FÖRORD
D
enna bok innehåller alla rapporter från kandidatexjobbskursen som gavs på vårterminen 2014, på KTH
Skolan för elektro- och systemteknik. Kandidatexjobben utförs individuellt eller i grupper om två och
handleds av forskare från skolan. Omfattningen på arbetet är tio arbetsveckor på heltid. Varje
kandidatex-jobb är en del av en större helhet. I år erbjöds kandidatexkandidatex-jobbs-projekt inom ramen av nio olika kontext:
KOntext inOm OmRåDet elKRaFtteKniK
I. Vindkraftpark
A. Solcellsanläggning i Stockholm
B. Power system management and related information exchange
KOntext inOm OmRåDet eleKtROFysiK
C. Fusionskraft – solens energikälla på jorden
D. Flersatellitmätningar i jordens magnetosfär
E. Microparticles in space and laboratory plasmas
KOntext inOm OmRåDet nätveRKssystem
F. Secure remote surveillance
KOntext inOm OmRåDet systemteKniK Och RObOtiK
G. The smart building
KOntext inOm OmRåDet tRåDlÖsa system
H. Wireless solutions for smart shopping mall
Beroende på studenternas val föll enstaka projektteman bort, vilket återspeglas i den oregelbundna
projektnumreringen i innehållsförteckningen. Att vissa projektrapporter är skrivna på engelska beror på
att dessa genomfördes av engelsktalande handledare eller studenter. 66 studenter avslutade framgångsrikt
kursen. Av dessa kommer 42 från Elektroteknik, tolv från Teknisk fysik, åtta från Energi och miljö och fyra
kursdeltagare var utbytesstudenter.
Kursens syfte är att träna studenterna i att genomföra ett självständigt projektarbete, men även att ge en
omfattande träning i muntlig och skriftlig kommunikation genom flera obligatoriska kursmoment. Dessa
moment består av en seminarieserie, uppsättning av en arbetsplan inklusive uppföljning via
statusrapport-er, informationsökning, citering och referenshantering, den skriftliga rapporten (som sammanställs i denna
bok), granskning av andras rapporter, och kontextsammanfattningen som består av en populärvetenskaplig
text, en vetenskaplig analys och en etisk reflektion (kontextsammanfattningen återfinns i början av varje
kontext i den här boken). Kursen avslutades med en gemensam presentationsdag, där varje student gjorde
en muntlig presentation av sina projektresultat, och opponerade vid en annan students presentation.
Mitt tack går i första hand till alla handledare för deras värdefulla insats. Ett stort tack även till alla
före-dragshållare för välförberedda föreläsningar och feedback till studenter: Joakim Lilliesköld (arbetsplanen),
Hans Sohlström (informationssökning och källkritik, EndNoteWeb övningen, peer-review), Love Alm och
Elisabet Liljeblad (LaTeX övning), Gabriella Hernqvist (populärvetenskaplig skrivandet, layout), Jessica
Nihlen-Fahlquist (etik) och Tomas Karlsson (vetenskaplig sammanfattning). Hanne Eklunds administrativa
hjälp var som alltid ovärderlig!
Tack till alla studenter för era stora insatser under projektarbeten!
Anita Kullen
Kursansvarig för kandidatexjobbskursen, Skolan för elektro- och systemteknik
Stockholm, 5 juni 2014
A1.
Solar
panel
production
in
Husby
11
A2. Anslutning av solkraftsansläggning till elnätet
19
A3. Underhållskostnad för en solcellsanläggning i Stockholm
37
A4. Geothermal electricity generation with high-speed generator
43
KONTExT b: POwER sysTEm mANAGEmENT AND RELATED INFORmATION ExChANGE
57
B1. Fysisk modellering av IEEE 14-bus test system
61
B2. Impact of communication network quality on control and operation of multiterminal HVDC systems 71
B3. Design and implemenation of an energy monitoring system with load control capabilities
81
KONTExT C: FusIONsKRAFT – sOLENs ENERGIKäLLA På jORDEN
91
C1.
Velocity
of
plasma
flow
95
C2. Modification of wall materials in controlled fusion devices
101
C3. Heating a plasma to 100 million Kelvin
109
KONTExT D: FLERsATELLITmäTNINGAR I jORDENs mAGNETOsFäR
117
D1. A statistical investigation of bursty bulk flow event dynamics in the erath magnetotail
121
D2A.
Strömmätningar
i
magnetosfären
125
D2B.
Flersatellitmätning
av
ström
i
magnetosfären 133
D3. Height determination of the acceleration region for dayside occurring auroral arcs
141
KONTExT E: mICROPARTICLEs IN sPACE AND LAbORATORy PLAsmAs
151
E1. Intercation between metallic microparticals and mesospehric plasma
155
E2. Designing a spectograph for observation of microparticals in the ionosphere
167
E3. Microparticle ejection and electromagnetic scattering in the SCRAP experiment
175
E4. Elektronmikroskopianalys av aerosolpartiklar från atmosfären
187
E5. Particle-surface collisions for fusion relevant materials
197
E6. Plasma processing for titanium dioxide coatings
205
E7. Plasma characterization of a high power impulse magnetron experiment
217
KONTExT
F:
sECuRE
REmOTE
suRvEILLANCE 225
F1.
Remote
navigation
and
image
transfer
229
F3.
Network
security
237
F4. Reliable wireless remote data acquisition with packet prioritization on the NI myRIO
247
KONTExT
G:
ThE
smART
buILDING
255
G1A. Real-time communications in smart buildings
261
G1B.
Real-time
scheduling
in
smart
buildings
271
G2A.
PID
in
buildings
control
and
automation
279
G2B.
PID
in
buildings
control
and
automation
291
G3A. Brain activity senors and health care systems adapted to fall detection and medicine distrubution
301
G3B. Brain activity and healthcare in the smart home
313
G4A. Evaluation of on-line topological coverage path planning for the mobile cleaning robots
323
G4B. Networked control of autonomous ground vehicles
333
G5A. Networked control of unmanned air vehicles
341
G5B. Automatic control of a quadrotor in the smart building
353
G6B.
Detection
and
tracking
by
camera
networks
365
KONTExT h: wIRELEss sOLuTIONs FOR smART shOPPING mALL
375
H1.
Source
coding
for
radio
based
pricing
379
H2. Modulation and demodulation for radio based pricing
287
H3. Synchronization ina radio based price tag system
395
H5. Recommender systems - a smarter shopping soultions
401
KONTExT
I:
vINDKRAFTPARK
411
I1. Vindkraftpark på Öland - en förstudie om elproduktion lönsamhet
415
I2.
Elnätet
i
en
vindkraftpark
425
ANDAs FRIsK LuFT OCh TjäNA PENGAR
K
an Sveriges elbehov tillgodoses samtidigt som samhället blir miljövänligare? I svaret på denna fråga finns
nyckeln till lösningar som kommer att ersätta fossila bränslen, minska koldioxidutsläpp och bidra till
billigare elförsörjning för alla.
Några studenter från KTH har tittat på möjligheterna för solel i Stockholm. De har valt en byggnad i
huvud-staden där de har undersökt hur solpanelerna kan monteras, hur mycket el de kommer att producera och om
projektet kan resultera i billigare elräkningar.
