Kraftelektronik dimensionering och laddning av batterier från en mobil solcellspark

0 __________________________________________________________________________________

Kraftelektronik dimensionering och

laddning av batterier från en mobil

solcellspark

__________________________________________________________________________________

Hannes Vedin

Karlstads Universitet

Ett samarbete med Glava Energy Center

Högskoleingenjör i Elektroteknik Examensarbete ELGC10 |15 hp

2020-06-05

Kraftelektronik dimensionering och

laddning av batterier från en mobil

solcellspark

Karlstads Universitet

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap

Examinator: Magnus Mossberg

Intern handledare: Stefan Hedberg, Karlstads universitet

Extern handledare: Johan Eriksson & Magnus Nilsson, Glava Energy Center

Sammanfattning

Idag ser vi mer och mer problem med den miljöovänliga elproduktionen som sker runt om i världen, som skapar en högre jordtemperatur och bidrar till försämrade ekosystem för både djur och människor. Vi ser också problem för människor som bor i avlägsna platser som tillexempel flyktingläger. Därför, behövs en mobil och miljövänlig elproduktionsenhet för att kunna motverka den kommande förödande effekten av den globala uppvärmningen. Samt för att kunna förbättra livskvalitén för de människor som inte har möjligheten till elektricitet.

Målet med denna rapport är att dimensionera elsystemet till en mobilsolcellspark som har möjligheten till att producera 25 kW, samt att kunna lagra den producerade energin till batterier. Rapporten kommer dessutom klargöra vilka komponenter som ingår i en solelproduktionsanläggning och hur de kan användas. Det viktigaste vid dimensioneringen kommer också att klargöras.

Komponenterna som denna rapport inkluderar är: solpaneler, batteriladdningsregulator, växelriktare och batterier.

Innehållsförteckning

Kapitel 1 Inledning ... 1 1.1 Syfte ... 1 1.2 Avgränsningar ... 1 1.3 Mål ... 2 Kapitel 2 Teori ... 3 2.1 Solceller ... 3 2.1.1 Öppenkretsspänning (𝑉𝑂𝐶) ... 3 2.1.2 Kortslutningsström (𝐼𝑆𝐶) ... 3 2.1.3 Maximala effektpunkten (𝑀𝑃𝑃) ... 4 2.2 Likströmsomvandlare (DC/DC) ... 4 2.3 Ackumulator ... 5 2.4 Batteriladdningsnivån ... 6 2.5 Batteriladdningskontroller ... 6 2.5.1 MPPT ... 6 2.5.2 PWM ... 7 2.6 Växelströmsriktare ... 7 2.6.1 On-grid växelströmsriktare ... 8 2.6.2 Off-grid växelströmsriktare ... 8 2.6.3 Hybridväxelriktare ... 9 Kapitel 3 Metod ... 10 3.1 Material ... 10 3.2 Materiell-beskrivning ... 10 3.2.1 Solpanel ... 10 3.2.2 Växelriktare ... 10 3.3 Utförande ... 11 Kapitel 4 Resultat ... 12 4.1 Beräkningar ... 12 4.1.1 Ingång A ... 12 4.1.2 Ingång B ... 13 4.2 Principiellt kopplingsschema ... 15 Kapitel 5 Diskussion ... 16 Bilagor ... 21

1

Kapitel 1 Inledning

1.1 Syfte

Idag har vi många problem när det gäller vår miljö och det blir värre och värre med den ökande Industrialisering som skövlingen av regnskog över hela jorden. Men det är inte alltid produktionen av de olika gods som är det problematiska. Utan, elektriciteten den kräver för att produceras. År 2015 var ca 65 % av elektricitetsproduktionen från olja, gas och kolkällor [1]. Dessutom år 2017 var det ca 22 % av alla avlägsna platser i hela världen som inte har tillgång till elektricitet. [2] Därav behövs en mer enkel, miljövänligare, åtkomlig elproduktion utvecklas. Därför kommer detta examensarbete teoretisera om möjligheten att effektivisera, analysera och utforma ett relativt nytt koncept där produktionen av elektricitet kommer produceras på en mobil solcellsenhet.

