Profilerad PV-modul AvSammansatta Kiselceller

Profilerad PV-modul Av Sammansatta Kiselceller

Profiled PV-module of Cut Silicon Cells

Sebastian Cortes

Fakulteten för hälsa, teknik och naturvetenskap Högskoleingenjörsprogrammet i elektroteknik C-nivå 22,5 hp

Intern handledare: Andreas Theocharis

Extern Handledare: Magnus Nilsson

Examinator: Magnus Mossberg

22 Juni 2021

Sammanfattning

I denna rapport presenteras en analys av en profilerad solmodul av sammansatta kiselceller. Syftet med detta är att undersöka effektkurvan och I-V diagram på en denna solmodul vid olika infallsvinklar från ljuskällan för att få en förståelse på förluster gentemot en plan-modell. Genom att konstruera en modell med skurna kiselsolceller utgörs mätningar för att få en representation av effektkurvan.

Resultatet skall sedan jämföras med en plan-modell, därefter diskuteras resultaten från bägge

modellerna.

Abstract

This report presents an analysis of a profiled solar module of composite silicon cells. The

purpose of this is to examine the power curve and I-V diagrams on this solar module at

different angles to the light source to get an understanding of losses compared to a flat

model. By constructing a model with cut silicon solar cells, measurements are made to

obtain a representation of the power curve. The result should then be compared with a flat

model, then the results från both models are discussed.

Nomenklatur

• MPP – Maximal effektpunk

• ISC – Kortslutningsström

• Voc – Öppen kretsspänning

• BIPV – Byggnadsintegrerade Solceller

Innehållsförteckning

1.Inledning ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Syfte ... 2

1.3 Mål ... 2

1.4 Avgränsningar ... 3

2.Teori... 4

2.1 Solljusets egenskaper ... 4

2.1.1 Halvledare-Kisel ... 5

2.1.2 Dopning och PN-Övergång ... 5

2.1.3 Fyllnadsfaktorn (FF) ... 6

2.2 Solcellens Egenskaper ... 7

2.2.2 MPP och MPPT ... 9

2.3 Typer av solceller ... 9

2.4 Solceller i systemnivå ... 10

2.4.1 Solpanel ... 10

2.5 Mosfet och Arudino ... 12

3.Metod/genomförande ... 13

3.1 Förutsättningar ... 13

3.1.2 Aktiv kiselarea ... 15

3.1.3 Material ... 16

3.2 Genomförande ... 17

3.2.1 Modell... 18

3.2.2Mätningar ... 20

3.3 Validering/verifiering ... 21

4.Mätvärden/resultat ... 22

4.1 Plan-modell... 22

4.2 Profilerad modell ... 23

4.3 Skuggning ... 25

4.4 Reflektion och värmebilder ... 27

4.5 Hela solceller ... 30

5. Analys ... 31

6.Diskussion och Slutsats ... 36

6.1 Diskussion ... 36

6.1.1 IV- och PV-Karakteristik ... 36

6.1.2 Reflektion och Värmebilder ... 36

6.1.3 Skuggning ... 36

6.2 Slutsats ... 37

7. Rekommendation ... 37

Referenslista ... 38

Appendix A: Mätutrustning ... 40

Appendix B: Python-kod ... 44

1

1.Inledning

1.1 Bakgrund

Då förnybar energi blir alltmer viktigt i samhället så finns det växande marknad för solceller.

Solceller har nu blivit en alternativ el-källa för privatpersoner, en solcellsanläggning på ca 10kW kan producera cirka 50% av en normalstor villas energibehov [2]. Detta gör solceller till en bra investering då efter ett antal år har man fått tillbaka pengarna för

solcellsanläggningen och har mindre elkostnader samtidigt som solceller bidrar till en bättre miljö.

Solenergi är en enorm förnybar energikälla som inte kommer i konflikt med skydd av

naturområden och biologisk mångfald, till skillnad från vindkraft och bioenergi. Solceller kan installeras eller till och med integreras på redan befintliga tak. Energin som hela världen befolkning förbrukar under ett år tar jorden emot på bara två timmar. Därför är det vår förmåga att fånga energin på ett hållbart sätt som sätter gränser på hur mycket energi vi kan nyttja.

