T EORI S OLCELLSFUNKTION

Solcellen bygger på lagen om den fotoelektriska effekten, som belönade Albert Einstein med nobelpriset i fysik 1921 [10]. När elektromagnetisk strålning (ljus) träffar en metallyta så slås elektroner ut ur metallen och dessa elektroner ger upphov till en ström. I figur 5 beskrivs solcellens uppbyggnad i princip med en antireflexbehandlad glasyta som skyddar metallen som har monterats på ett kiselmaterial. Kiselmaterial är vanligtvis monterat på ett laminat material med kontakter på fram och baksida som leder strömmen till kopplingsboxen på bakstycket. Detta hålls ihop av en aluminiumram med monteringshål för montering mot en skena eller likvärdigt. I solcellsanläggningar kopplas flera solcellspaneler i serie för att få en högre spänning och ansluts sedan till en växelriktare för att få nätspänningen.

II. TILLTÄNKT ANLÄGGNING

Som tilltänkt plats för anläggningen valdes Kungliga Tennishallen, se figur 2, och en solcellsanläggning från Windon på 120kW. Kungliga Tennishallen (KLTK) ligger geografiskt beläget längs en trafikerad väg i Stockholm. Omgivningen har en stor betydelse för att kunna identifiera de yttre påverkningarna på solcellsanläggningen och därmed kartlägga solcellsanläggningens underhållsbehov. Utifrån det identifierade underhållsbehovet kan man göra en ekonomisk analys.

Figur 2. Skiss över Kungliga Tennishallen [8].

Solcellsanläggningen är tänkt att placeras på vänster sida av fastighetstaket, se figur 2.

Taket är ett välvt plåttak, vilket gör att panelerna kommer att monteras i en kvartscirkelbåge från cirka 50 graders lutning mot horisontalplanet till nästan 0 grader, se figur 3. För att kunna göra service på anläggningen samt underlätta installationen så ingår även montering av 3 stycken takstegar. De olika lutningarna på solcellspanelerna har inverkan på elproduktionen men också på avrinningsgraden för smuts och snö.

Figur 3. Monteringsförslag, på sydvästra taket av Kungliga Tennishallen.

A. Vald design

Genom att välja Kungliga Tennishallens tak för solcellanläggningen begränsas anläggningen till en takyta på cirka 1000 kvadratmeter [8]. För att bygga en solcellsanläggning krävs något förenklat följande:

 Solcellspaneler  Kablar  Växelriktare  Infästningsmaterial

Med den valda leverantören Windon och deras solcellspaket har anläggningen fått följande design:

 Solcellspaneler, 480 st Windon Tatu Multi  Växelriktare, 12 st StecaGrid 10000+

 Varje växelriktare har 2 st slingor med paneler a 20 paneler i serie.

 Samt tre stycken takstegar. B. Anläggningens effektivitetsfaktor

Solcellspanelerna monteras i en sydsydvästlig riktning med vinklar från cirka 50 grader till nästan 0 grader. Det rör sig om en fast installation, som ger olika infallsvinklar beroende på solens bana över himlen. Vintertid kommer de mer vertikalt monterade panelerna ha högre instrålning och sommartid förskjuts instrålningen till de horisontella panelerna. Olika infallsvinklar ger olika effektivitet enligt solkuben, se figur 4.

Figur 4. Solinstrålningen i procent av vertikala instrålningen, för att visa skillnaden i instrålningens beroende av väderstreck och lutning på infallsytan. Hämtad från Solelprogrammets energiberäkningar [9].

Solkuben används för att förenkla beräkningarna av solinstrålningens beroende av väderstreck och lutning på solcellspanelerna [9]. Genom att ta de aktuella ytorna i solkuben och multiplicera dem med den årliga solinstrålningen (940kWh/m2/år för Stockholm) fås en uppskattning av hur mycket el solcellspanelen kan producera. De ytor i solkuben som är intressanta för denna anläggning är 112-ytan, 100-ytan och 105-ytan. Den genomsnittliga ytan för solcellsanläggningen kan betraktas som ett medeltal för dessa ytor vilket ger en faktor på drygt 100 %. Räknar man på ett lågt medelvärde så blir anläggningens effektivitetsfaktor (aef) cirka 105 % i jämförelse med om ytan hade varit horisontellt monterad.

III. TEORI -SOLCELLSFUNKTION

Solcellen bygger på lagen om den fotoelektriska effekten, som belönade Albert Einstein med nobelpriset i fysik 1921 [10]. När elektromagnetisk strålning (ljus) träffar en metallyta så slås elektroner ut ur metallen och dessa elektroner ger upphov till en ström. I figur 5 beskrivs solcellens uppbyggnad i princip med en antireflexbehandlad glasyta som skyddar metallen som har monterats på ett kiselmaterial. Kiselmaterial är vanligtvis monterat på ett laminat material med kontakter på fram och baksida som leder strömmen till kopplingsboxen på bakstycket. Detta hålls ihop av en aluminiumram med monteringshål för montering mot en skena eller likvärdigt. I solcellsanläggningar kopplas flera solcellspaneler i serie för att få en högre spänning och ansluts sedan till en växelriktare för att få nätspänningen.

Figur 5. Princip på hur en solcell fungerar, utan växelriktaren. Bilden är modifierad från NASAs beskrivning av en solcellspanel [11].

IV. UNDERHÅLL

Underhållet för solcellsanläggningen på Kungliga Tennishallen styrs av flera faktorer, som design på solcellsanläggningen, omgivningens miljö samt komponenternas rekommenderande underhåll för att uppfylla garantierna. Genom att identifiera de olika komponenternas underhållsbehov och vad det beror på så kan designen av solcellsanläggningen väljas så att underhållsbehovet minimeras. Komponenternas underhållsbehov och hur frekvent detta är, sammanställs från respektive komponents skötselanvisning tillsammans med respektive komponents förväntade livslängd, samt garantitid.