Den mobila solcellenheten eller solcellsparken kan ha många olika användningsområden. Där den mobila elproduktionen är den främsta attributen som möjliggör exempelvis flyktingläger till att ha elproduktion. Det finns över 2,6 miljoner människor som lever i flyktingläger idag och miljoner fler som urbaniserat. [3] Flyktingläger uppfattas oftast som en temporär bosättning och därmed långtermiga investeringar som en nätanslutning är oftast inte försvarbart ekonomiskt, men människor som lever i ett flyktingläger kan bo där upp till 20 år. Det är dessutom inte ovanligt att barn har sin uppväxt i olika flyktingläger.

Under denna bosättning beror människorna oftast på dieselgeneratorer för el och fotogen och biomassa vid matlagning och ljus. Vid dåligt ventilerade tält eller vid utökad kontakt med petroleumprodukter kan detta orsaka kraftig andnöd samt kemisk lunginflammation [4]. Dessutom vid torra klimat kan brandrisken öka drastiskt. Därmed skulle en mobil solelproduktion möjligen passa eminent till de människor som bor i flyktingläger då elproduktionen kan hjälpa till med belysning, medicinska applikationer, matberedning och möjligheten för el vid förflyttning.

1.2 Avgränsningar

2

1.3 Mål

• Dimensionera och hitta kraftelektroniken till en mobil elproduktionsenhet. • Klargöra vilka komponenter som kan användas under mobila solcellapplikationer.

3

Kapitel 2 Teori

2.1 Solceller

Solceller finns i stor omfattning i hela världen hos konsumenter men också kommersiella bruk. Solceller producerar ca 2,8 % av jordens elproduktion år 2018. [5]Solcellen uppfanns redan år 1888 där den ryska fysikern Aleksandr Stoletov byggde den första cellen utifrån Heinrich hertz tidigare forskningar på det fotoelektriska fenomenet året före den första cellen skapades. [6]

De flesta solceller som produceras idag består till mestadels av olika halvledare som har karakteristiken att den är bra på att absorbera solstrålning. Det främsta grundämnet som används som halvledare är kisel (Si). [7]

Det finns tre olika typer av solpaneler som kan uppfylla olika behov, de är: poly-kristallina, mono-kristallina och amorfa även känd som tunnfilmsceller. Mono-mono-kristallina är de dyraste panelerna men har dessutom högst verkningsgrad 15–22% och har möjligheten att producera mer energi på en mindre yta, jämfört med de andra. De tillverkas direkt ur ett block av kiselkristall och är därmed relativt komplex i sin tillverkningsprocess. Poly-kristallina solceller kan produceras från olika block av kiselkristall och är därmed mindre komplex i produktionen, den är oftast billigare än mono–kristallina men producerar aningen mindre effekt per kvadratmeter de har oftast en verkningsgrad på ca 15– 17%. Amorfa celler består av ett tunt lager kisel och är därmed flexibla men nackdelen med dessa solceller är att verkningsgraden är låg ca 10–16% och sjunker snabbt med åren jämfört med de andra solcellerna. [8]

2.1.1 Öppenkretsspänning (𝑉

𝑂𝐶

)

Den öppna kretsspänningen är den spänning som en solpanel maximalt kan avge under drift i kalla förhållanden. Denna spänning fås genom att mäta spänningen mellan plus och minusterminalen när ingen last är påkopplad [9], ingen effekt avges vid denna spänning enligt, ”Figur 1”. Denna spänning får inte överstiga växelriktarens maximala inspänning.

2.1.2 Kortslutningsström (𝐼

𝑆𝐶

)

4

2.1.3 Maximala effektpunkten (𝑀

𝑃𝑃

)

Den maximala effektpunkten eller ”Maximum Power Point (Mpp)” är punkten i I-V kurvan där maximal effekt från solcellen avges. [10] Enligt den gula kurvan i ”Figur 1”. Vid normal drift av solpanelerna vill denna punkt användas för att producera mest effekt för användning av olika laster och lagring i batterier. Detta regleras med en dc/dc omvandlare som styrs av olika algoritmer. Dessa reglerar spänningen och strömmen för att uppnå den maximala effektpunken. Den blå kurvan i Figur 1 beskriver hur mycket effekt som produceras vid en speciell punkt i den gula kurvan.

