Bachelor of Science Thesis
KTH School of Industrial Engineering and Management
Energi-‐ och ekonomipotential
för solceller i Hållbara Järva
Kristina Eriksson Henrik Persson
Bachelor of Science Thesis EGI-‐2013
Energi-‐ och ekonomipotential för solceller i Hållbara Järva
Kristina Eriksson
Henrik Persson
Approved
Examiner
Catharina Erlich
Supervisor
Nenad Glodic
Commissioner
Contact person
Abstract
One of the city of Stockholm’s main objectives is to have a society completely free from fossil fuels. To achieve this, several investments regarding improvements in energy efficiency and renewable energy are currently being planned or implemented. One of these investments is a project called Hållbara Järva which is located in the suburbs of Stockholm.
The purpose of this thesis is to examine the prospects of an investment in photovoltaic cells from an energy-‐saving and economical point of view. The analysis is limited to three buildings within Hållbara Järva and is intended for the property owner.
Solar energy is a type of renewable energy source and is commonly divided into solar heating and solar power. This thesis introduces both techniques but the calculations are limited to solar power. The many types of technical solutions for photovoltaic cells all derives from the same phenomena. In commercial applications the photovoltaic cells are connected with a power inverter to form a power providing system.
To approach the issue an analysis of three main areas is made. Primarily the photovoltaic system is sized based on the electricity consumption in the buildings. Furthermore an assessment is made whether or not the photovoltaic system is a profitable investment.
Lastly a comparison between the output of the analysis and the main renewable energy objectives for Hållbara Järva is made.
The final result is obtained which states that the photovoltaic system yields a sufficient amount of electricity during the summer, to meet the electricity requirements in the buildings. The system should be sized so that the monthly electricity production never exceeds the demand. An evaluation of this particular investment determines that it yields a small profit.
Sammanfattning
För att uppnå målsättningen om en fossilbränslefri stad planerar och genomför Stockholms stad i dagsläget ett flertal projekt inom energieffektivisering och förnybar energi. Ett av dessa projekt som pågår för närvarande är Hållbara Järva.
Syftet med detta arbete är att på tre fastigheter i Järva undersöka vilka följder som en installation av solceller får, sett ur ett energi-‐ och ekonomisperspektiv. Studien riktar sig till fastighetsägaren för att främja kunskapen inför kommande ombyggnader.
Förnybara energikällor innefattar bland annat solenergi som kan delas in i två huvudkategorier; solvärme och solel. Denna studie beskriver båda dessa men beräkningarna begränsas till el från solceller. Det finns en mångfald av olika solcellstekniker där samtliga arbetar enligt samma princip. I faktiska tillämpningar sammankopplas flera solceller med en växelriktare. Komponenterna utgör tillsammans ett elförsörjande system.
Studiens tillvägagångssätt utgår från tre huvudområden; analys av elanvändning i förhållande till elproduktion, lönsamhetsberäkningar samt en jämförelse mellan denna studies resultat och Hållbara Järvas projektmål. Inledningsvis dimensioneras en solcellsanläggning utifrån fastigheternas respektive elbehov. Vidare bedöms investeringens lönsamhet utifrån den erhållna anläggningen. Resultaten från analysen ligger till grund för jämförelsen med Hållbara Järvas projektmål.
Slutligen erhålls resultatet att under sommaren går fastigheternas elbehov att täcka med el från solceller. Anläggningen bör dimensioneras för att inte generera något överskott under någon av årets månader. Ekonomiskt sett ger en investering likt denna studie föreslår en liten vinst.