I dagens samhälle är energin som kommer från solen mindre än 1 procent medan Naturskyddsföreningen anser att solenergi borde stå för minst 10% av elanvändningen i Sverige men det finns potential för mer. Under år 2016 förbrukades 125TWh el i Sverige, genom att använda solceller på alla lämpliga tak i Sverige så skulle ungefär 40TWh solenergi produceras. Detta är ungefär en tredjedel av produktionen som skulle kunna vara genom solenergi [1].

En spännande utveckling inom området är BIPV vilket står för Building Integraded

Photovoltaics, detta är integrerade solceller i byggnader. Med detta menas att BIPV agerar som byggmaterial och samtidigt bidrar till elproduktionen. För många är solcellers estetik ett problem, färgade solceller är ett alternativ för eftersom de kan smälta in med huset så att de inte syns lika mycket som vanliga solceller. Men det kommer med en kostnad vilket är att effektiviteten för de färgade solcellerna är aningen lägre [9].

IEA-PVPS TCP är en organisation vars mål är att accelerera utvecklingen av

byggnadsintegrerade solceller på den globala marknaden för förnybara energikällor och byggnadskomponenter med hänsyn till estetiska, tillförlitliga och ekonomiska frågor. För att uppnå detta mål ligger fokus på tillväxt från prototyper till lämpliga produkter som kan produceras i stora skalor.

BIPV bidrar till ambitionen att förverkliga nollenergibyggnader och byggda miljöer. Detta omfattar nya och befintliga byggnader, olika solcellstekniker, olika applikationer och

skalskillnad från vanliga hushåll till storskalig BIPV-applikation i kontor och annan fastighet.

BIPV är ännu inte en standard vid tanke på byggnader och anledningarna till detta är många,

det är värt att nämna vissa av dem. Ett stort behov är en integrerad designprocess och

innovativa godkännandeprocesser. Detta saknas vid proceduren från att gå från idé till

förverkligande av en byggnad.

2

Gapet som existerar mellan bygg- och solcellssektorn försvårar arbetet för arkitekter när val måste göras om lämpliga solcellskomponenter som skall passa de befintliga reglerna. Ett till problem är bristen och komplexiteten i standarder samt normer som gör användningen av BIPV mycket svårt i många fall.

Trots en lägre kostnad för solceller är priset fortfarande en slags barriär vid tanke på standardbyggnader som referens. En lösning på detta är att nya referens

kostnadsparametrar bör övervägas för att ta hänsyn till innovationen. Detta kan exempelvis göras genom att skapa referenspriser för olika projekt som har som mål att möta specifik energiprestanda som kan gå längre än vad som krävs enligt nuvarande regler.

Den senaste tekniska utvecklingen ger en större designfrihet, detta är en lösning på problemet angående estetiken för solceller som är lämpliga för maximal effektivitet. På grund av solcellernas låga kostnad är det möjligt att experimentera med lösningar som stödjer den visuella aspekten dock straffas energieffektiviteten. Till exempel finns det vita eller färgade moduler som gör integrering av solceller knappt synbar, detta realiseras genom att lägga till ett yttre skikt till solcellens yta.

Kostnaden för BIPV är svårbedömd eftersom den beror på flera faktorer. Exempelvis den del av byggnad som ska integreras, om det är tak eller fasad, design, egenskaper hos den lokala marknaden osv vilket gör det svårt att ha ett generellt pris.

Investeringskostnaden per m2 är betydligt högre för BIPV-fasadbeklädning men efter 20 år, vilket är livslängden för en kommersiell fasad, kan kostnadsskillnaden mellan bägge

lösningarna nästan täcka kostanden för ett nytt BIPV-fasadklädsystem [7].

1.2 Syfte

Syftet med detta arbete är att utveckla ett elektroniskt koncept för en profilerad solmodul för att standard kraftelektronik skall kunna användas. Då byggnadsintegrerade solceller, i mångas ögon, är framtiden för förnybar energi så är detta ett intressant område att

analysera. I detta arbete väljs kiselceller för de profilerade solmodulerna. Detta eftersom de är de vanligaste solcellerna i dagsläget på grund av deras höga verkningsgrad, låga pris och långa livslängd.