Figur 1 I-V kurva där den blå kurvan beskriver effekten och den gula beskriver ström- och spänningskurvan för solpanelen

2.2 Likströmsomvandlare (DC/DC)

5

Figur 2 Likströmsomvandlare som förstärker spänningen från 24 V till 48 V

Figur 3 Likströmsomvandlare som reducerar spänningen från 24 V till ca 12 V

2.3 Ackumulator

6

batteriet kan lagra. Wattimmar (Wh) kan också användas men Ah är en vanligare bemärkning på batteriet eftersom den är oberoende av batterispänningen. Om energiinnehållet Wh vill uträknas tas den nominella spänningen på batteriet multiplicerat med energimängden i Ah. [12]

2.4 Batteriladdningsnivån

Batteriladdningsnivån kan beskrivas som spänningsskillnaden mellan ett fulladdat och den aktuella batterispänningen, men oftast beskrivs laddningsnivån i procent. Vissa batterier, främst bly-syra batterier ska i synnerhet inte urladdas mer än 20 procent då batteriet blir mer eller mindre förstört. [13] Desto färre och mindre urladdning som görs desto längre kommer att batteriet att hålla. Litium-jon batterier har fler urladdningar och kan laddas ur mer men är istället mer komplicerade vid laddning och dyrare än exempelvis bly-syra batterier.

2.5 Batteriladdningskontroller

Batteriladdningskontrollers används för att ladda ett batteri på ett säkert sätt, då batterier är ömtåliga för: överström, överspänning, överladdning samt höga temperaturer. Det finns olika variationer av Batteriladdningskontrollar de vanligaste är PWM- och MPPT laddningskontrollarar, dessa styr den så kallade ”duty cycle” hos en likströmsomvandlare. Det finns även kontrollerar som har möjligheten att kontrollera att batteriet inte urladdas under den minimala spänningen för batteriet. [13] Detta säkerställer att batteriet har den längsta livslängden som möjligt.

2.5.1 MPPT

MPPT batteriladdningskontrollrar är oftast dyrare än PWM men laddar också batterier på ett effektivare sätt. Eftersom, laddaren använder den maximala laddningseffekten som batteriet kan motta vid en godtycklig tidpunkt (Pmax) enligt, Figur 1. Detta görs genom att reglera ”duty cycle” som i sin tur ökar eller sänker spänningen från solpanelerna. [14]

7

Figur 4 Översiktlig laddningsprocess för batterier (ej litium).

2.5.2 PWM

”Pulse with modulation” laddare skiljer sig från en MPPT: laddare. Både PWM- och MPPT: laddare är direkt ansluten till en batterikälla. En PWM: laddare reglerar spänningen tills den är lite över batterispänningen och därmed använder inte den maximala effekten ett batteri kan motta. [15]

2.6 Växelströmsriktare

Växelströmsriktaren eller inverter är huvudkomponenten förutom solpanelerna i ett solpanelsystem. Det är växelriktaren som omvandlar solpanelernas direktström till växelström som illustreras i Figur 5. Växelström är den vanligaste formen av elektricitet som förekommer i hemmet. Det finns många olika typer av växelriktare. De kan grupperas in i tre olika kategorier: on-grid, off-grid och hybrid. [16] Vid bestämning av den högsta effekten som en växelriktare ska klara av brukar växelriktaren underdimensioneras då solpanelerna sällan producerar vid sin praktiska maxeffekt. Oftast brukar växelriktare underdimensioneras till ca 15–30 % av den maximala effektproduktionen.