Innehållsförteckning
Abstract ... 3
Sammanfattning ... 4
Nomenklatur ... 8
1. Inledning ... 10
2. Problemformulering och mål ... 12
3. Hållbara Järva ... 13
3.1. Hållbara Järva Projektmål ... 14
3.2. Fallstudie: Osbyringen 40-‐56 ... 15
4. Solenergi ... 18
4.1. Solstrålning ... 18
5. Solfångare ... 20
5.1. Ingående delar ... 20
5.2. Typer av solfångare ... 21
5.2.1. Plana Solfångare ... 21
5.2.2. Vakuumrörsolfångare ... 21
5.2.3. Paraboliska solfångare ... 22
5.3. Värmeförluster och verkningsgrad ... 23
6. El från solen ... 24
6.1. Den fotoelektriska effekten ... 24
6.2. Solcellens historia ... 24
6.3. Halvledare – ett lämpligt material för solceller ... 25
6.4. Solcellens funktion ... 26
6.5. Typer av solceller och solcellsmoduler ... 27
6.5.1. Kristallina kiselsolceller ... 28
6.5.2. Tunnfilmssolceller ... 29
6.6. Systemlösningar för solceller ... 29
6.6.1. Växelriktare ... 30
7. Erfarenheter av befintliga solcellsanläggningar ... 31
7.1. Ullevi ... 31
7.2. Helsingborgs arena ... 31
7.3. Kattrumpstullen ... 31
8. Installation ... 32
8.1. Optimal lutning för solcellsmoduler ... 32
8.2. Markreflektion och skuggning ... 34
9. Ekonomi i staden och de allmännyttiga bostadsbolagen ... 36
9.1. Elcertifikat för att främja förnybara energikällor ... 37
9.2. Lönsamhetskalkylering ... 37
9.2.1. Payback-‐metoden ... 37
9.2.2. Nuvärdesmetoden ... 38
10. Metod ... 39
10.1. Dimensionering av effektiv area utifrån elförbrukning ... 39
10.1.1. Elproduktion från elförbrukning ... 41
10.1.3. Programvara för att utvärdera instrålning ... 42
10.1.4. Simulerad instrålning från digital höjdmodell och meteorologisk data ... 42
10.2. Nuvärdeskalkyl ... 45
10.2.1. Investeringskostnad med eller utan statligt bidrag ... 46
10.2.2. Livslängd och avkastningskrav ... 46
10.2.3. Elpriset och dess utveckling ... 46
10.2.4. Övriga intäkter/kostnader ... 48
10.2.5. Nettonuvärde ... 50
10.3. Solcellselens pris ... 52
10.4. Applikation av Hållbara Järvas projektmål på fallstudien Osbyringen ... 54
10.4.1. Omskalning av Hållbara Järvas projektmål 3B ... 54
10.5. Känslighetsanalys ... 55
11. Resultat och Diskussion ... 57
11.1. Grundläggande delresultat ... 57
11.2. Basscenario ... 58
11.2.1. Basscenario: area och elproduktion ... 58
11.2.2. Basscenario: bedömning av lönsamheten med hjälp av nettonuvärdet ... 60
11.2.3. Basscenario: solcellselens pris ... 61
11.3. Area och elproduktion ... 62
11.3.1. Scenario 2: varierad systemverkningsgrad ... 62
11.3.3. Scenario 3: varierad solinstrålning ... 64
11.3.4. Sammanfattande resultat och diskussion angående area och elproduktion ... 66
11.4. Lönsamhet ur ett nuvärdesperspektiv ... 67
11.4.1. Scenario 2: Systemverkningsgradens inverkan på lönsamheten ... 67
11.4.2. Scenario 3: Solinstrålningens inverkan på lönsamheten ... 68
11.4.3. Scenario 4: Avkastningskravets inverkan på lönsamheten ... 70
11.4.4. Scenario 5: Elprisökningens inverkan på lönsamheten ... 71
11.4.5. Scenario 6: Det statliga bidragets inverkan på lönsamheten ... 72
11.4.6. Sammanfattande resultat och diskussion angående lönsamheten ... 72
11.5. Solcellselens pris ... 74
11.5.1. Scenario 2: Systemverkningsgradens inverkan på solcellselens pris. ... 74
11.5.2. Scenario 3: Solinstrålningens inverkan på solcellselens pris ... 74
11.5.3. Scenario 4: Avkastningskravets inverkan på solcellselens pris ... 75
11.5.4. Scenario 6: Det statliga bidragets inverkan på solcellselens pris ... 75
11.5.5. Sammanfattande resultat och diskussion angående solcellselens pris ... 76
11.6. Projektmål ... 76
11.7. Solceller i ett bredare perspektiv ... 77
12. Slutsatser ... 79
13. Förslag till framtida arbete ... 80
Referenser ... 81
Bilaga 1 – Åtgärdsbeskrivningar av Hållbara Järvas projektmål ... 90
Nomenklatur
Benämning Beteckning Enhet
Effektiv takarea m2
Annuitetskostnad för växelriktaren kr
Annuitetskostnad för övrigt material och övriga kostnader kr
Årliga service-‐ och underhållskostnader kr
Årligt inbetalningsöverskott, payback-‐metoden kr
Annuitetsfaktor vid år n -‐
Årlig elproduktion kWh
Nuvärdesfaktorn vid år n -‐
Grundinvestering utan statligt bidrag kr
Grundinvestering med statligt bidrag kr
Årlig solinstrålning per kvadratmeter kWh/m2
Detaljens höjd m
Intäkt från försäljning av elcertifikat kr
Intäkt från uteblivna elkostnader kr
Årlig kostnad för att ingå i handeln med elcertifikat kr
Kostnad för nyckelvärdig anläggning kr/kWt