Genom att skära solceller i mindre segment kan solceller appliceras på mindre ytor som inte är kompatibla med hela solceller och på grund av detta kommer segmenten att ha olika vinklar mot solen. För att detta koncept ska vara praktiskt bör konstruktionen vara lämplig för att kunna använda standard kraftelektronik.

1.3 Mål

Målet med detta examensarbete är att konstruera en profilerad modell. På modellen

placeras solceller som har olika vinklar mot ljuskällan. Modellen ska sedan studeras med

hjälp utav mätningar för att analysera energiproduktionen. Dessa mätningar har analyserats

för att sedan jämföras med en plan solcellsmodul för att ge en idé om hur mycket förluster

som uppstår vid jämförelse av en plan solcellsmodul med likadan elektrisk koppling. Från

dessa jämförelser ska analyser göras för att få en förståelse om detta är ett attraktivt

alternativ för byggnadsintegrerade solceller.

3

1.4 Avgränsningar

Rapporten förklarar teorin för solceller och solcellsmodulers konstruktion. Därefter beskrivs

processen på arbetet för att konstruera en modell för en profilerad solcell som sedan

används för mätningar. Sedan jämfördes mätdata från de olika modellerna. Azimutvinklar

tas inte i avseende i detta arbete på grund av den korta projekttiden.

4

2.Teori

2.1 Solljusets egenskaper

Solljusets energi består av så kallade fotoner som är den minsta energimängd som kan överföras av elektromagnetisk strålning. Fotonens energi kan beskrivas som

𝐸 = ℎ ∗ 𝑐 𝜆

Där ℎ är Plancks konstant, 𝜆 är våglängden och 𝑐 är ljusets hastighet.

Energin är beroende på våglängden ljuset har. Ljuset avger mer energi desto kortare våglängd ljuset har.

Solljuset som faktiskt träffar solcellen kan delas upp i tre grupper:

• Direkt ljus – Strålning från solen till solcell

• Diffust ljus – Direkt ljus som spritts ut exempelvis på moln

• Reflektioner – Strålning som reflekteras från exempelvis vatten eller fönster Solcellen producerar energi även när det är en molnig dag samt att ett svalare klimat ger solceller längre livslängd och bättre verkningsgrad, se figur 1.

Figur 1. Demonstration på IV-Kurva samt effekt beroende på temperatur.

5

2.1.1 Halvledare-Kisel

Halvledare är ett material som används för att kunna nyttja energin som kommer från solen genom att omvandla energin till elektricitet. Kisel är ett vanligt halvledarmaterial och en huvudkomponent i solceller. Dess kemiska beteckning är c-Si eller a-Si beroende på vilken typ av solcell det är.

Halvledaren fungerar som en isolator vid lägre temperaturer men ledningsförmågan ökar dramatiskt vid högre temperaturer eller när materialet utsätts för solljus. När detta händer så bryts bindningarna och elektronerna frigörs och kan röra sig i materialet.

Mängden energi(fotoner) som krävs för att frigöra en elektron beror på materialets bandgap som vanligtvis är 1.1 elektronvolt (eV) för solceller. När en elektron frigörs lämnar den ett hål efter sig, detta hål kan fyllas av en annan frigjord elektron som lämnat sin bindning.

2.1.2 Dopning och PN-Övergång

För att öka kislets ledningsförmåga i rumstemperatur kan kislet dopas. Detta innebär att det tillsätts ett material som har en valenselektron mer än kisel, exempelvis Fosfor, vilket ökar ledningsförmågan på grund av ökad rörlighet av de negativa laddningsbärarna (elektroner).

Detta kallas för N-typ halvledare.

Vid dopning av P-typ halvledare tillsätts ett material med en valenselektron minde än kisel exempelvis Bor, detta ökar ledningsförmågan på grund av ökad rörlighet hos de positiva laddningsbärarna (hål) [3].

När ett N-typ och ett P-typ material kopplas samman skapas en PN-övergång. Eftersom N- typ materialet har ett överskott av elektroner så kommer de röra sig till P-typ och P-typ materialet har ett överskott av hål så de kommer att röra sig från till N-typ. Elektroner och hål stannar en bit in på motsatta sidan av P-typ respektive N-typ och detta område kallas utarmningsområde.

