra beräkningsprogram vara nödvändiga att nyttja då IDA ICE inte
går ner på produktnivå, och då behöver specifika produkters specifikationer och prestanda erhållas från tillverkaren för att sedan föras in i IDA ICE. Detta har gjorts med hjälp av handledare då tillgång till vissa av dessa sidor kräver ett företagsanvändarkonto.
3.1 Konstruktion av hus
Huset kommer konstrueras efter en modell erhållen av
organisationen. Nedervåning i modellen har yttermåtten 8,57m x 3,5m, vilket ger en ytterarea på cirka 30m2. Övervåningen har yttermåtten 4,29m x 3,5 m, vilket ger en ytterarea på cirka 15 m2.
Figur 8. Modell av huset som mottagits från organisationen.
20
Huset kommer fungera som en modell där värme -och energisimuleringar kan genomföras. Endast funktionsmässiga egenskaper är av betydelse, som yttermått och placering av dörrar och fönster. När det kommer till husets fönster har endast förslag angående deras antal och storlek mottagits, då det finns en förståelse för att eventuella ändringar kan behöva göras för att ge huset bättre värmemässiga egenskaper. För att tydliggöra arbetet har våningsplanen delats in i två olika zoner. Våningsplan 1 utgör zon 1 och våningsplan 2 utgör zon 2. Det är viktigt att husets design lämnar lediga ytor där solceller kan monteras, då solpanelerna måste monteras externt på husets fasad eller tak. Även husets orientering är av betydelse för solpanelernas elproduktion.