Nettonuvärde med statligt bidrag kr
Nettonuvärde med statligt bidrag kr
Nuvärde vid år n kr
Antal år -‐
Ingående elektromagnetisk effekt W
Utgående elektrisk effekt W
Ursprungligt elcertifikatpris kr/kWh
Elcertifikatpris vid år n kr/kWh
Ursprungligt elpris kr/kWh
Elpris vid år n kr/kWh
Solcellselens pris kr/kWh
Installerad toppeffekt kWt
Avkastningskrav %
Årlig ökning av elcertifikatpriset %
A
aväx
amod
asu
apb
dn
E fn
G
Gb
h H Ic
Ie
Kc
Ki
N
Nb
Nn
n
Pin
Put
pc ,
pc n
pe ,
pe n solel
p
Pt
r rc
Årlig elprisökning %
Återbetalningstid år
Kostnad för utbyte av växelriktaren kr/kWt
Verkningsgrad för solcellsmodulerna %
Systemverkningsgrad för hela anläggningen %
Verkningsgrad för växelriktaren %
re
Tåter
V
ηmod
ηsyst
ηväx
1. Inledning
Stockholm utnämndes till Europas miljöhuvudstad 2010 av Europeiska kommissionen bland annat tack vare stadens miljömål. Ett av dessa mål som Stockholms stad har satt upp är att vara fossilbränslefritt 2050. (Stockholms stad, 2010a)
I arbetet mot sin målbild bedriver Stockholms stad ett projekt som bland annat omfattar en upprustning av bostäder tillhörande miljonprogrammet i och omkring Järva. Projektet heter Hållbara Järva och ska bli ett miljöprofilområde. Kärnan i ombyggnationen är energieffektiviseringar däribland en investering i förnybara energikällor (Stockholms stad, 2013b). De förnybara energikällorna i detta fall är solenergi i form av byggnadsintegrerade solfångare och solceller (Miljöförvaltningen, 2013).
Solelproduktionen i Sverige är i dagsläget inte vidare utbredd. Detta beror delvis på grund av olägenheten mellan solcellen och Sveriges årstider -‐ solcellen producerar som minst när elbehovet i landet är som störst. Dessutom har solceller historiskt sett haft höga priser vilket har lett till att de inte har fått något genomslag i landet, trots att potentialen i Sverige är lika god som i Mellaneuropa. Medelinstrålningen under ett år i Sverige är cirka 1000 kWh/m2 vilket kan jämföras med motsvarande för Afrika och Medelhavsländerna som är ungefär det dubbla (Kungliga vetenskapsakademiens energiutskott, 2009). Trots en lägre solinstrålning så finns god kapacitet för solelproduktion i Sverige. Enligt en studie från Lunds tekniska högskola som gjordes år 2000 hade Sverige, med dåvarande tillgänglig byggnadsarea, potential att producera 40 TWh el per år med solceller, idag är detta värde ännu större (Kjellsson, 2000). Figur 1 visar en potentialkarta över solinstrålningen i Europa.
Figur 1. Potential för solenergi i Europa. (Europeiska Unionen, 2012)
I Figur 1 kan urskiljas att solinstrålningen i Sverige är i samma storleksordning som i större delen av Tyskland, omkring 1100 kWh. Strålningen i kartan är baserad på årlig instrålning på söderriktade ytor med optimal lutning vilket förklarar att värdet är något högre än normalt.
Tyskland är den uppenbart största producenten av solcellsel i Europa. De innehar 24,6 MWt vilket nästan utgör hälften av hela Europas kapacitet på 51 MWt. (European Photovoltaic Industry Association, 2012)
Elpriserna för konventionell el har ökat med 20 öre per femårsperiod sedan år 2000 (Energicentrum vid Miljöförvaltningen Stockholm stad, 2012). Under samma period har priset för solcellsel minskat fortlöpande. Detta tillsammans med statliga subventioner för solcellsanläggningar genererar ett större intresse för tekniken (Miljöförvaltningen, 2012).
2. Problemformulering och mål
Stockholms stad har satt upp ett mål; att Stockholm ska vara fossilbränslefritt år 2050. Detta, tillsammans med sjunkande priser på solceller främjar möjligheterna för att utöka antalet solcellsanläggningar. Till följd av detta bedriver Stockholms stad just nu en omfattande satsning på ett nytt miljöprofilområde, Hållbara Järva. Där planeras att investera i 10 000 m2 solceller. För en stor del av satsningen står ett utav Stockholms stads allmännyttiga bostadsbolag, Svenska Bostäder. (Stockholms stad, 2013d)
Syftet med detta arbete är att i ett specifikt område inom Hållbara Järva undersöka; den energipåverkan som en investering i solceller medför, lönsamheten i investeringen samt utreda huruvida investeringen främjar Stockholms stads arbete för att uppfylla energimålen för Hållbara Järva. Med energipåverkan åsyftas skillnaden i hur stor andel fastighetsel som är köpt från det konventionella elnätet före respektive efter solcellsinstallationen.