I utarmningsområdet bildas ett elektroniskt fält. Detta fält agerar som en barriär mot de fria elektronerna i N-området och för att dessa elektroner skall kunna passera

utarmningsområdet krävs det en extern energi exempelvis en spänningskälla för dioder och

transistorer och solljus för solceller [11].

6

2.1.3 Fyllnadsfaktorn (FF)

Fyllnadsfaktorn är väldigt användbar för att utvärdera solcellens prestanda. Fyllnadsfaktorn visar hur nära en solcells uteffekt kommer sin teoretiska uteffekt i procent. Alltså är

fyllnadsfaktorn förhållandet mellan solcellens reala MPP och dess teoretiska uteffekt Voc*Isc som formeln under visar [4].

𝐹𝐹 =

𝑉𝑜𝑐∗𝐼𝑠𝑐 (1)

För standard solceller så skall fyllnadsfaktorn vara större än 0.7 om den är under detta så

anses solcellen som lägre kvalitet.

7

2.2 Solcellens Egenskaper

Solcellen absorberar fotoner för att konvertera energin till elektricitet i form av spänning och ström. Genom att använda ett material som ökar elektroners energitillstånd när ljuset träffar rör sig elektronerna genom en extern krets. Elektronerna förlorar då energin i lasten som är kopplad till solcellen för att sedan återvända till solcellen.

För att mäta effekten från används formel

𝑃 =

Där η är verkningsgraden (%) för solmodulen, A är dess yta (m

) och G är solstrålning som når modulen (W/m

).

2.2.1 Karakterisering av solcell

En solcell karakteriseras med hjälp av en så kallad IV-kurva och PV-kurva enligt figur 2. Ur dessa kurvor avläses nödvändiga värden för en solcell som Isc, Voc och MPP.

Isc är den maximala strömmen som solcellen kan producera. Isc uppstår vid kortslutning mellan solcellens utgångar och spänningen är noll.

Voc är den maximala spänningen för solcellen. Voc uppstår när solcellens utgångar är har så pass högt motstånd att ingen ström kan passera, enkelt kan det ses som en öppen krets.

MPP ligger mellan dessa två punkter och är den punkt då maximal effekt produceras av solcellen.

För beräkning av solcellens verkliga värden med hänsyn till temperatur kan dessa formler burkas

𝐼𝑠𝑐 = 𝐼𝑠𝑐, 𝑠𝑡𝑐 ∗ ^𝐺

𝐺𝑠𝑡𝑐+ 𝑎𝐼𝑠𝑐 ∗ (𝑇 − 𝑇𝑠𝑡𝑐) (3)

𝑉𝑜𝑐 = 𝑉𝑜𝑐, 𝑠𝑡𝑐 + 𝑏𝑉𝑜𝑐(𝑇 − 𝑇𝑠𝑡𝑐) + 𝑏𝑉𝑜𝑐 ∗ 𝑙𝑛₁₀₀₀^𝐺 (4) 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑃𝑚𝑎𝑥, 𝑠𝑡𝑐 ^𝐺

𝐺,𝑠𝑡𝑐 (5)

Där

• Isc,stc = Isc vid standard test förhållanden

• Voc,stc = Voc vid standardtestförhållanden

• Pmax,stc = MPP vid standardtestförhållanden

• Pmax = MPP

• G = Uppmätt instrålning

• Gstc = Instrålningen vid standardtestförhållanden, vilket är 1000W/m

• a(Isc) = Ström temperaturkoefficient

• b(Voc) = Spännings temperaturkoefficient

• T = Temperatur vid mätning

• Tstc = Temperatur under standardtestförhållanden, 25 grader celsius

I detta fall är standardtestförhållanden de värden som uppmätts i mätningarna för detta

projekt.

8

Figur 2. IV-Kurvan som visar strömmen i relation till spänningen och PV-Kurvan under som visar effekten i relation till spänningen. PV-kurvan är resultatet av spänningen V multiplicerad med strömmen I.