Farligt och giftigt avfall släpps dagligen ut i luften. Denna utveckling uppmuntrar till forskning om
sol-celler och solel. Solel är ett miljövänligt alternativ för elproduktion och kan användas inom flera områden;
husuppvärmning, matlagning, hem- och gatubelysning är några av de områden där solel kommer att påverka
miljön positivt. Idag finns det studier som bekräftar att en femtedel av världens elbehov kan tillgodoses, om
endast 1 % av jordens yta täcks med solceller. Forskning inom solkraft är av stor vikt för en bättre miljö och
därför anses detta projekt spela stor roll om Sverige ska uppnå sina miljömål. Elproduktion genom solceller
har stora ekonomiska fördelar när det gäller drift och underhåll, detta på grund av att de färdiga
solcellsan-läggningarna saknar rörliga delar. En annan viktig aspekt inom solenergin är att den är 100 procent förnybar.
mER sPäNNING FRåN jORDENs INRE
H
ur skulle du lösa det ökande behovet av grön energi? Vad skulle du säga om det introducerades en
energikälla som var pålitlig, ofarlig och oberoende av väder och vind? Behöver våra öppna landskaps-
vyer förstöras av stora el-genererande kolosser?
Svaret på alla dessa frågor är geotermisk energi. Geotermisk energi är värme som finns lagrad i jordens
inre. Den kan användas för att producera el och värma bostäder. Problemet idag är att man måste borra
rel-ativt djupt efter dessa resurser i de flesta europeiska länder. I nuläget finns därför enbart sådana kraftverk i
Frankrike och Tyskland där forskningen gett lovande resultat. I kontrast till andra förnyelsebara energi-
källor som vindkraft och solenergi är geotermiska energin alltid tillgänglig oavsett väder. Dessutom är
ut-släppen nära noll och avtrycket i miljön är minimalt.
Modern teknik möjliggör användandet av geotermisk energi nu även i Sverige. Tekniken utgörs av en ny
höghastighetsgenerator och kraftelektronik. Denna elektronik anpassar generatorn till elnätet. På så sätt
be-hövs ingen växel vilket var fallet tidigare. Lösningen reducerar kostnader och blir därmed ekonomiskt
in-tressant för Sverige.
KONTExTsAmmANFATTNING A1-A3
S
tudenter från den Kungliga Tekniska högskolan
valde genom ett samarbete med Stockholms stad
att undersöka Husbybadets möjligheter för
duktion. Husbybadets omvandling till en
solelpro-ducerande anläggning görs inom ett större projekt;
känd som Hållbara Järva. Hållbara Järva har enligt
Stockholms stad som mål att omvandla Järvafältets
stadsdelar från miljonprogram till miljöprogram.
Omvandlingens mest synbara resultat kommer att
vara solenergi där Järva omvandlas till en av Sveriges
solcellstätaste stadsdelar med ca 10000 m
2solceller.
Uppgifterna inom denna studie uppdelades till
tre delprojekt; A1, A2 och A3. Delprojekt A1
stud-erade elproduktionen från solcellerna. Delprojekt
A2 studerade solcellernas monteringsmetoder,
di-mensionerade anläggningens interna elnät och
kval-itetssäkrade anslutningen till det externa elnätet.
Delprojekt A3 studerade anläggningens drift och
underhållskostnader. Val av solcellsmoduler,
mon-teringsytor och lönsamhetsberäkningar utfördes
ge-mensamt av samtliga delprojekt.
Delprojekt A2 har haft som uppgift att studera de
infrastrukturella möjligheterna för solelproduktion
i Husbybadet. Efter diskussion med både kontext
A1 och A3 valdes solcellsmoduler från tillverkaren
YngliSolar. Modellen som valdes var Yngli Panda
270C-30b med en toppeffekt på 270 Wp. Modulerna
är av typen monokristallina och är enligt Vattenfall
anpassade för höga snölaster. Nästa steg för
delpro-jekt A2 handlade om solcellsmodulernas montering
på de ytorna som fanns tillgängliga på husbybadet.
Efter att ha besökt husbybadet, valdes fyra olika
ytor för solcellsinstallation, ett tak och tre fasader.
Takytan var ca 450 m
2och de tre fasaderna täckte ca
48 m
2var. På taket valdes horisontell montering och
på fasaderna valdes vertikal montering.
Solcellsmod-ulerna dimensionerades till de valda
trefasväxelrik-tarna med avseende på riktrefasväxelrik-tarnas maximalt tillåtna
dc-effekt, spänningsnivåer samt Stockholms övre
och nedre temperatursnivåer. Växelriktarna som
valdes är från tillverkaren SMA. Modellerna som
valdes är 3 st. STP 12000TL med en maximal
dc-ef-fekt på 12 kW och 3 st. STP 5000TL med en maximal
dc-effekt på 5 kW. Både dc- och ac-kablaget valdes
och dimensionerades enligt anläggningens behov.
För dc-kablaget mellan solcellsmodulerna och
Väx-elriktarna valdes Nexans Energyflex One Stripe 1kV
kopparkabel. Längden som behövdes
uppskatta-des till mellan 90 m och 100 m. Mellan
växelriktar-na och fördelningscentralen behövdes ca 400 m
ac-kablage. Modellen som valdes är Nexans FXQ Easy
1kV. Den sammanlagda förlusten för både dc- och
ac-ledningarna beräknades till under 1 % av
anlägg-ningens toppeffekt. Växelriktarna har enligt
tillver-karen en verkningsgrad på 97,7 % för 12 kW modellen
och 97,1 % för 5 kW modellen. Anslutning till elnätet
kvalitetssäkrades enligt svensk standard. Den totala
investeringskostnaden baserades på
marknadspris-er och förväntas nå 1,4 miljonmarknadspris-er kronor för ett färdigt
nätanslutet Husbybad. Detta baserades på
person-lig kommunikation med en person som studenterna
träffade under ett studiebesök och som informerade
om att kostnaden för en nyckelfärdig
solcellsan-läggning låg mellan 12 och 20 kronor per installerat
Watt-toppeffekt.
Delprojekt A1 har haft som uppgift att studera
an-läggningens elproduktion. Energiproduktion från en
modul beräknades med hjälp av följande ekvation:
Där A är modulens area, r modulens
verknings-grad, H den årliga solinstrålningen och Pr är
pre-standakvoten. Pr är kvoten mellan DC-effekten som
solcellerna levererar till växelriktaren och
AC-effek-ten som växelriktaren levererar både till lasAC-effek-ten och
till elnätet om möjligt. Studenterna från A1
konstat-erade att temperaturändringar orsakade förluster
i systemet. Höga temperaturer bidrar till stora
mot-stånd i solcellerna och därmed minskad
produk-tion för hela anläggningen.
Temperatursförluster-na försummades under detta projekt eftersom den
maximala temperaturen för Husby och Stockholm
sällan överskrider 30 °C. En annan förlustorsak
är skuggningen från både vegetationen och andra
närliggande byggnader. Delprojekt A1 studerade
skuggningsförluster, som i brist av noggranna
beräkningsmetoder uppskattades till ca 4,85 % av
anläggningens totala årliga elproduktion.
Delprojekt A1 kom fram till att
energiproduk-tionen utan hänsyn till förluster kunde uppskattas
till 63.1 MWh. Efter beräkning av alla förluster kunde
en uppskattning av den årliga energiproduktionen
beräknas till 57.35 MWh, detta innebär att
solcellsan-läggning har en verkningsgrad på ungefär 91 %.