Studien är avgränsad till tre av Svenska Bostäders fastigheter i det blivande miljöprofilområdet Hållbara Järva i Stockholm. Fastigheterna är belägna i Rinkeby på adresserna Osbyringen 40-‐56. Arbetet undersöker endast möjligheten för installation av solceller på takytor.
Projektet genomförs utan uppdragsgivare men utgår ifrån Stockholms stads generella energimålsättningar och allra främst de specifika målsättningarna för Hållbara Järva. En utgångspunkt för att nå hög trovärdighet med arbetet är att erhålla aktuella uppgifter om bland annat elförbrukning och avkastningskrav från Svenska Bostäder.
Målsättningarna med detta arbete är att:
1. Bedöma hur mycket konventionell el som kan undvika att köpas tack vare en installation av solceller, på månads-‐ och årsbasis. Delmål i denna process är att:
a. Simulera solinstrålning på fastigheterna på Osbyringen b. Dimensionera en solcellsanläggning för dessa fastigheter c. Utvärdera årlig elproduktion
d. Jämföra elproduktionen med elförbrukningen 2. Beräkna lönsamheten i investeringen genom att:
a. Beräkna investeringens nettonuvärde b. Beräkna solcellselens pris
3. Uppskatta i vilken utsträckning Hållbara Järva gynnas av en solcellsanläggning på Osbyringen. Detta utförs genom att:
a. Gå igenom Stockholms stads projektmål för Hållbara Järva och applicera dem på denna fallstudie
b. Jämföra resultaten från fallstudien med de uppsatta målen
c. Bedöma hur mycket närmre Hållbara Järvas projektmål är att uppfyllas tack
vare solcellerna på Osbyringen
3. Hållbara Järva
Hållbara Järva är ett miljöprofilområde som just nu är under utveckling i Stockholm. Området består av fem stadsdelar som omger Järvafältet. Dessa är Akalla, Husby, Kista, Tensta och Rinkeby och själva Järvafältet som är ett viktigt kultur-‐ och naturreservat. Figur 2 visar området och sju fastigheter som kommer att utgöra ett pilotprojekt i en omfattande renovering med energieffektivisering.
Figur 2. Järvaområdet och de sju pilothusen. (Stockholms stad, 2013e)
Dagens bostäder i området byggdes i huvudsak mellan 1965-‐75 under miljonprogrammets förlopp för att bota den rådande bostadsbristen i Sverige. I området kring Järvafältet byggdes då omkring 25 000 lägenheter där det idag bor nästan 60 000 personer (Stockholms stad, 2013a). Dessa lägenheter är idag slitna och i behov av renovering samtidigt som att området präglas av hög arbetslöshet. Därför har en politisk satsning startat vid namn ”Vision Järva 2030” som syftar till att göra Järvaområdet till en attraktiv stadsdel och en tillväxtmotor för resten av staden. Visionen är en långsiktig satsning som behandlar både sociala och
(Stockholms stad, 2013b). Samtidigt som upprustningen av miljonprogramshusen drivs projektet Hållbara Järva som är en satsning på ekologisk, social och ekonomiskt hållbar utveckling. Med fokus på tio förbättringsområden däribland en omfattande energieffektivisering, minskad energianvändning, satsning på förnybar energi med mera, ska Järva göras till ”en nationell och internationell förebild för hållbar upprustning av miljonprogramsområden” (Stockholms stad, 2013c). Renovering med energieffektiviserande åtgärder utförs på sju av Svenska Bostäders hus med sammanlagt 350 lägenheter. Projektet påbörjades i januari 2010 och kommer att pågå i fem år. Efter utvärderingen av projektet år 2014 så kommer ytterligare 5200 av Svenska Bostäders lägenheter att renoveras (Stockholms stad, 2013d).
Initiativtagaren till projektet är Miljöförvaltningens avdelningsdirektör Gustav Landahl men antalet involverade aktörer i projektet är många. Samarbetet sker bland annat med Svenska Bostäder, Trafikkontoret och stadsdelsförvaltningarna och utvärderingsarbetet görs av en doktorand från Kungliga Tekniska Högskolan. Det har ansökts om bidrag för projektet hos delegationen för hållbara städer. Delegationen tillsattes av regeringen för att från 2008 till 2012 stimulera och stödja hållbar stadsutveckling (Delegationen för hållbara städer, 2012). År 2009 beviljade delegationen för hållbara städer denna ansökan om investeringsstöd och ett bidrag på 55 miljoner kronor tilldelades Hållbara Järva (Stockholms stad, 2010b).