9

2.2.2 MPP och MPPT

MPP, som betyder Maximum Power Point, är den punkt då solcellen producerar mest effekt vilket är väldigt viktigt för att maximera solcellens potential. MPP uppstår vid knät av grafen (figur 2), ungefär när strömmen börjar gå ner mot noll. Vid MPP är motståndet i lasten kopplat till solcellen lika stor som det karakteristika motståndet i solcellen.

De yttre påverkningarna som temperatur, skuggning osv gör det svårt att använda ett motstånd för att behålla MPP därför används MPPT, Maximum Power Point Tracker. MPPT sitter oftast i växelriktaren som solpanelerna kopplas till och använder en algoritm för att behålla den maximala effekten i modul eller system [10].

2.3 Typer av solceller

Det flera olika typer av solceller som används, de vanligaste är kiselsolceller som kommer i form av antigen Monokristallina solceller eller Polykristallina solceller, ett till alternativ som finns är tunnfilmssolceller.

Tunnfilmssolceller är en typ av solcell och har bra egenskaper för en profilerad modell på grund av dess jämna färg och flexibilitet i material. Nackdelarna är dock att en anläggning med tunnfilmsolcell normalt blir dyrare än en kiselsolcells anläggning med samma el

produktion samt en kortare livslängd. Tunnfilmsolcellens verkningsgrad är runt 10–16% [12].

Det finns två typer av kiselsolceller, monokristallina solceller och polykristallina solceller.

Monokristallina solceller har en högre verkningsgrad runt 15–22%, detta är på grund av att atomerna i solcellen sitter i perfekt symmetri. Detta gör att de också är dyrare att producera.

Polykristallina solceller har en verkningsgrad runt 15–17% och är lite billigare.

Utseendemässigt går det att se skillnad på dem då monokristallina solceller är svarta medan polykristallina solceller har en blåare nyans [12].

Bägge solcellerna har samma struktur med fingrar och busbar, se figur 3. De lodrättavita strecken är de så kallade fingrarna, deras uppgift är att samla upp DC strömmen som solcellen generar och leverera dem till busbarsen.

De vågräta strecken är busbars som används för att kunna koppla samman solceller med varandra i moduler osv. Busbars tar upp yta på solcellen men samtidigt minskar resistansen i cellen eftersom strömmen har fler vägar att gå. Därför är det en viss avvägning mellan aktiv yta av cellen och resistans. Trenden just nu är att ha 4 eller 5 busbars för att öka

effektiviteten [13].

10

Figur 3. 4-Busbar solcell.

Det finns fler typer av solceller som just nu befinner sig i forskningsstadie, exempelvis perovskitsolceller, dye-sensitized solceller (DSSC) och nanotrådsbaserade solceller, dessa typer av solceller kan i framtiden bli aktuella i marknaden [12].

2.4 Solceller i systemnivå

Eftersom en solcell ensam är opraktisk på grund av den låga spänningen på 0.5V vid maximal effekt så kopplas flera solceller samman i en så kallad solmodul också kallad solpanel.

Därefter kopplas en eller flera paneler samman för att skapa en soluppställning. En stor panel kan leverera upp till 350W vid optimala tillstånd. Solpanelerna kopplas sedan till en växelriktare som omvandlar strömmen från likström till växelström för att användas i husets elsystem eller ut på elnätet.

För att uppnå spänningen för att komma upp till 350W så seriekopplas solceller för att öka spänningen och parallellkopplas för att öka strömmen.

Vid dessa system kan det förekomma skuggning av paneler, detta påverkar strömmen negativt eftersom en skuggad panel agerar som ett motstånd istället för att generera ström.

När panelen agerar som ett motstånd uppstår värme och detta kallas för Hot spot som kan orsaka brand. För att undvika detta tillämpas bypass dioder som är dioder som sitter parallellt med panelen och ger strömmen en väg förbi motståndet [14]. Hot spot kan även förekomma vid produktionsfel som skada på solceller i panelen eller lödning inne i panelen som inte lever upp till standard.

2.4.1 Solpanel

En standardsolpanel innehåller vanligtvis 60 solceller som är sammankopplade i serie genom

att löda ihop dem med ett material som kallas ribbon. Både framför och bakom solcellerna

läggs ett lager lamineringsmaterial. Baksidan är vanligtvis panelens svagaste punkt och

11

består av en tunn plastfolie. På framsidan läggs härdat glas på som skyddar cellerna.