Delprojekt A3 har haft som uppgift att beräkna och
undersöka kostnaderna för anläggningens drift och
underhåll. Dessa kostnader beror på vilka fel som är
högt sannolika och befintliga i anläggningen, samt
hur ofta dessa kan inträffa. De underhållsbehov som
har konstaterats innefattar snöröjning, renhållning,
växelriktarunderhåll och trädbeskärning. Flest antal
fel sker i växelriktaren och kommer att ge upphov till
underhålls- och reparationsbehov. På grund av den
horisontella lutningen som valdes för majoriteten av
solcellsmodulerna så förväntas snöröjningen vara ett
regelbundet nödvändigt underhållsbehov.
Snöröj-ningen sker dock beroende på snömängd och säsong.
Den totala årliga drift- och underhållskostnaden
av anläggningen beräknades av A3 till mindre än
1 procent per år av den totala investeringskostnaden.
Detta resultat ledde till konstaterandet att
investerin-gens lönsamhet påverkades minimalt av drift- och
underhållskostnader.
För framtida projektämnen föreslår studenterna
en detaljerad undersökning av solcellstekniken,
nätanslutningsreglering av färdiga
produktionsan-läggningar och en övergripande kartläggning av
Sveriges solkraftpotential.
ETIsK ANALys A1-A3
Husby norr om Stockholm är en av Sveriges mest
socioekonomiskt utsatta förorter och det är där detta
projekt undersöker möjligheterna för solkraft. För en
del av miljonprojektens invånare som ofta kommer
från krigs- och fattigdomsdrabbade världsdelar, är
teknik, hållbarhet och miljökunskap något helt nytt.
Introduktionen av nya hållbara alternativ för
ener-giproduktion i nära anslutning, bidrar till förändring
och utveckling av människors syn på hållbar
utveck-ling. Denna text tar upp några av projektets fördelar
såsom ökad miljörättvisa och social rättvisa. Men
diskuterar också de etiska dilemmana av
solcellsin-dustrin, såsom arbetsförhållandena under
produk-tionen och miljöriskerna som detta medför.
Denna effekt som projektet får på invånarna hade
inte kunnat fås om den valda anläggningen låg i ett
område med högre social status och med hög
mil-jömedvetenhet. Solceller som exempelvis installeras
i den Kungliga Tekniska Högskolan påverkar inte
märkbart socialt, de flesta som antingen arbetar eller
studerar i den institutionen innehar redan kunskaper
om hållbar utveckling på avancerad nivå. I Husby,
når projektet i hand till en helt ny publik, möjligtvis
KTH:s potentiellt framtida studenter. Unga som
gen-om kontakt med hållbar teknik kanske uppmuntras
till att fullfölja en utbildning istället för att hamna
utanför samhället.
Projektet i hand lovar mycket både för social- och
miljörättvisa, men är det helt problemfritt?
Nej, det är inte helt problemfritt! Ett av problemen
identifieras på solcellsnivå. Problematiken med
sol-celler uppstår ty de energikrävande
tillverkning-sprocesser, de sämre arbetsförhållandena för
an-ställda och solcellföretagens inblandning i oetiska
handelsnätverk; såsom vapenindustrin. Enligt en
granskning; utförd av tidskriften The Guardian om
flera solcellsföretag, så klarade solcellsföretaget
Yn-gliSolar sig ensamt med ett medelbetyg gällande
ar-betsförhållanden i sina fabriker (Birch, 2010).
Yngli-Solar står bakom de i projektet valda solceller.
Tillverkningsprocessen är som sagt mycket
en-ergikrävande och färdiga solceller behöver
vidare-transport och oftast med fossilt drivna medel.
Avfall-et som uppstår under solcellstillverkningen hanteras
oetiskt av många solcellsföretag och leder till
mil-jöförgiftning. Höga halter saltsyra har upptäckts i
Kina i närheten av en solcellsfabrik som hör till en
av landets största aktörer inom solcellsteknik (Cha,
2008). Höga halter saltsyra i marken kan direkt
kop-plas till markförsurning, skadad jordbruk och
min-skad välfärd för den lokala befolkningen (Cha, 2008).
Solel från fristående solcellsparker behöver stora
ytor. Detta kan i framtiden om intresset ökar utan
hänsyn till solkraftens negativa konsekvenser,
förb-ruka stora ytor skog och naturreservat.
Företag och aktörer inom solcellsindustrin bör
adoptera en gemensam standard världen runt, för
bättre arbetsförhållanden och miljöhantering. En
start kan vara åtgärder på EU-nivå där det läggs vikt
på inhemsk kompetensutveckling och
energieffek-tiva tillverknings- och transportprocesser. Sådana
åtgärder kan leda till dyrare solcellspriser, men med
statligt stöd, både på nationell och EU-nivå, kan
mil-jövänliga solcellsföretag kompenseras för deras
ef-fektivitet. Löser man de etiska problemen med
sol-cellsindustrin så utgör detta projekt en stor möjlighet
för ökad hållbarhet, miljörättvisa och social rättvisa
inom Husby, Stockholm och hela Sverige.
KONTExTsAmmANFATTNING A4
G
eotermisk energi handlar om värme som
extra-heras från jordens inre. Energin används främst
för fjärrvärme och elproduktion. Två andra möjliga
förnyelsebara energikällor i Sverige är vindkraft och
solenergi. Vindenergin utvinns ur vind och effekten
är beroende av vindstyrka som varierar över tid.
So-lenergin utvinns med hjälp av solceller. Detta medför
att elproduktionen också ändras under dygnet.
So-linstrålningen i Sverige är också relativt låg och
vari-erar mycket. På grund av dessa orsaker är den inte en
tillräckligt bra energiresurs. I kontrast till vindkraft
och solenergi är geotermisk energi alltid tillgänglig
och energiutvinningen är relativt konstant. Vidare
finns möjligheten att utvinna fjärrvärme endast ur
geotermiska energikällor, vilket inte är möjligt med
de andra två energikällorna. Rapporten handlar
specifikt om geotermisk elproduktion med hjälp av
en höghastighets-generator. Projektets syfte är dels
att ge en överblick av en geotermisk anläggning och
dels att designa en ny generator.
För att utvinna värmen borrar man ca 2-5 km ner i
berggrunden och pumpar upp den uppvärmda
geo-termiska vätskan. Den är oftast inte tillräckligt varm
för att användas direkt till elproduktion. När vätskan
kommer upp till ytan finns kommersiellt främst två
sätt att utvinna värmen.
Värmeväxlingstekniker-na kallas Organic Rankine Cycle (ORC) och KaliVärmeväxlingstekniker-na
cycle. Värmeenergin förångar det nya mediet och
sät-ter igång ångturbinen som är direktkopplad med
ge-neratorn. Via kraftelektronik går sedan elen
anting-en till anting-en transformator eller direkt till nätet.
Generatorn är konstruerad för en ångturbin Siemens
SST-400-GEO, specificerad till 5MW och 6000 rpm.
Efter en litteraturstudie framkom att en 4-polig
per-manentmagnetiserad synkrongenerator är ett
lämp-ligt alternativ. Designen måste klara de ökade kraven
som ställs i och med den höga hastigheten. Magneter
av SmCo är monterade på axeln då de har de bästa
termiska egenskaperna. De är omgärdade av en
alu-miniumring för att minimera rotorförluster. Ett
om-slag av kolfiber håller fast magneterna och ringen.
Alla dimensionerna beräknas för flera
rotordiame-trar. På grund av den höga hastigheten är
luftmot-ståndsförlusterna relativt stora. Därför är en tunn
och lång rotor ett bättre och effektivare designval.