3.1. Hållbara Järva Projektmål
Ur Hållbara Järvas projektmål lyfts de mål som anses vara relevanta för denna studie ur.
Dessa omfattar samtliga av deras mål för förnybara energikällor. Målsättningarna inom arbetsområdet förnybara energikällor är:
”Arbetsområde 03: Förnybar energi
Mål 3A. Installera 360 m2 solfångare som producerar cirka 180 MWh/år Mål 3B. Skapa Sveriges solcellstätaste stadsdel: ”Järva solstaden”, med 10 000 m2 solceller med en installerad toppeffekt på 1,4 MWt Mål 3C. Utveckla ett gemensamt uppföljningssystem
Mål 3D. Informera om solcellernas elproduktion på fastighetsnivå, områdesnivå och centralt
Mål 3E. Utreda möjligheter för klimatneutral energiförsörjning för 350 lägenheter på Järva till 2014” (Miljöförvaltningen, 2013)
Utav dessa målsättningar görs ännu en gallring för att endast fokusera på de projektmål som kan påverkas av en solcellssatsning på Osbyringen. En kortare sammanfattning av dessa utvalda punkter presenteras nedan. För Miljöförvaltningens fullständiga åtgärdsbeskrivningar av dessa projektmål hänvisas läsaren till Bilaga 1.
Mål 3B.
Svenska Bostäder, Familjebostäder och Fastighetsförvaltningen kommer att installera solceller på cirka 1,4 MWt på totalt 40 fastigheter varav fyra är idrottsanläggningar.
(Miljöförvaltningen, 2013) Mål 3C.
Samtidigt med installationen av solcellerna ska ett system för att leverera data till Stockholms stad inrättas. Miljöförvaltningen ska även bygga upp en databas för Stockholms stad där dessa data kan samlas in och användas till forskningssyften. (Miljöförvaltningen, 2013)
Dessa två målsättningar kommer att fungera som utgångspunkt i denna rapports delanalys att uppskatta i vilken utsträckning Hållbara Järva gynnas av en solcellsanläggning på Osbyringen.
3.2. Fallstudie: Osbyringen 40-‐56
Svenska Bostäder började i och med Järvalyftets start år 2010 en omfattande renovering av sina fastigheter i området Järva. De har som mål att renovera alla fastigheter i Rinkeby och tre av dessa utgörs av Osbyringen 40-‐56 och har en planerad byggstart år 2019 (Svenska Bostäder, 2008). I och med denna långt framförskjutna byggnadsstart är förhoppningen att arbetets utfall ska underlätta huruvida solceller väljs att installeras här eller inte.
Husens tak har en svag lutning i sydvästlig riktning vilket lämpar sig väl för placering av solceller. De är lika höga eller högre än sin omgivning och deras avstånd sinsemellan är tillräckligt stort för att de inte ska skugga varandra. I Figur 3 visas fastigheterna i satellitbild.
Husnumrens placering i figuren nedifrån och upp är: Osbyringen 40-‐44 längst ned, Osbyringen 46-‐52 i mitten och det översta huset i figuren är Osbyringen 54-‐56.
Figur 3. Satellitbild av fastigheterna på Osbyringen.
I Figur 3 kan även ses att byggnaderna 40-‐44 och 46-‐52 har likadan takgeometri. Taket på husnummer 54-‐56 skiljer sig dock signifikant från de andra två.
Taken på Osbyringen nummer 40-‐44 och 46-‐52 har en konstant lutning på cirka 12 grader och är ungefär 50 meter långt och 12 meter brett. De har några enstaka detaljer såsom skorstenar vilka kommer att ge upphov till viss skuggning. Hus nummer 54-‐56 har en något mer komplicerad geometri. Taket har en brantare lutning än sina grannar, cirka 27 grader, men sluttningen är endast belägen på mitten av taket, medan takets yttersta yta är hela plan. Dessutom sticker ett hisschakt upp cirka 3 meter på mitten av takets norra sida. Detta schakt gör att den södervända takytan blir större och detta är positivt ur solcellsperspektiv, men den kommer även att ge upphov till skuggning på takets norrvända sida. Det finns även skorstenar som kommer att bidra till partiell skuggning. I Figur 4 visas en principskiss av fastigheterna där takens geometri förtydligas.
Figur 4. Förtydligande skiss av Osbyringens takytor.