Tjockleken på glaset är på antingen 2mm eller 3mm beroende på panelens kvalitet och det finns paneler med glas på baksidan också.

Efter glasskivorna är på plats så körs panelen in i en vacuum-ugn, detta smälter

lamineringsmaterialet och ger skydd för cellerna. Efter detta så monteras en aluminiumram

runt panelen för ännu med skydd och stabilisering. Slutligen monteras en kopplingsbox med

kontakter på panelens baksida för att kunna koppla vidare panelen med andra eller en

likriktare [5].

12

2.5 Mosfet och Arudino

Mosfet står för Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor och är en kontrollerbar switch vilket gör den till en viktig komponent inom kraftelektronik. En mosfet har fyra terminaler; Gate, Source, Drain och Body. Det skulle kunna gå att se Drain och Source som två punkter av en brytare och Gate som kontrollen över denna brytare [15].

Denna transistor är spänningsstyrd vilket betyder att det krävs spänning för att låta ström passera mellan Drain och Source. Vid låg spänning är strömmen stryp och genom att gradvis öka spänningen ökar strömmen linjärt fram tills strömmen når en mättnads-punkt där den planar ut, maximal ström som kan passera [16].

Arduino är ett mikrokontrollkort som kan användas för att styra en mosfet genom PWM och kan även programmeras för att samla data för att enkelt skicka data direkt till dator.

PWM står för Pulse-Width Modulation och innebär att signalen är en fyrkantsvåg som

antigen är 5V eller 0V under en viss period. Duty cycle används för att beskriva hur länge

signalen är påslagen (5V) eller avslagen (0V) under perioden, alltså om signalen är påslagen

hälften av tiden är duty cyclen 50% [17].

13

3.Metod/genomförande

3.1 Förutsättningar

Första steget var att bygga en modell med solceller för att sedan utföra mätningar på den.

Mätningarna gjordes på Glava Energy Center med ett ljusbord som är till för att kontrollera solpanelers verkningsgrad. Modellen fästes framför ljusbordet och testades i olika vinklar.

Första vinkeln var när ljusstrålningen kom från höger på modellen. Sedan roterades

modellen åt höger för att till slut ha roterat 180 grader. Detta resultera i 11 vinklar, i figur 4 ses vinkel 6 som är när modellen är vågrät med ljuskällan.

Figur 4. Ljusbord och ställning där modeller skruvades fast på regeln. Ställningen roterades åt höger och vänster för att få olika vinklar till ljuskällan.

14

Mätningarna som utfördes var för:

• Profilerad: modell

• Plan-modell: Samma el koppling som den profilerade modellen för att jämföra resultat med den profilerade

• Hel modell: Fyra solceller i serie för att jämföra med de andra modellerna som har segment

• Profilerad modell med reflektion: Tre vinklar testades med en wellpapp som reflektion för att analysera förändringar med samma vinklar utan

Bilder togs också med värmekamera för att identifiera hot spot.

15

3.1.2 Aktiv kiselarea

Måtten på en solcell är 15,6x15,6 cm, den har också avrundade kanter. Arean för detta är 242,08cm

.

𝐴𝑘𝑡𝑖𝑣 𝑘𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 = (15,6 ∗ 15,6) − (0,8 ∗ 0,8 ∗ 2) = 242,08 𝑐𝑚²

För detta arbete önskas 14 segment från 1 solcell. För detta reduceras 2 yttersidor (röd markerat område i figur 5) och nu har solcellen måtten 14x15,6.