Generatorn måste i detta fall jobba mellan första och
andra kritiska resonanshastigheten. Generatorns
av-kylning är komplicerad. Med en initial beräkning
es-timeras minsta möjliga rotordiameter för generatorn
utan att överhetta den. För en noggrannare termisk
analys bestäms lindnings-, järn-, ring- och
luftmot-ståndsförlusterna. Dessa värden används sedan i en
termisk ekvivalent krets för att undersöka om
över-hettning är ett problem.
Resultatet av projektet innebär en ny
generator-design som förbättrar effektiviteten och därmed ökar
elproduktionen i geotermiska anläggningar. Denna
effektivitetsökning gagnar även projektet ekonomiskt.
Fortsatta studier behövs. Beräkningar på generatorn
borde göras med mer komplexa och noggrannare
modeller. CFD analys av värmekonvektion
bör göras för en mer realistisk termisk modell
av generatorn. Andra drivsystem som ingår i
geotermiska anläggningar skulle kunna undersökas.
Pumparna kan optimeras för geotermiska system
då det finns många dokumenterade problem med
hållbarheten under dessa extrema förhållanden.
En kostnadsestimering av systemkomponenter kan
göras för att bedöma om anläggningen är ekonomiskt
hållbar. Ny undersökningsteknik är önskvärd för
att med större säkerhet förutsäga och utvärdera
den geotermiska potentialen på en viss plats. Olje-
och gasindustrin har haft samma problem med
att utvärdera potentiella resurser. Där har man
investerat i forskning och hittat analysmetoder. Dessa
kunskaper skulle kunna anpassas och överföras på
det geotermiska området.
ETIsK ANALys A4
Geotermiska kraftverk har påverkan på både
människan och miljön. Därför bör etiska aspekter
ses som en viktig del redan i utvecklingsarbetet.
In-genjörens ansvar är inte bara att ta fram effektivare
och bättre produkter utan även att ta hänsyn till
när-miljön; bebyggelse och natur. Han/hon skall så gott
det går leda vägen till ett hållbarare samhälle.
Världen står inför en del svåra beslut gällande
energibehovet. Konventionella kraftverkens
utsläpp och biprodukter har en negativ inverkan
på planetens framtid. Ingenjörer spelar här en
viktig roll då deras kunskaper ger dem möjlighet att
utvärdera energiproduktionen på ett realistiskt och
förhoppningsvis neutralt sätt; både på ett tekniskt,
ekonomiskt och socialt plan. Ansvar… Kol- och
kärnkraftverk är potentiella risker dels på grund
av föroreningar eller i senare fallet härdsmälta och
terrorism. Vidare är dessa typer av resurser ändamål
för politiska konflikter. Konflikterna kan också
sannolikt öka i framtiden då resurserna är ändliga.
Därför är de förnyelsebara energikällorna den enda
lösningen för ett hållbart samhälle i framtiden. Det är
alltså ingenjören som ställs inför dessa utmaningar.
Övergången från de traditionella energiresurserna
till förnyelsebara tar tid. Största problemet är
finansieringen av nya kraftverk.
Regeringar kan via stöd och regelverk underlätta
nybyggnationer men i slutändan kommer elföretagen
att stå för en betydande del av kostnaderna/riskerna.
En logisk konsekvens av detta är att elpriser
går upp vilket kan uppröra folk. Oavsett måste
ingenjörens roll vara att stödja dessa förändringar,
då de både kan se de miljö- och energimässiga
effektiviseringarna innebär i ett större perspektiv.
Egentligen vore en dialog där ingenjören tar
en utbildares roll och upplyser politikerna och
allmänheten ett bra förslag. Större acceptans för
nya idéer inom energiområdet skulle leda till en
bredare tilltro. Det allmänna hoppet skulle överföras
i ökad påverkan på politiska beslut. Detta skulle kunna
leda till ökade bidrag att bygga nya anläggningar
samtidigt som även forskningsvärlden får ta del av
större anslag för att effektivisera etablerad teknik.
Båda sakerna leder förhoppningsvis till en positiv
utveckling som i sin tur skulle ta finansansvaret
gradvis ifrån elproducenterna och i slutändan
slutkunder. Samtidigt skulle flera nya bolag
knoppa upp ur de förnyelsebara energialternativen
och förmodligen skulle fler decentraliserat placerade
kraftverk bidra med energi till elnätet. Positiva
effekter av detta kan bli flera arbeten och samhällen
som i förlängningen börjar blomstra.
De förnyelsebara energikällorna har sina olika för-
och nackdelar, ingenjörer bör därför undersöka hur
den bästa blandningen av energialternativ skall
se ut i respektive land. Sveriges elenergi kommer
främst från kärnkraft och vattenkraft. Politikerna
har redan bestämt att stänga kärnkraftverken. När
detta kan genomföras är idag ännu inte känt. Sverige
måste utöka de förnyelsebara energikällornas totala
produktion markant om man inte vill göra
sig beroende av energiimport från omgivande
länder. Vattenkraften är fullt utbyggd, men har på
sina håll lett till skador på miljö och natur, (bland
annat samernas betesmarker för renar har förstörts).
På den tiden skulle man ha tagit mer hänsyn
till detta så att inga grupper eller för den delen
miljöproblem skulle komma till skada. Dessutom
skulle dessa erfarenheter gjort att planering och
informationsupplysning av dagens energiprojekt
skulle ske i bättre samförstånd.
Projektets fokus är teknikutveckling
inom geotermisk elproduktion, men också indirekt
positiva effekter på Sveriges natur och samhälle. Från
ett tekniskt perspektiv är den största fördelen över
andra förnyelsebara energikällor att den är ständigt
tillgänglig och oberoende av vädret. Därför är den ett
pålitligt och bra alternativ och kan kompletteras med
exempelvis solenergi och vindkraft. En betydande
fördel är att man reducerar användandet av el och
fossila bränslen vid uppvärmning av byggnader, en
viktig biprodukt av den geotermiska elproduktionen
är nämligen också varmt vatten. Detta är ju inte möjligt
med andra förnyelsebara energialternativ. Eftersom
värmebehovet är förhållandevis stort i Sverige
är uppvärmning av bostäder och byggnader en
stor post på elnotan. Detta kan vara vägen mot mer
hållbar teknik och en möjlighet för Sverige att bli
helt oberoende av utländsk elproduktion och fossila
bränslen.
Vid anläggning av geotermiska kraftverk så måste
ingenjörerna se till att rena vattenresurser inte tar
skada, tekniken har konstruerats för att vatten som
används skall cirkulera i stängda kretslopp. Väl
byggda är anläggningarna relativt tystgående, och
strålningsfria där större delen är under jord, vilket
innebär att byggnaden tar relativt liten yta i anspråk.
Närliggande samhällen bör i de allra flesta fall inte
störas.
I positiv mening möjliggör de geotermiska
anläggningarna nästan emissionsfri el- och
fjärrvärmeproduktion som är ständigt tillgänglig.
Dock finns också en del negativa bieffekter. Även om
de är relativt små så bör man ta hänsyn och försöka
minimera dessa i möjligast mån. Tyvärr finns det
också en del problem kring byggandet och driften
av anläggningarna. Under konstruktionen används
djupborrningsteknik och detta kan medföra
höga ljudnivåer för närliggande samhällen. I
planeringsstadiet bör byggingenjörerna föra
dialog med samhällena och intressegrupper för
diskussion. Tydlighet kommer att öka den allmänna
förståelsen och acceptans speciellt om man
visar att man försöker adressera de framkomna
problemen i möjligaste mån. Vid driften är den
största miljöpåverkan seismisk aktivitet. Dessa
mikrojordbävningar påverkar byggnader i liten
utsträckning, men små sprickor och liknande kan
ändå få den allmänna opinionen om geotermiska
anläggningar att vända. Ingenjörer bör undersöka
detta fenomen i så stor utsträckning som möjligt
innan man tar anläggningen i drift och påbörjar en
mer storskalig produktion. För att göra detta krävs
att ingenjörer gör noggranna utvärderingar och
även försöker hitta orsaker till varför dessa
mikrojordbävningar uppstår. För att säkert får svar
på dessa frågor måste mer pengar satsas på forskning.