Del 2: "Absorption" konstant spänning

Del 3 "Float" konstant spänning Del 1: "Bulk" maximal avtagande

ström

Spänning

8

Figur 5 Ett enfassystem där inspänningen är 48 V och inverteras med toppspänningen 230 V

2.6.1 On-grid växelströmsriktare

On-grid eller nätanslutenväxelströmsriktare kan enbart användas när den är inkopplad tillsammans med nätet. Eftersom, den sammankopplar sig med frekvensen som nätet ligger på. Dessa växelriktare är de vanligaste när solpaneler installeras på taket i olika hem. Strömmen som produceras i solpanelerna används primärt till hemmet. [16] Om mer effekt än vad solpanelerna kan producera behövs, kopplas nätet in automatiskt och mellanskillnaden i effektbehovet köps in från nätet. Om solpanelerna producerar mer än vad som förbrukas säljs detta automatiskt ut till nätet, där nätägaren har obligationen att köpa den överflödande effekten. Om effekten inte säljs till nätägaren eller lagras i batterier, kommer den överproducerade effekten ödslas bort. Dessa växelriktare fungerar oftast heller inte om nätet är ur funktion då växelriktaren inte har en frekvens att följa och kopplas därmed ur helt.

2.6.2 Off-grid växelströmsriktare

9

2.6.3 Hybridväxelriktare

10

Kapitel 3 Metod

3.1 Material

• Solpaneler: ca 25 kW

• Växelriktare: 2st SOLAX X3 HYBRID (parallellkonfiguration) • Batterier (bly-syra- eller litiumbatterier)

• Säkringar • Ledare

• Mobil enhet / släpvagn • Brytare

3.2 Materiell-beskrivning

3.2.1 Solpanel

Solpanelerna som användes har specifikationerna: • Effekt per panel: 250 W

• Öppenkretsspänning (VOC): 30 VOC/st. • Kortslutningsström (ISC): 8 ASC/st.

3.2.2 Växelriktare

SOLAX X3 HYBRID har två ingångar till växelriktaren, Ingång A och B där två separata MPPT:er arbetar. Dessa ingångar skiljer sig med maxkapacitet och den maximala kortslutningsströmmen. Växelriktaren har också en batteriladdningsregulator av typen MPPT med funktionalitet för både bly-syra- och jon batterier. Bly-syra batterierna kan högst dimensioneras till 500 V vid drift, medan litium-jonbatterierna kan högst användas upp till 800 V. Denna växelriktare har en maximal uteffekt på 10 000 W men har möjligheten till parallellkoppling.

Översiktliga specifikationer:

• Nominell uteffekt: 10 000 W

• Maxeffekt ingång A|B: 8000 W | 5000 W • Maximal inspänning: 1000 V

• Maximal kortslutningsström ingång A|B: 23 A | 14 A • Batterispänning litium-jon: 160–800 V

11

3.3 Utförande

Vid dimensioneringen av elektronik på den mobila solcellsparken utgicks den totala solpanelseffekten till ca 25 kW. Därefter bestämdes växelriktaren utifrån kriterierna: off-grid eller hybrid, på minst 18 kW maximal in-effekt på grund av underdimensionering. Eller, möjlighet till parallelldrift samt batterikompatibilitet med batterispänningen på minst några hundra volt. En av växelriktaren som möter dessa krav och som valdes kallas ” SOLAX X3 HYBRID”.

Därefter bestäms hur många solpaneler som ska serie- eller parallellkopplas utifrån växelriktarens maximala inström, effekt och inspänning. Enligt Bilaga 1 Har ”SOLAX X3 HYBRID” en maximal inspänning på 1000 V. Samt en maximal kortslutningsström (VSC) på 23 A på ingång ”A” och 14 A på ingång ”B”. Enligt Ekvation 1 väljs 33 paneler och enligt Ekvation 2 nås den maximala in-effekten i ingång ”A”. Därmed väljs 33 paneler seriekopplade med inga paneler parallellkopplade.

12

Kapitel 4 Resultat

4.1 Beräkningar

Eftersom växelriktaren som utgicks ifrån har två ingångar. Ingång ”A” och ingång ”B” delas

uträkningarna upp i två olika delar med olika specifikationer, enligt specifikationerna från Bilaga 1.