Utifrån husens originalritningar beräknas den totalt sett tillgängliga takarean där solceller kan sättas. Hänsyn är där tagen till lutningen på taket och att arean från föremål såsom skorstenarna och hisschaktet bortfaller. Detta är grundläggande information för att senare, utifrån solinstrålning och skuggning, kunna avgöra hur stor del av denna area som faktiskt lämpar sig för solcellsinstallation.
För att dimensionera anläggningen efter fastigheternas elbehov erhålls uppgifter om husens elförbrukning 2012 från Svenska Bostäders biträdande energichef (Svenska Bostäder, 2013a). Tabell 1 sammanfattar total tillgänglig takarea och elförbrukning för de tre fastigheterna.
Tabell 1. Förbrukning av fastighetsel 2012 samt byggnadernas takarea. (Svenska Bostäder, 2013a;
Stadsbyggnadskontoret, 2013)
Fastighet Elförbrukning 2012 [kWh] Takarea [m2]
Osbyringen 40-‐44 73512 612
Osbyringen 46-‐52 11670 612
Osbyringen 54-‐56 15345 640
40-‐44
46-‐52 54-‐56
4. Solenergi
Solenergi är ett vitt begrepp som vanligen används som samlingsnamn för de olika tekniker som finns för att omvandla solens strålning till värme eller el.
Den energimängd som går att ta tillvara på beror på den instrålande energimängden. Denna i sin tur har många påverkande faktorer; solens höjd och läge och vilken typ som den infallande strålningen består av.
4.1. Solstrålning
Solenergin mäts i en storhet som kallas för global strålning. Den globala strålningen utgörs av diffus och direkt strålning. Direkt strålning är den strålning som kommer direkt från solen och mäts vinkelrätt mot instrålningen. Diffus strålning däremot är strålning som spridits och reflekterats i himmel och moln innan den träffar mätinstrumentet (SMHI, 2008). I solenergisammanhang är det mängden global instrålning och solskenstiden som avgör hur mycket solenergi som kan omvandlas med hjälp av solceller eller solfångare.
De olika typerna av strålning förhåller sig till varandra enligt följande geometriska samband . I och med att den direkta strålningen mäts vinkelrätt mot solen medan global och diffus strålning mäts på en horisontell yta så tas hänsyn till den direkta strålningens infallsvinkel på en horisontell yta. Infallsvinkeln är densamma som solens höjd över horisonten, altituden, mätt i grader. (SMHI, 2009a)
Ett annat begrepp som ofta används i dessa sammanhang är azimut. Azimut är ett mått i grader för vilket väderstreck som solen befinner sig i. Azimut är 0 grader när solen står i norr, 90 grader i öster, 180 grader i söder och så vidare. I Figur 5 begreppen altitud och azimut.
Figur 5. Förklaring av begreppen altitud och azimut.
sin( ) global diffus direkt= + ⋅ altitud
Mängden solenergi som kan omvandlas till el beror på antalet timmar som solen skiner.
Detta påverkas både av årstid och av väder. Solskenstid definieras som antalet timmar som direktstrålningen är över 120 W/m2. Solskenstiden varierar betydligt mellan norra och södra Sverige i och med skillnaden i solhöjd, men den varierar även mellan öst och väst på grund av kustens påverkan på molnigheten. Somrarnas långa dagar ger en lång solskenstid medan på vintern är den kortare. På vintern finns dock ett större bidrag från markreflekterad strålning på grund av att snötäckt mark har god reflektionsförmåga. (SMHI, 2009b)
5. Solfångare
Solfångare kallas den teknik som tar tillvara på solens instrålande energi och omvandlar denna till värme. Värmen används vanligen för att värma vatten som i sin tur går till tappvarmvatten eller till att värma upp bostäder.
5.1. Ingående delar
En principskiss av en solfångare visas i Figur 6. Figuren föreställer en plan solfångare men principen och de ingående delarna är desamma för alla olika typer av solfångare.
Absorbatorn är solfångares viktigaste del. Den utgörs av en aluminiumplåt som är till för att ta upp värme ifrån solstrålarna och överföra den till en vätska. Vätskan utgörs ofta av frysskyddat vatten, det vill säga vatten blandat med exempelvis glykol. För att öka absorptionen av solinstrålningen på plåten, och minska emissionen, har absorbatorn anodiserats och försetts med ett selektivt ytskikt av nickel. Det selektiva ytskiktet gör så att mer av det infallande ljuset absorberas och bara en liten det emitteras (Svenska Solgruppen, 2002). De olika typer av täckglas som vanligen används i solfångare är glas med låg järnhalt och antireflexbehandlat glas. Glas med låg järnhalt släpper igenom 4 procent mer ljus än vanligt fönsterglas (Svenska Solgruppen, 2002). Antireflexbehandlat glas ökar insläppet av synligt ljus ytterligare och motverkar värmestrålning från absorbatorn att passera ut ur solfångaren. Detta sker på grund av att de olika typerna av strålningarna har olika våglängder.