Processläckage av geotermiska vätskor och andra
biprodukter kan belasta miljön negativt. En annan
aspekt är också användandet av vattenresurser för
att få tillräckligt med geotermisk vätska att cirkulera
i värmeextraheringssystemet. Det är idag inte känt
vad som händer när värmereservoaren tar slut.
Några andra frågetecken gäller även värmeuttagens
påverkan på närmiljön. Det är inte känt än om
utvinningen även påverkar jordens inre. Innan
man vet säkert vad detta har för långsiktiga effekter
på ekosystemet så bör ingenjörer inte
skynda konstruktion av geotermiska anläggningar.
Till sist bör ingenjören ställa krav och vara kritisk
mot lobbyister som hävdar att geotermiska tekniken
är ofelbar och perfekt. Lobbyister försöker vanligtvis
dölja negativa aspekter och bara visa positiva. Ett
förargat och besviket samhälle, som i fallet i Landau,
Tyskland kan sluta med bistra lagstridigheter och hot
om - eller till och med nedstängning av kraftverk.
Alla dessa problem och frågor är intressanta och
har inte alltid garanterat säkra lösningar och svar.
Avslutningsvis får ingenjören absolut en avgörande
roll och även möjligheten att vara kritisk mot
framtida geotermiska projekt. Det finns fortfarande
en viss osäkerhetsfaktor kring geotermiska energin
som inte helt kan förutsägas och därför kan detta i
värsta fall leda till oförutsägbara miljökatastrofer.
Detta betyder för den delen inte att geotermiska
projekt helt skall stoppas, utan istället bör som redan
nämnts investeringar i forskning utökas. Detta för
att garantera en säker utvinning av en stor potentiell
geotermisk resurs som i framtiden bidrar till en
hållbarare energiproduktion.
Abstract—This project analyses a study on the profitability of a solar cell production in Husby, Stockholm. The production consists of 255 solar panels and lie on a rooftop of a bathhouse in the area. The production is intended to help lower the costs of energy that the bathhouse consumes on a yearly basis by using a form of “greener” energy. The results after calculations show that the cost of the production was 900 000 SEK which produces around 58 MWh per year. The energy produced gives a profit of 62 000 SEK on an average yearly basis.
i. introDuction
eneWaBLe energy has been an ongoing issue for many years. there are many forms from wind to hydroelectric to solar energy. this paper will focus on solar energy. solar energy comes from solar electricity. this electricity is formed from an electric voltage caused by light. this is referred to as photovoltaic energy. solar cells use this phenomenon called ‘the photovoltaic effect’ by converting solar energy into electricity. Photons from the sun excite electrons and allow them to carry electric current through photovoltaic material [1]. Solar cells have been in existence since the mid 1950’s. Back then they were mostly used to power objects in the earth’s ions sphere such as satellites [2]. today they are found almost everywhere used to power very big productions such as a whole village all the way down to powering your stop watch on your wrist. in 2013 a total of 4 gWh of solar energy was produced in sweden. this is actually a small portion from the rough total of the 145 tWh of renewable energy produced yearly in the country [3]. in order for this market to be profitable for companies to produce renewable energy a system called the electrical certificate was created in sweden. this means that the electricity suppliers are “forced” to buy a proportion of renewable energy and in this way provide a benefit to those that produce renewable energy. one megawatt hour electricity from renewable energy corresponds to one certificate [4]. the rest of the energy can then be sold in the electrical market. this market creates a more effective way to buy and sell electrical energy. the electrical market is a place where bids to buy and offers to sell electricity can be posted. these bids and offers create a supply and demand concept regarding the pricing of the energy produced [5].
this project will be about a solar cell production used to power a bathhouse in husby, a suburb of stockholm, sweden. the project was the work for a bachelor thesis project for the school of electro and system technique at Kth in stockholm
sweden. its main focus being on the profitability of a larger solar panel plantation in the stockholm area. the work for the project was divided into three different areas a1, which is this project, a2 by Khalid raouz & abeer mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. and a3 by Diako Shamsaddini, ”Underhåll och drift av en solcellsanläggning”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. this paper will focus on a1 whose main purpose was to calculate the energy production of the plantation. A2’s focus was on the infrastructure of the production and a3 was responsible for the estimation for the maintenance costs. This paper is divided up into 6 different sub sections. Part І is an overall introduction of the report. Part ІІ discusses the general theory that was used throughout the paper. Part ІІІ discusses the results of the project. Part ІV and V our sections on discussion and analysis and the conclusions that were drawn for the project. Part VІ gives reference to the acknowledgments that were needed throughout the paper.
ii. theorY
solar radiation is an electromagnetic radiation, most of the energy consists of wave lengths between 300 to 4000 nm and is distributed with 8% in the ultraviolet (uV), 48% in the visible and 44% in the infrared (ir) part of the spectrum outside the earth’s atmosphere. the earth’s surface and also the atmosphere send radiation too, but with longer wave lengths, about 4000 – 100 000 nm. the total amount of solar radiation that hits a horizontal surface is called global radiation (also called irradiance). global radiation is the sum of the direct radiation from the sun and diffused radiation which consists of scattered radiation from molecules and particles and parts that are reflected from the clouds [6]. according to smhi, swedish meteorological and hydrological institute, the global radiation is increasing. measurements taken between 1983 and 2005 shows that the global radiation has increased about 8% [7], see figure 1.
figure 1, yearly global radiation in sweden
these measurements are averages from data taken from eight different stations located in these following cities:
Solar Panel Production in Husby
fadi hanna and timothy szackacs
Kiruna, Luleå, umeå, Östersund, Karlstad, stockholm, Visby and Lund. figure 2-5 shows the seasonally global radiation [7].
figure 2, fall's global radiation
figure 3, winter's global radiation
figure 4, summer's global radiation
figure 5, spring's global radiation
using the software PVgis (Photovoltaic geographical information system) from the Jrc (Joint research center – european commission) the following data can be obtained [8]:
taBLe 1
Data from PVGIS’s DataBase using Location:59°24'33"north, 17°55'36"east
month global radiation (Wh/m2/day) Jan 299 feb 911 mar 1990 apr 3600 may 5300 Jun 5380 Jul 5210 aug 3870 sep 2460 oct 1170 nov 448 Dec 175
this data are very close to the data from smhi, for example the average global radiation in winter is about 42 kWh/m2, see figure 3, and the global radiation from PVgis is:
( )
This shows that’s the data that will be used is a reasonable estimation.