4.1.1 Ingång A

Ekvation 1

Ekvation 1 beskriver hur många paneler som behövs utifrån den maximala inspänningen på växelriktaren dividerat med solpanelens öppnakretsspänning.

𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔å𝑛𝑔 𝐴= 𝐼𝑛𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑀𝑎𝑥 𝑆𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 = 1000 [𝑉] 30 [𝑉𝑜𝑐] [𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙]⁄ ≈ 33,3 [𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟] (avrundar ner) = 33 [𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟] [ekv. 1] Ekvation 2

Ekvation 2 beskriver hur stor effekt som produceras till ingång ”A” utifrån antal paneler i Ekvation 1 multiplicerat med den maximala effektproduktionen från en panel.

𝐼𝑛𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑖𝑛𝑔å𝑛𝑔 𝐴 = 𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔å𝑛𝑔 𝐴 × 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 =

= 33 [𝑠𝑡] × 250 [𝑊] = 8250 [𝑊]

13

Ekvation 3

Ekvation 3 kontrollerar att den öppnakretsspänningen är mindre än den maximala inspänningen.

Kontroll Ö𝑝𝑝𝑒𝑛𝑘𝑟𝑒𝑡𝑠𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 = 33 [𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟] × 30 [𝑉𝑜𝑐] [𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙]⁄ = 990 [𝑉𝑜𝑐 ] 𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 = 1000 [𝑉] Ö𝑝𝑝𝑒𝑛𝑘𝑟𝑒𝑡𝑠𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 < M𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 990 [V] < 1000 [V] ok 𝐾𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑠𝑡𝑟ö𝑚 = 1 [𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙𝑒𝑙𝑙] × 9 [𝐴𝑆𝐶] = 9 [𝐴𝑆𝐶] 𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑎 𝑘𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑟ö𝑚𝑚𝑒𝑛 = 23 [𝐴] 𝐾𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑠𝑡𝑟ö𝑚 < M𝑎𝑥𝑖𝑎𝑚𝑙𝑎 𝑘𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑟ö𝑚𝑚𝑒𝑛 9 [A] < 23 [A] ok [ekv. 3]

4.1.2 Ingång B

Ekvation 4

Ekvation 4 Beskriver antalet paneler som kopplas till ingång ”B” utifrån den maximala in effekten i ingång ”B” dividerat med effekten per panel.

14

Ekvation 5

Ekvation 5 kontrollerar att den öppnakretsspänningen är mindre än den maximala inspänningen.

Kontroll Ö𝑝𝑝𝑒𝑛𝑘𝑟𝑒𝑡𝑠𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 = 20[𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑟] × 30[𝑉𝑜𝑐] 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙⁄ = 600 [𝑉𝑜𝑐] Ö𝑝𝑝𝑒𝑛𝑘𝑟𝑒𝑡𝑠𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔 < M𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑠𝑝ä𝑛𝑛𝑖𝑛𝑔𝑒𝑛 600 [V] < 1000 [V] ok 𝐾𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑠𝑡𝑟ö𝑚 = 1 [P𝑎𝑟𝑎𝑙𝑙𝑒𝑙𝑙] × 9 [𝐴𝑆𝐶] = 9 [𝐴𝑆𝐶] 𝐾𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑠𝑡𝑟ö𝑚 < Ma𝑥𝑖𝑎𝑚𝑙𝑎 𝑘𝑜𝑟𝑡𝑠𝑙𝑢𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑡𝑟ö𝑚𝑚𝑒𝑛 9 [A] < 14 [A] ok [ekv. 5] Ekvation 6

Ekvation 6 beskriver antalet solpaneler och hur mycket effekt som produceras enligt exemplet.

15

4.2 Principiellt kopplingsschema

Ett principiellt kopplingsschema utifrån beräkningarna 1–6 och Bilaga 1. Där två uppsättningar av solpaneler, växelriktare och batterier kopplas samman för att uppnå en effekt på ca 25 kW.