Det övervakande, förebyggande underhållet kommer att styra när reparationer görs och resultera i ett avhjälpande underhåll. Kostnaderna för det avhjälpande underhållet efter garantitidens slut tillsammans med det förebyggande underhållet sammanställs i livscykelkostnadsanalysen, se avsnitt Livscykelkostnadsanalys.

A. Solcellspaneler

Solcellspanelerna kan anses ha en livstid på minst 50 år utan underhåll med normalt slitage. En studie visar att detta är möjligt [12] och beräkningar ger dem livslängder på 50-74 år [13]. Eventuella produktionsfel täcks av garantier på 15 år [14] och effektreduktion utöver förväntad minskning täcks av en garanti på en effektivitet på minst 80 % efter 25 år [14].

Panelerna kan behöva förebyggande underhåll på grund av snö och nersmutsning, se avsnitt IV.E.1 Snöskottning respektive IV.E.2 Rengöring av solcellspanelerna.

B. Växelriktare

Växelriktaren har varit en problemkomponent för de flesta solcellsanläggningar [9]. Windon har valt att i sina paktlösningar inte belasta växelriktaren maximalt. Enligt växelriktarens datablad rekommenderas ett förebyggande underhåll som består av att månadsvis kontrollera att kylflänsarna är rena och att höljet inte har gått sönder [15].

Växelriktarna byts då de går sönder, normalt räknas med en livslängd på 15 år [16]. Windon har en garanti på 7 år som kan förlängas med 10 år eller 25 år [14].

C. Kablar

Kablar har en livslängd på över 50 år [17] och byts endast vid skada. Kontakterna bör kontrolleras vid

garantibesiktningen så att inga skador finns. Windon beskriver på sin hemsida vad som sker då kapslingarna och kablarna inte håller måttet [14]. Om kablarna placeras utanpå byggnaden, där det finns risk kopparstölder, så rekommenderas användning av aluminiumkablar. Det minskar det akuta underhållsbehovet och minskar driftstörningar, eftersom aluminiumkablar inte är lika stöldbegärliga. I och med att det är en tennishall med många aktiviteter bör installatören tänka på att kablarna inte placeras olämpligt med tanke på varuleveranser, aktiviteter och dylikt.

D. Infästningsmaterial

Infästningsmaterialet har 35 års garanti [14]. Därför anses i denna studie underhållsbehovet vara noll.

E. Miljöinverkande underhåll

Det miljöinverkande underhållet beror på solcellsanläggningens design och omgivningsmiljö och kan sammanfattas som snöskottning och rengöring av solcellspanelerna.

1) Snöskottning

Väderförhållandena i Sverige är ganska stabila, men en stor del av året präglas av vintertid då Stockholm är täckt av snö (i genomsnitt mellan 75-100 dagar om året) [18]. Det innebär med andra ord att taket på Kungliga Tennishallen är täckt av snö och är i behov av snöskottning för att kunna utnyttja solcellsanläggningens potential så mycket som möjligt och därmed kunna producera elektricitet året om. Men som figur 2 visar är konstruktionen på taket på Kungliga Tennishallen välvt. När det faller tung snö på taket eller på solcellspanelerna så kommer snön per automatik glida ner mot marken, se figur 6 [19]. Det beror dels på grund av solcellspanelens lutning samt att solljus tränger igenom snön och därmed värmer panelen som bidrar till avsmältning/avglidning av snö [19]. Lutningen på solcellspanelerna minskar behovet av snöskottning, men snön måste även kunna glida bort från solcellspanelerna så att den inte skuggar solcellspanelerna.

Figur 6. Tung snö som glider från solcellspanel [19]. 2) Rengöring av solcellspanelerna

Beroende på Kungliga Tennishallens geografiska läge och dess placering av solcellspanelerna så kommer anläggningen utsättas för en normal mängd av väg- och stadsdamm som består av avgaspartiklar, pollen och föroreningar. Damm har en effektreduktion som kan uppgå till 15-20% enligt [20]. Dammet och smutsen reduceras vanligtvis med att solpanelen behandlas med en smutsavvisande gelé [14]. Gelen minskar smutsansamling på panelytan och varar cirka 2-5 år [14]. Tillverkarna rekommenderar ändå 1-2 gångers årlig rengöring

i och med att det är svårt att avgöra huruvida den årliga nederbörden kommer göra att anläggningen är självrengörande. Solcellspanelerna, som är tänkt att monteras på Kungliga Tennishallen, är av ett behandlat glas som är smutsavstötandet av märket Windon. Glaset är ett specialbehandlat så kallat AR-glas med låg vidfästighet.

De paneler med högre lutning kommer att vara mer självrengörande, medan de paneler som är plant monterade och placerade högst upp på taket, är mer utsatta för kvarstående vatten och smuts. Den optimala vinkeln på cirka 30-40 grader, som förr alltid eftersträvades vid panelmontage, frångås allt oftare men för att minska underhållet och öka effektiviteten bör ytterläget vid 0 grader undvikas. Se solkuben för effektiviteten i figur 4.

F. Sammanfattat underhållsbehov

Flertalet leverantörer [14, 21, 22] påstår att solcellsanläggningar är underhållsfria och lovar effektgarantier på mer än 80 % efter 25 år linjärt avtagande. Men i den underliggande leverantörsinformationen rekommenderas 2-3 rengöringar per år om solcellerna skall fungera med oförändrad effektivitet. Windons solcellspaneler skall vara självrengörande, därför så tas ingen rengöringskostnad med i underhållsbehovet som sammanfattas i tabell I.