A. Vertical mounted solar panels
Vertical mounted solar panels have both positive and negative effects, see figure 6.
figure 6, difference between vertical and horizontal solar panels
as shown above, in summer, vertical mounted solar panels do not collect the same amount of radiation as horizontal solar panels. But in winter (especially in sweden, because of the low position of the sun) the vertical solar panels actually collect more radiation than horizontal mounted solar panels [9]. But in winter the sun is weaker and more often obscured by clouds. if solar panels are mounted vertically, the global radiation data will have measurement errors because the global radiation is measurements on a horizontal surface. a simulation made with PgVis using 90 degree inclination angle gave the following results:
taBLe 2
Data from PVGIS’s DataBase using Location:59°24'33"north, 17°55'36"east
month radiation (Wh/m2/day) Jan 737 feb 1860 mar 2610 apr 3260 may 3610 Jun 3140 Jul 3240 aug 3040 sep 2800 oct 1930 nov 1090 Dec 437
Kiruna, Luleå, umeå, Östersund, Karlstad, stockholm, Visby and Lund. figure 2-5 shows the seasonally global radiation [7].
figure 2, fall's global radiation
figure 3, winter's global radiation
figure 4, summer's global radiation
figure 5, spring's global radiation
using the software PVgis (Photovoltaic geographical information system) from the Jrc (Joint research center – european commission) the following data can be obtained [8]:
taBLe 1
Data from PVGIS’s DataBase using Location:59°24'33"north, 17°55'36"east
month global radiation (Wh/m2/day) Jan 299 feb 911 mar 1990 apr 3600 may 5300 Jun 5380 Jul 5210 aug 3870 sep 2460 oct 1170 nov 448 Dec 175
this data are very close to the data from smhi, for example the average global radiation in winter is about 42 kWh/m2, see figure 3, and the global radiation from PVgis is:
( )
This shows that’s the data that will be used is a reasonable estimation.
A. Vertical mounted solar panels
Vertical mounted solar panels have both positive and negative effects, see figure 6.
figure 6, difference between vertical and horizontal solar panels
as shown above, in summer, vertical mounted solar panels do not collect the same amount of radiation as horizontal solar panels. But in winter (especially in sweden, because of the low position of the sun) the vertical solar panels actually collect more radiation than horizontal mounted solar panels [9]. But in winter the sun is weaker and more often obscured by clouds. if solar panels are mounted vertically, the global radiation data will have measurement errors because the global radiation is measurements on a horizontal surface. a simulation made with PgVis using 90 degree inclination angle gave the following results:
taBLe 2
Data from PVGIS’s DataBase using Location:59°24'33"north, 17°55'36"east
month radiation (Wh/m2/day) Jan 737 feb 1860 mar 2610 apr 3260 may 3610 Jun 3140 Jul 3240 aug 3040 sep 2800 oct 1930 nov 1090 Dec 437
a comparison with table 1 shows that vertical mounted
solar panels clearly collect more radiation under fall-winter period.
B. Interconnection of modules
an interconnection of modules is done to reach a specific voltage that is required from the system. often this requirement is from the inverter, for example an inverter’s input that is specified for 125-250 Vdc needs about six 30-volt
modules in series [10]. modules sometimes allow a small current to flow back (in the wrong direction) through them. this can happen if the module is shaded, defected or removed. Because of this a bypass diode is connected in parallel with every module, see figure 7.
figure 7, module with a bypass diode
Diodes fitted in modules are known as bypass diodes because they protect the module by bypassing current in certain circumstances. some modules have also already built in bypass diodes, if so, no extra bypass diodes are needed [11].
C. Calculation of energy
the estimated energy in kWh from one module can be calculated with the following formula [12]:
( )
Where a is the module area in m2, r is the module efficiency in decimal, h is the global radiation in kWh/m2 and Pr is the systems performance ratio. the (maximum) efficiency r (under stc) of a solar panel can be calculated by [13]:
( )
( ) ( ) ( ) stc power (Pmax) is given by the manufacturer and can also
be calculated by multiplying the stc nominal voltage with the stc nominal current. stc stands for standard test conditions: radiation=1000 W/m², cell temperature=25°c, Wind speed=1 m/s, am=1.5. am stands for air mass [14].
D. Performance Ratio (PR)
example of losses that give the Pr its value can be inverter losses, temperature losses, cable (ac, Dc) losses, shadings and others. in this report the losses from temperature and shading will be represented (other losses are calculated by Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014).
1) Temperature losses
When light shines on the solar cells, they warm up and the electrical output of the module changes. under global radiation of 1000 W/m2 it is found that the cells are warmer
than the surrounding air by about 30ᴼC. The efficiency from solar cells drops with increasing cell temperature. solar radiation causes an increase in cell temperature. cell temperature can be described with the following formula: ( )
Where tcell is the cell temperature, tair is the air temperature,
r is the radiation (at moment) and c is a constant which have been measured by many solar plants to be around 0,025-0,03. The cell’s voltage varies 2 mV per ᴼc, and this means that the efficiency for silicon solar cells drops about 0,4 % for every degree the temperature increases [15]. the temperature dependence can be studied by an i-V curve [16], see figure 8.
figure 8, the effect of cell temperature on i-V curve (at 1000W/m2) for a solar cell module
the temperature in sweden rarely exceeds 25ᴼC, except for short periods during the summer. therefore cell temperatures cannot increase more than 50-55ᴼC, due to a low voltage variation can temperature dependence be neglected in calculations. the efficiency of solar panels increases in cold temperatures. actually solar panels power production works most efficiently in cold, sunny environments. unfortunately, the coldest regions in the globe near the poles are areas with weaker sunshine and shorter days [17].
2) Shading losses
modules should be mounted in places where the sunlight can reach them; shadows of tall objects can prevent the sunlight reaching them. even a small shadow on just one cell can affect the performance of the whole module (another good reason to use a bypass diode, see “Interconnection of modules”). A calculation of the exact amount of losses from shading is a very complex procedure. a simplified procedure is represented below [18]:
1. start by standing at the solar plant and turn south. 2. Measure the obstacle’s azimuths and azimuth is
the angle on horizontal plane calculated clockwise from south [19]), and then measure the height angle , see figure 9. an approximate measurement of angles can be done by using the hand’s four fingers, see figure 10. four fingers represent about 10 degrees.
figure 9, height angle and azimuth angles of the obstacle
figure 10, approximation of angles using your hand
3. use table 3 (for 45 degrees inclination angle or lower) or table 4 (for inclination angle between 45-90 degrees) to plot the position of the shaded area. Which means that to plot a rectangle by marking where
and
are, see table 6.4. summarize the value of all covered boxes (or fraction of a covered box). for example in table 6, the sum of the fraction of every covered box by the rectangle is summed.
the vertical axis in the tables below represent the value of and the horizontal axis represents the value of and the sum is an estimate of how much percentage of the annual insolation will be shaded. for more accurate approximation see [20].
taBLe 3
Percentage of Losses Due to shaDing,45° incLination angLe
taBLe 4
Percentage of Losses Due to shaDing,90° incLination angLe
E. Electrical Certificates
Electricity isn’t the easiest phenomena to handle. The storage and distribution process makes it difficult to distribute the energy to the consumer when needed. this creates an unbalance between the buying and supplying process. all these factors only contribute to extra costs for the producers. the electrical certificate was created to give the producer an extra income which makes it more profitable to invest in renewable energy [4].
the electrical certificate was introduced on may 1 2003. for every mWh of energy produced a so called electrical certificate is given to the producer, more about the law can be read in the document by ministry of industry, “Lag om elcertifikat”, regeringskansliet, year 2002 [21]. it is permissible to obtain certificates based on gross measurement, i.e. before own consumption. for the “micro producers” this means that certificates can be obtained even for the energy that is consumed by the producer. however, an investment of a meter (a device to measure the energy produced) should be done by the “micro producer”. if electrical certificates only are issued for the net measured electricity, i.e. the electricity distributed to the network owner, then a meter is purchased by the network owner. the readings are reported to “Svenska kraftnät”, which then issues certificates based on these readings [22]. the swedish power grid uses a system called cesar which publishes statistics of turnover and prices for electrical certificates .