16

Kapitel 5 Diskussion

Vid dimensioneringen av elektroniken till en mobil solcellspark är det viktigt att undersöka vad målet med konstruktionen är och till vilket ändamål produkten ska uppnå. Beroende på hur stora lasterna som ska drivas behövs en viss mängd solelproduktion i detta fall valdes ca 26 kW. Detta värde är den maximala effekten som kan användas på en mobilsolcellsenhet med växelriktaren ”Solax X3 hybrid”. Eftersom den maximala spänningen kan uppnå 990 Voc kan färre paneler användas då detta är relativt nära maxgränsen för växelriktaren. Målet utgicks från början till att 25 kW solpaneler skulle användas men det blev en ökning på ca 1 kW. Denna ändring gjordes för att maximera uteffekten som kunde användas från denna växelriktare. Solpanelstypen som bör användas vid en mobilsolparks applikation bör vara solpaneler som kan producera högst effekt på så liten yta som möjligt, eftersom ytan är begränsad på en mobil enhet. Därav bör monokristallina solpaneler användas.

I många fall behövs inte den graden av solelproduktion om bara några få apparater ska drivas som vid exempelvis ett sommarhus eller en campingplats. Där konsumtionen ligger under 20 kWh per dag. Detta innebär att en solpanelspark på 20 kW behöver drivas vid fullkapacitet en timme. Om 26 kW skulle användas vid denna applikation skulle solpanelerna överproducera och energin som inte lagras till batterierna går till spillo. En solpanelseffekt på högre än 10 kW medför oftast att två eller fler växelriktare måste användas eftersom individuella off-grid- eller hybridväxelriktare på marknaden brukar oftast inte invertera mer än 10 kW per växelriktare. Det är därför viktigt att avgöra hur mycket kapacitet som krävs för att driva lasterna och i sin tur avgöra vilka komponenter som behövs.

För att avgöra hur mycket effekt som behöver produceras måste några olika faktorer förutom lasterna begrundas såsom klimatet, vilket väderstreck solpanelerna ska placeras och skuggningen. Vid mobil solelproduktion är dessa problem lättöverkomliga förutom klimatet, men Sverige har tillräckligt bra solelproduktion för att nå maxkapacitet några timmar per dag under sommaren. För att avgöra lasterna brukas begreppet kilowattimmar, (kWh) användas, detta beskriver hur många kilowatt en enhet konsumerar eller producerar multiplicerat med hur många timmar enheten var i drift. Generellt behöver solelproduktionen i kilowattimmar vara mer än konsumtionen av lasterna i kilowattimmar under en godtycklig tidsperiod. Detta gäller enbart om ett energilagringssystem är implementerat och hur mycket energi det kan lagra. Om solelproduktionen är mindre än konsumtionen kan lasten bara drivas en viss tidsperiod och hur lång den varar beror på hur mycket energi som är lagrat, hur stor lasten är och hur länge lasten ska drivas. Vid applikationer där ett energilagringssystem inte är närvarande behöver momentanuttaget i effekt (kW) vara mindre än energiproduktionen från solpanelerna plus eventuella värmeförluster.

17

när det enbart ska användas som reservkraft eller vid strömavbrott eller liknande. Off-grid växelriktare är också ett bra användningsområde när de används på resande fot, som exempelvis på båtar eller husvagnar.

I detta fall valdes typen hybrid eftersom solelproduktionen bestämdes till 25 kW och när lasterna inte drivs är möjligheten till att sälja elen nödvändig. Det finns möjligheter till att välja en off-grid växelriktare på den mobila enheten i detta fall, för att sedan koppla upp den mobila enheten till ännu en växelriktare. Som sedan har möjligheten till att sälja det vidare till nätet, men då måste en extra produkt införskaffas. När typen av växelriktare är bestämd behöver maxeffekten avgöras. Detta görs utifrån den valda solelproduktionen där växelriktaren bör underdimensioneras ca 15–35 % av maxeffekten. Därefter väljs eventuella önskade egenskaper som exempelvis batterikompabillitet, antal ingångar och MPPT:er, parallellkopplingskompabillitet, kapslingsklassning, antal faser som växelriktaren kan ge ut, oftast används 1 eller 3 faser, maxinspänning och maxinström, med flera. Detta beror vilka egenskaper som behövs för applikationen. I detta fall valdes hybridväxelriktaren utifrån kapslingsklassen på minst IP 67 eftersom den ska ha möjligheten att användas utomhus, dessutom valdes Solax X3 för möjligheten till parallellkoppling. Parallellkoppling skapar möjligheten till att bygga ut systemet för framtiden om mer solelproduktion behövs. För detta exempel valdes ca 26 kW solelproduktion, vilket innebär att minst två växelriktare behövs. För att implementera detta används en kommunikationskabel mellan de två växelriktare och en ”master ” och en ”slave” utses. Det principiella kopplingsschemat blir detsamma på den andra växelriktaren om samma soleleffekt används. Vid parallellkoppling av flera växelriktare, är det viktigt att samma modell av växelriktare används. Det kan skapas osymmetriska spänningar, strömmar och laster om olika växelriktare används, vilket kan skada utrustningen.