Glaset är nästintill transparent för de kortvågiga strålarna från det infallande ljuset medan det är nära ogenomträngligt för den långvågiga värmestrålningen som skickas ut från absorbatorn (Kalogirou, 2004).
Från solfångaren transporteras värmen via värmeväxlare till en så kallad soltank, det vill säga en varmvattenberedare eller en ackumulatortank. Även där används frysskyddat vatten som värmebärare.
Figur 6. Principskiss av en plan solfångare i genomskärning. (Sözen m.fl, 2008)
5.2. Typer av solfångare
Det finns flera typer av solfångare. De som värmer vatten och de som värmer luft, sådana som har en fix placering (stationära) och de som följer solens rörelse (icke stationära).
Dessutom kan en solfångare vara koncentrerande eller icke koncentrerande. En koncentrerande solfångare har en större area för att absorbera än att fånga in solstrålning.
Vanligast är de vattenburna, stationära och icke koncentrerande solfångarna; plana solfångare, vakuumsolfångare och paraboliska solfångare. Det är just dessa som kommer att tas upp i litteraturstudien till denna rapport. De plana solfångarna är vanligast i Sverige och har installerats sedan 80-‐talet. (Energimyndigheten, 2013a)
5.2.1. Plana Solfångare
Plana solfångare består i enkelhet av en låda med olika skikt samt ett täckglas. De olika skikten har olika funktion. En principskiss av en solfångare och dess ingående delar visas i Figur 7. Absorbatorn i en plan solfångare utgörs av en aluminiumplåt med vätskekanaler av koppar. Absorbatorn och täckglaset är behandlade på ett sådant sätt som beskrevs i kapitel 5.1 Ingående delar, för att absorbera respektive släppa igenom så mycket strålning som möjligt. Absorbatorn ligger i en så kallad solfångarlåda, denna är en välisolerad och stabil konstruktion som är mycket vattentät och konstruerad för att tåla höga temperaturer.
(Svenska Solgruppen, 2002)
Figur 7. Principskiss av en plan solfångares funktion. (Sözen m.fl, 2008)
5.2.2. Vakuumrörsolfångare
Vakuumrörsolfångare är uppbyggda av ett inre och ett yttre glasrör vart emellan det ligger ett selektivt absorbatorlager och frysskyddad vätska. För att värmen inte ska kunna transporteras bort efter att den har strålat in finns det vakuum mellan glasrören (Energimyndigheten, 2013a). I Figur 8 visas en schematisk skiss över en
Figur 8. Principskiss av en vakuumrörsolfångare. (Solar Tribune, 2011)
Vanligast i Europa är att värmen transporteras från solfångaren vidare till ackumulatortanken med ett så kallat ”heatpipe”. Ett heatpipe är ett litet kopparrör som är fyllt med vätska. Det fungerar genom att solinstrålningen ökar vätskans temperatur tills dess att den kokar och förångas. Ångan stiger sedan upp till rörets topp där det sitter en kondensor. I kondensorn finns en vätska som tar upp värmen och via en välisolerad värmeväxlare överför den till ett medium, ofta dricksvatten, som lagras i en ackumulatortank (Mahjouri, 2012). Om inte heatpipes används så finns vakuumrörsolfångare med direkt flöde. Detta innebär att samma vätska som värms upp i solfångaren transporteras till en värmeväxlare vid ackumulatortankentanken och överför där sin värme till denna (Riomay renweable energy, 2013). I och med att vakuumrörsolfångaren utgörs av runda glasrör fungerar den även vid lågtstående sol med små infallsvinklar. Detta gör att det tar upp mer energi under en hel dag än till exempel plana solfångare (Kalogirou, 2004).
5.2.3. Paraboliska solfångare
Paraboliska solfångare kan vara både koncentrerande och icke koncentrerande solfångare.
Dessa kan ta emot strålning från många olika infallsvinklar och reflekterar all bestrålning till en absorbator. Detta gör att de kan ta upp mycket strålning trots att solen inte är riktad direkt mot dem. Paraboliska solfångare har ett visst omfång inom vilket solen kan röra sig och strålningen fortfarande konvergerar mot absorbatorn, detta omfång kallas acceptansvinkel.