figure 9, height angle and azimuth angles of the obstacle
figure 10, approximation of angles using your hand
3. use table 3 (for 45 degrees inclination angle or lower) or table 4 (for inclination angle between 45-90 degrees) to plot the position of the shaded area. Which means that to plot a rectangle by marking where
and
are, see table 6.4. summarize the value of all covered boxes (or fraction of a covered box). for example in table 6, the sum of the fraction of every covered box by the rectangle is summed.
the vertical axis in the tables below represent the value of and the horizontal axis represents the value of and the sum is an estimate of how much percentage of the annual insolation will be shaded. for more accurate approximation see [20].
taBLe 3
Percentage of Losses Due to shaDing,45° incLination angLe
taBLe 4
Percentage of Losses Due to shaDing,90° incLination angLe
E. Electrical Certificates
Electricity isn’t the easiest phenomena to handle. The storage and distribution process makes it difficult to distribute the energy to the consumer when needed. this creates an unbalance between the buying and supplying process. all these factors only contribute to extra costs for the producers. the electrical certificate was created to give the producer an extra income which makes it more profitable to invest in renewable energy [4].
the electrical certificate was introduced on may 1 2003. for every mWh of energy produced a so called electrical certificate is given to the producer, more about the law can be read in the document by ministry of industry, “Lag om elcertifikat”, regeringskansliet, year 2002 [21]. it is permissible to obtain certificates based on gross measurement, i.e. before own consumption. for the “micro producers” this means that certificates can be obtained even for the energy that is consumed by the producer. however, an investment of a meter (a device to measure the energy produced) should be done by the “micro producer”. if electrical certificates only are issued for the net measured electricity, i.e. the electricity distributed to the network owner, then a meter is purchased by the network owner. the readings are reported to “Svenska kraftnät”, which then issues certificates based on these readings [22]. the swedish power grid uses a system called cesar which publishes statistics of turnover and prices for electrical certificates .
figure 11, electrical certificate price development (2013-2014)
a demand for electrical certificates is created by forcing electrical suppliers to obtain these certificates in proportion to how much electricity is delivered. this in return forces the buyer to pay extra for the electrical certificate when purchasing the energy.
iii. resuLts
the decision on where the solar panels should be mounted was decided by all three groups. the mounting was done so that it would be able to meet the requirements from all three groups. the most important requirement from this group was to mount the solar panels so that maximum energy production could be achieved. after discussion, the solar panels were mounted so that about 195 modules would be mounted horizontally on a ceiling and about 60 modules would be mounted vertically on façades, see figure 12.
figure 12, map (of the bathhouse) showing where the solar panels would be mounted
the modules that will be used are from Yingli PanDa type 270c – 30b and are made by mono crystalline silicon, see attachment 1. the module efficiency (under stc) is about 16,5 % and each module have the stc power (peak power, Pmax in “Calculation of energy” above) 270 Wp. that means
the total stc power from the system is 255×270 Wp = 68,85
kWp.
the interconnection of modules are done after choosing the type of inverter that will be used, this task is done by Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. Which chose six inverters, three of them are of the type stP 12000tL-10 and the other three are of the type stP 5000tL-20 (for more information about the inverters, see Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av
solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014). the stP 12000tL-10 inverters are used for the horizontal mounted modules and the other three for the vertical mounted modules. the minimum Dc voltage for both these types is 150V and the maximum Dc voltage is about 1000V. that means the voltage that have to reach the inverter’s input have to be in that interval, but because of the inverter’s requirements, to connect a certain amount of strings of modules to one input, the following decision is done:
each inverter of the type stP 12000tL-20 will have two strings of 22 modules in series connected to input a and one string containing 21 modules in series is connected to input B. the other three inverters will only be connected through input a with one string of 20 modules connected in series. for more information about the inverter’s connection, see report by Khalid raouz & abeer mrad, ”anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014.
the modules that will be used have the stc nominal voltage 31,1V that means 22 modules in series will produce about 684 Vdc and that still is in the inverter’s DC voltage
interval. a bypass diode will be connected in parallel with each module to minimize the effect of shading and other problems that can occur, see “Interconnection of modules”.
to calculate the energy production ( 1 ) is used. the area a of one module is 0,99m × 1,65m = 1,6335 m2, the efficiency is 16,5 %. the performance ratio (Pr) will be assumed to be 1 for now. calculation of the energy production (of one module) have to split into two calculations, the first one uses the values (for radiation, h in equation ( 1 )) from table 1 and that is for the horizontally mounted modules, and then a calculation for the vertical mounted modules is needed and uses the radiation values from table 2. the table below shows the monthly production from vertical and horizontal modules:
taBLe 5
h(0) anD h(90) is raDiation at incLination angLe 0 Degrees anD 90
Degrees resPectiVeLY.e is energY ProDuction for one moDuLe
month h(0) W/m2 e(0) Wh h(90) W/m2 e(90) Wh Jan 9269 2498 22847 6158 feb 25508 6875 52080 14037 mar 61690 16627 80910 21807 apr 108000 29109 97800 26360 may 164300 44283 111910 30163 Jun 161400 43502 94200 25389 Jul 161510 43531 100440 27071 aug 119970 32335 94240 25400 sep 73800 19891 84000 22640 oct 36270 9776 59830 16126 nov 13440 3622 32700 8814 Dec 5425 1462 13547 3651 Year 940582 253513 844504 227617
as said above, 60 modules will be mounted vertically and 195 modules horizontally, which mean that the yearly energy production from vertical mounted modules is 227617 Wh × 60 ≈ 13,66 mWh and from horizontal mounted modules is 253513 Wh × 195 ≈ 49,44 mWh, and the total yearly energy production from the sol plant is about 63,1 mWh. Keep in mind that the calculations above does not include losses.
this report will represent the losses from shading and temperature, other losses are calculated by Khalid raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. as said above, the losses from temperature can be neglected, see “Temperature losses”. The losses from shading can be estimated with a simplified procedure, see “Shading losses”. figure 13 shows which areas in the sol plant that can be shaded.
figure 13, areas that can be shaded by the tower
the tower is about 1,5 - 2 meters higher than the horizontal solar panels. By following the steps in “shading losses” can the angle be measured to about -20 degrees, to -45 degrees and to 25 degrees. using table 4 can shading losses for vertical modules (see table 6) be calculated to:
taBLe 6
the rectangLe is shoWing Which BoXes WiLL Be useD for the caLcuLation
(1/4) × (2,8) + (1/2) × (2,8+2.2) + (1/6) × (3,3) + (1/3) × (4,5+2,5) = 6,083
and using table 3 can shading losses be calculated for the horizontal modules to:
(1/4) × (2,2) + (1/2) × (1,8+1,2) + (1/6) × (2,2) + (1/3) × (2,5+1,2) = 3,65
that sums up to 9,7%, but as seen in figure 13 only about 50% of the solar plant is shaded from the tower. that means only 50% of the annual energy production will have 9,7% losses from shading. that is the same thing as assuming that the annual losses from shading are about 4,85 % for the whole sol plant.