Därefter bestäms batteriladdningsregulatorn beroende om batterier eftertraktas och om växelriktaren som används har en batteriladdningsregulator inkluderad eller inte. Batteriladdningsregulatorn begränsas oftast av spänningen då så många seriekopplade solpaneler som möjligt önskas. Batteriladdningsregulatorer som används externt utanför växelriktaren är oftast för mindre applikationer mellan 0–2,5 kW. Vid högre effekter är oftast batteriladdningskontrollern inkluderad i växelriktaren.

Dimensioneringen av batteriladdningskontrollern baseras på vilka olika typer av batterier den kan ladda, alla batteriladdningsregulatorer stödjer inte alla olika typer av batterier. Det är därför viktigt att detta är kompatibelt då batterier kan kosta mer än de andra komponenterna tillsammans. Batteriladdningsregulatorn dimensioneras också baserat på hur mycket ström batteriladdningsregulatorn kan ge och ta från batterierna. Generellt bör laddningen av batterier ske så långsamt som möjligt för att maximera livslängden på batteriet och effektiviteten. Detta är inte alltid möjligt, den rekommenderade laddningsströmmen för ett bly-syra batteri är ca 0,2 C. Alltså om ett bly-syra batteri på 100 Ah bör det laddas med mindre än 20 A. Litium-jonbatterier är inte lika känsliga och kan laddas betydligt snabbare men det rekommenderade är alltid ladda batteriet så långsamt som möjligt. Den maximala laddningsströmmen är oftast specificerad på specifikationerna för de olika batterierna.

18

växelriktaren kan hantera, vilket är mellan 160–500 V för bly-batterier. Detta innebär att minst 14 stycken 12 volts batterier med energimängden 125 Ah behöver användas. Alternativt 24 stycken 12 volt batterier med energimängden på minst 63 Ah där, 12 batterier kopplas i serie och 2 i parallell. Batterierna bör dimensioneras med vilka laster som ska drivas i åtanke och hur länge det ska drivas utan solelproduktion, men samtidigt vara inom intervallet som växelriktaren kan hantera.

Exempelvis om en last på växelströmssidan drivs med en effekt på 5 kW och ska drivas i 24 timmar utan någon elproduktion från solpanelerna. Då behövs energimängden i batterierna, enligt [ekv. 7]

5 [𝑘𝑊] × 24[ℎ] = 120 [𝑘𝑊ℎ] _{[ekv. 7]}

För att beräkna energimängden i batterierna måste en batterispänning bestämmas.

Batterispänningen kan bestämmas genom att välja urladdningsströmmen som ska vara mindre än växelriktarens maximala urladdningsström. I detta fall är den maximala strömmen 25 A enligt Bilaga 1. Därav väljs 20 A för att underdimensionera på grund av värmeförlusterna som sker och ökad batterilivslängd. Därpå beräknas batterispänningen, enligt [ekv. 8]

5 [𝑘𝑊]

20 [𝐴] = 250 [𝑉]

[ekv. 8]

Därefter bestäms energimängden i batterierna, enligt [ekv. 9].