Dilemmat med stationära paraboliska solfångare är att de endast nås av strålning de timmar som solens placering håller sig inom dess acceptansvinkel. (Kalogirou, 2004)
5.3. Värmeförluster och verkningsgrad
Värmeförluster i solfångare kan uppkomma på olika sätt. Optiska förluster förekommer vid ljusets passage genom glasskivans två gränsytor. Dessa minimeras med antireflexbehandlat glas. Dessutom finns förluster i och med att glasskivan absorberar ljus. Denna typ av förlust minimeras med lågjärnhaltigt glas som absorberar mindre. För plana solfångare kan stora värmeförluster uppkomma på undersidan av absorbatorn på grund av konvektion. För att minimera detta isoleras baksidan med mineralull. Ullens fibrer leder värme dåligt och dess glesa struktur gör så att luft samlas mellan fibrerna och blir stillastående varmed luften fungerar som ytterligare isolering (Svenska Solgruppen, 2002). Konvektion och värmeledning ökar med ökad temperatur vilket gör att solfångare får större förluster vid högre temperaturer. Vakuumrörsolfångare däremot har ett bra skydd mot dessa typer av förluster i och med att vakuumet inte leder värme. Detta ger dem en högre verkningsgrad i högre temperaturer (Kalogirou, 2004). I och med högre prestationsförmåga i högre temperaturer och högre upptagning per dag, talas det ofta om vakuumrörsolfångarens överlägsna verkningsgrad. Detta stämmer dock inte alltid i praktiken då dess geometri försvårar för snö och is att smälta bort under vinterhalvåret, vilket påverkar dess verkningsgrad i hög grad (Kovács och Pettersson, 2002). Årsutbytet per kvadratmeter för respektive plan-‐ och vakuumsolfångare är mellan 300 -‐ 530 kilowattimmar per kvadratmeter respektive 400 – 800 kilowattimmar per kvadratmeter (Energimyndigheten, 2013a). Ekonomiskt sett är de plana solfångarna billigare per kvadratmeter.
6. El från solen
Solcellen är en teknik som tar tillvara på solens energi genom att omvandla den till elektricitet. Den fotoelektriska effekten är det fysikaliska fenomen som driver solceller och lagen om denna upptäcktes av Albert Einstein för vilket han fick 1921 års nobelpris. (Larsson, 2001)
6.1. Den fotoelektriska effekten
Trots att fotoelektriska celler började utvecklas i mitten på 1800-‐talet förblev den fysikaliska drivkraften oförklarad fram till 1905 då Albert Einstein publicerade en artikel som skulle bli grunden för kvantmekaniken. Einstein postulerade att den elektromagnetiska strålningens energi utgjordes av små partiklar, senare fotoner, som innehöll en viss kvanta av energi.
(Krauter, 2006) Dessförinnan betraktades elektromagnetisk strålning som energi i form av vågor där intensiteten och frekvensen bestämde energiinnehållet. (Photoelectric effect, 2013)
6.2. Solcellens historia
Den tidiga forskningen om solceller och den fotoelektriska effekten fokuserade främst på att öka ämnens konduktivitet genom bestrålning av ljus och att förklara fenomenet. Tanken om att producera elektrisk energi såg dagens ljus först på 1950-‐talet.
Edmond Bequerel var den första att dokumentera den fotoelektriska effekten. Året var 1839 då den 19-‐årige Bequerel visade att elektromagnetisk strålning går att nyttja för att driva en elektrisk ström. Bequerel utförde experimentet genom att sänka ned två elektroder i en elektrolyt och sedan bestråla den ena elektroden. Det bästa resultatet erhölls då elektroderna var klädda med ljuskänsliga material som silverklorid eller silverbromid och ljuset var av ultraviolett eller blått spektra. (Green, 1990)
Nästa viktiga framsteg gjordes 1877 av Adams och Day när de utförde ett experiment vars huvudsyfte var att utreda de elektriska egenskaperna hos selen. Bland annat ville de ta reda på om det var möjligt att leda en elektrisk ström genom selen endast med hjälp av ljus som energikälla. Försöket utfördes genom att kapsla in en cylinder av selen, med elektroder fästa i båda ändar, i en glastub och sedan belysa glastuben. Elektroderna kopplades till en galvanometer och med hjälp av den kunde Adams och Day påvisa den fotoelektriska effekten i ett fast material. (Adams och Day, 1877)
Det första större fotoelektriska instrumentet skapades 1883 av Charles Fritts. Hans experiment utgick från Adams och Days principer men istället för att fästa elektroderna i ändarna på en cylinder valde Fritts använda sig av ett tunt stycke selen vars elektroder täckte ovan-‐ och undersidan. Dessa instrument hade en area på omkring 30 cm2 och var betydligt större än tidigare varianter. (Green, 1990)
Nästan femtio år senare publicerade Grondahl en artikel som skulle föra solcellens utveckling ytterligare ett steg framåt. Under 1920-‐talet undersökte Grondahl möjligheten att