the energy losses caused by the inverters that are used in the system must be accounted for as well. Khalid raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014, has calculated that the inverters that are used for the horizontal mounted modules have an efficiency of 97,7% and the inverters used for the vertical mounted modules have an efficiency of 97,1%. cable losses have been estimated by Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014, as well to roughly 1%. using these efficiency factors can the net energy production be calculated. the net energy production from the horizontal modules is:
49,44 mWh × 0,9515 × 0,977 × 0,99 = 45,5 mWh and the vertical modules yield:
13,66 mWh × 0,9515 × 0,971 × 0,99=12,5 mWh
that means that the total systems net energy production can be estimated to 45,5 mWh + 12,5 mWh = 58 mWh.
iV. Discussion anD anaLYsis
the data that was collected on the bathhouse shows a consumption of energy at an average of 130 mWh per month see figure 14. the calculations from the solar panel production gave an average monthly intake of 4,83 mWh per month.
figure 14, husby bathhouse energy consumption
this is just under 3,5 % of the bathhouses monthly needs. 96,5% of the energy needs for the bathhouse would be needed to be produced by other means. Due to the electrical market pricing this energy saves about 4.350 seK a month. this is assumed that 1 kWh is purchased around 0,9 seK/kWh, see attachment 2. totaling a saving of 50.000 seK/year on electrical power.
as said above, 60 modules will be mounted vertically and 195 modules horizontally, which mean that the yearly energy production from vertical mounted modules is 227617 Wh × 60 ≈ 13,66 mWh and from horizontal mounted modules is 253513 Wh × 195 ≈ 49,44 mWh, and the total yearly energy production from the sol plant is about 63,1 mWh. Keep in mind that the calculations above does not include losses.
this report will represent the losses from shading and temperature, other losses are calculated by Khalid raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. as said above, the losses from temperature can be neglected, see “Temperature losses”. The losses from shading can be estimated with a simplified procedure, see “Shading losses”. figure 13 shows which areas in the sol plant that can be shaded.
figure 13, areas that can be shaded by the tower
the tower is about 1,5 - 2 meters higher than the horizontal solar panels. By following the steps in “shading losses” can the angle be measured to about -20 degrees, to -45 degrees and to 25 degrees. using table 4 can shading losses for vertical modules (see table 6) be calculated to:
taBLe 6
the rectangLe is shoWing Which BoXes WiLL Be useD for the caLcuLation
(1/4) × (2,8) + (1/2) × (2,8+2.2) + (1/6) × (3,3) + (1/3) × (4,5+2,5) = 6,083
and using table 3 can shading losses be calculated for the horizontal modules to:
(1/4) × (2,2) + (1/2) × (1,8+1,2) + (1/6) × (2,2) + (1/3) × (2,5+1,2) = 3,65
that sums up to 9,7%, but as seen in figure 13 only about 50% of the solar plant is shaded from the tower. that means only 50% of the annual energy production will have 9,7% losses from shading. that is the same thing as assuming that the annual losses from shading are about 4,85 % for the whole sol plant.
the energy losses caused by the inverters that are used in the system must be accounted for as well. Khalid raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014, has calculated that the inverters that are used for the horizontal mounted modules have an efficiency of 97,7% and the inverters used for the vertical mounted modules have an efficiency of 97,1%. cable losses have been estimated by Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014, as well to roughly 1%. using these efficiency factors can the net energy production be calculated. the net energy production from the horizontal modules is:
49,44 mWh × 0,9515 × 0,977 × 0,99 = 45,5 mWh and the vertical modules yield:
13,66 mWh × 0,9515 × 0,971 × 0,99=12,5 mWh
that means that the total systems net energy production can be estimated to 45,5 mWh + 12,5 mWh = 58 mWh.
iV. Discussion anD anaLYsis
the data that was collected on the bathhouse shows a consumption of energy at an average of 130 mWh per month see figure 14. the calculations from the solar panel production gave an average monthly intake of 4,83 mWh per month.
figure 14, husby bathhouse energy consumption
this is just under 3,5 % of the bathhouses monthly needs. 96,5% of the energy needs for the bathhouse would be needed to be produced by other means. Due to the electrical market pricing this energy saves about 4.350 seK a month. this is assumed that 1 kWh is purchased around 0,9 seK/kWh, see attachment 2. totaling a saving of 50.000 seK/year on electrical power.
the electrical certificate also offers an average of roughly 200 seK for every mWh produced [23]. this price varies throughout the year. about 12.000 seK is earned from the certificate. the summation from both of these savings averages a total of 62.000 seK/year.
the total cost for the production was roughly 1,37 million seK, see Khalid Raouz & Abeer Mrad, ”Anslutning av solkraftsanläggning till elnätet”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. a meter should be purchased to be able to measure the amount of energy the production produces. the readings can then be reported to “Svenska Kraftnät” which issues the electrical certificates for the production. the cost of the meter is very low (about 500-1000kr) that it can be neglected. the state also gives a compensation of a maximum of 35% of the total cost [24]. this means that the total cost is 890.000 seK. maintenance costs are quite low that they can be neglected, see Diako Shamsaddini, ”Underhåll och drift av en solcellsanläggning”, degree project, school of electrical engineering, Kth 2014. at a 4,83 mWh production rate it will take a minimum of 14 years to pay for the initial costs. the actual production will be lower than calculated due to the progression of the power warranty of modules, which means that the modules will get older and cannot guarantee the same level of production as new modules.
figure 15, Progression of the power warranty
there is one way to improve the profitability of the production, that is to improve the efficiency of the solar cells themselves. having such a low efficiency ratio is a huge detriment to the production. much research is being done to improve this area. a research group from a company called spectrolab has succeeded to implement a system with close to a 40% module efficiency ratio [25]. these modules would increase the production rate by nearly 223% of what is produced now. this would drastically increase the profit margin of the solar plant. the cost of solar panels are decreasing [26], see figure 16.
figure 16, the price for solar panels has decreased
But solar Panels with higher efficiency factors are more complex. Due to the complexity of the panels they would cost more money than the ones used in this project with a 16.5% efficiency factor. that means that the solar panels in the future must be engineered in such a way that the efficiency factor is high while keeping a reasonable pricing on the panels themselves. Which probably will be so; because figure 16 shows that the solar panels price is decreasing. through these means costs will be lower, and the production will be higher.
V. concLusion
the net energy produced has been calculated to 58 mWh per year and the profits to 62.000 seK per year. the implementation of the production will cost roughly 900.000 seK. in order to pay for the initial costs it would take 14 years of production. therefor it was decided that the profitability of the production is not sufficient.
Vi. acKnoWLeDgements
the authors wish to acknowledge mikael amelin for his support and time used for the progress of this project.
references
[1] mrsolar. "(2011, jun) Photovoltaic effect.[online]. available:,"
http://www.mrsolar.com/content/photovoltaic-effect.php#.u15uPfmqmmu.
[2] Wikipedia. "(2014, may) solar cells.[online]. available:,"
http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics#solar_cells.
[3] s. kraftnät. "(2014, jan) elstatistik för hela sverige (swedish).[online]. available:," http://www.svk.se/Drift-och-marknad/statistik/elstatistik-for-hela-sverige/.
[4] ekonomifakta. "(2013, Jul) elcertifikat (swedish).[online]. available:,"
http://www.ekonomifakta.se/sv/fakta/energi/styrmedel/elcertifika t/.
[5] svenskenergi. "(2014, may) elmarknad (swedish).[online]. available:," http://www.svenskenergi.se/elfakta/elmarknaden/. [6] smhi. "(2014, apr) solstrålning (swedish).[online]. available:,"
http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/solstralning-1.4186.
[7] smhi. "(2013, mar) Klimatindikator - globalstrålning (swedish).[online]. available:,"