120 [𝑘𝑊ℎ]

250 [V] = 480 [𝐴ℎ] [ekv. 9]

För att ta reda på ”C” urladdningen tas urladdningsströmmen genom energimängden i Ah i batteriet. Enligt [ekv. 10] 20 𝐴 480 𝐴ℎ= 1 24≈ 0.041667 𝐶 [ekv. 10]

Eftersom värmeförluster kommer att ske under detta förlopp, är detta de teoretiska värdena. I praktiken behövs mer energimängd i batterierna på grund av förlusterna. Säkringarna som användes baseras på hur mycket ström som solpanelerna kan maximalt ge ut vilket var max 8 A därav väljs en säkring på 9 A. För batterierna var den maximala strömgenomföringen 25 A och närmsta

19

Referenser

[1] Världsbanken, “Electricity production from oil, gas and coal sources (% of total),” IEA Statistics, 2014. [Online]. Available: https://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.FOSL.ZS. [Accessed 28 04 2020].

[2] Världsbanken, ”Access to electricity, rural (% of rural population),” 2017. [Online]. Available: https://data.worldbank.org/indicator/EG.ELC.ACCS.RU.ZS?end=2017&most_recent_value_desc =false&start=1990. [Använd 29 04 2020].

[3] FN:s flyktingkommissariat, ”Refugee Camps,” 2020. [Online]. Available: https://www.unrefugees.org/refugee-facts/camps/. [Använd 11 05 2020]. [4] Giftinformationscentralen, ”Fotogen,” [Online]. Available:

https://giftinformation.se/kemikalieregister/fotogen/. [Använd 11 05 2020].

[5] Joint Research Centre (JRC), ”Globally, new solar power plants added almost 35% to new power generating capacity in 2017,” European Commission, 18 12 2018. [Online]. Available:

https://phys.org/news/2018-12-globally-solar-power-added-capacity.html. [Använd 24 02 2020].

[6] P. Gevorkian, i Sustainable Energy System Engineering: The Complete Green Building Design Resource, McGraw Hill Professional, 2007.

[7] T. Markvart, L. Castañer och M. Augustin, Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation 2nd Edition, Academic Press, 2012.

[8] Energimyndigheten, ”Olika typer av solceller,” 17 01 2019. [Online]. Available:

https://www.energimyndigheten.se/fornybart/solelportalen/lar-dig-mer-om-solceller/olika-typer-av-solceller/. [Använd 24 02 2020].

[9] ”SEK Handbok SEK Handbok 444,” i Elinstallationsreglerna - SS 436 40 00, utg 3, med kommentarer, SEK Svensk Elstandard, 2019.

[10 ]

M. Seyedmahmoudian, ”MDPI,” 4 1 2013. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/1996-1073/6/1/128. [Använd 11 02 2020].

[11 ]

I. Batarseh och A. Harb, Power Electronics Circuit Analysis and Design (4. Ed.), Springer, 2003.

[12 ]

D. Linden och T. Reddy, Handbook of Batteries, McGraw-Hill, 2001.

[13 ]

USA:s energidepartement (United States Department of Energy), ”Balance-of-System Equipment Required for Renewable Energy Systems,” [Online]. Available:

20 [14

]

International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 14 07 2014. [Online]. Available:

https://pdfs.semanticscholar.org/07f5/226097ef72598953aeac9e65855bc3f1f5ab.pdf. [Använd 05 06 2020].

[15 ]

M. Shoaib och N. V, 2013. [Online]. Available:

https://pdfs.semanticscholar.org/89ca/1595bec529ee1df234533a35ef12d561a114.pdf. [Använd 05 06 2020].

[16 ]

U.S. Department of Energy, ”Inverter testing at Sandia National Laboratories,” 01 04 1997. [Online]. Available: https://www.osti.gov/biblio/463622. [Använd 05 06 2020].

[17 ]

OpenClipart-Vectors, ”Pixaby,” [Online]. Available: https://pixabay.com/users/openclipart-vectors-30363/. [Använd 14 05 2020].

[18 ]

Clker-Free-Vector-Images, ”Pixaby,” [Online]. Available: https://pixabay.com/users/Clker-Free-

21

Bilagor

Datablad Solax X3 hybrid