𝑁𝑦 𝐴𝑘𝑡𝑖𝑣 𝑘𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 = 14 ∗ 15,6 = 218,4 𝑐𝑚²

Och slutligen reduceras 0,005cm [6] vid laserskärning. Där 0,005cm reduceras lodrätt 6 gånger och 1 gång vågrät, se figur 5. Vilket ger den slutgiltiga arean för en solcell

𝑆𝑙𝑢𝑡𝑔𝑖𝑙𝑡𝑙𝑖𝑔 𝑘𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 = (15,6 − 0,005) ∗ (14 − 0,005 ∗ 6) = 217,86 𝑐𝑚² Divideras detta med 14 kan vi få arean för ett segment

𝐾𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑓ö𝑟 𝑒𝑡𝑡 𝑠𝑒𝑔𝑚𝑒𝑛𝑡 = 217,86

14 = 15,56 𝑐𝑚²

Den profilerade modellen innehåller 56 segment och den plana modellen innehåller 52 segment på grund av brist på material. Nu kan totala kiselarean för respektive modell tas ut

𝐾𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑖𝑙𝑒𝑟𝑎𝑑 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑙 = 15,56 ∗ 56 = 871,4 𝐾𝑖𝑠𝑒𝑙𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑡 𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙 = 15,56 ∗ 52 = 809,2 𝑐𝑚²

Fyra hela solceller har en kiselarea på 968,32 cm

. Arean för den plana modellen är cirka 83,5% av fyra hela solceller och cirka 92,8% av den profilerade modellen.

809,2

968,32 = 0,835 809,2

871,76 = 0,928

För den profilerade modellen ger det ca 90% av fyra hela solceller.

871,76

968,32 = 0,9

Sammanfattning av de olika modellernas area:

• Profilerad modell: 871,4 cm

= 0,08714 m

• Plan-modell: 809,2 cm

= 0,08092 m

• Fyra hela solceller: 968,32 cm

= 0,096832 m

16

Figur 5. Skärning av solcell där grön färg är de avrundade kanterna som reduceras, röd färg är den yta på solcellen som kastas vid första skärning och den blåa ytan är ytan som används. De ljusare punkterna i den blåa ytan är löd-punkter för ribbon.

3.1.3 Material Använt material:

• Arduino Uno: 5V PWM, frekvens = 980 Hz, 10Bit ADC

• Mosfet: Vdsmax=30V, IDmax=120A, Rdson=1.3mOhm

https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/PSMN1R1-30PL.pdf

• INA260 SensorChip: Rschunt = 2mOhm, 16bit ADC, 1.5mA mätnoggrannhet, 36V max, 15A max kontinuerlig, I2C kommunikation

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina260.pdf?ts=1620928354812&ref_url=https%2 53A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FINA260

• Spektron 2010 tritec: Detta är en referenscell för att mäta instrålningen till modellerna. Mäts i W/m

.

Se Appendix A8 för kopplingsschema.

17

3.2 Genomförande

Flertal alternativ övervägdes innan den slutgiltiga modellen bestämdes, till exempel en modell av frigolit eller endast wellpapp. Efter problem uppstått med samtliga så valdes att använda PP-rör (figur A6), för att få till formen och wellpapp ovanpå för att ge solcellerna en plan yta som figur 6 visar. Detta förstärktes med reglar för att sedan kunna skruvas fast på en ställning som kan ses i figur 4.

Figur 6. Tidigt arbete för profilerade modellen.

Innan det monterades behövde solcellerna lödas ihop och därefter limmades solcellerna fast

för att slutföra modellen. Samma process gjordes för den plana modellen och modellen med

hela solceller, utan PP-rören såklart.

18

3.2.1 Modell

En teknik vid namn Half-Cell används för att öka effekten för solpanelerna genom att halvera solcellerna och dela in dem i två sektioner. I detta fall har en solpanel istället 120 solceller jämfört med en som vanligtvis har 60. Sektionerna har seriekopplade solceller och

parallellkopplas sedan samman, detta gör att resistansen minskar och mer effekt produceras [20]. Med en mindre resistans minskar även risken för så kallade hot spot.

Kopplingen som användes vid analys är en sträng på 14 segment som är parallellkopplade och fyra av dessa strängar i serie. På en solcell kan 14 segment framställas vilket innebär att modellen kan ses som fyra solceller i seriekoppling.

Solcellerna som används är XS156B4 monokristallina och har en maximal effekt på 5,38W enligt datablad (figur A7). Detta ger en teoretisk effekt på ungefär 18,78W per solmodul i standardtestförhållanden.

Dess profil är vågformad enligt figur 7. Hänsyn ska tas med solcellerna så att modellen ska kunna överlappas med en annan för att skapa ett system som passar i BIPV tankesättet.

Från vänster ligger en solcell mot första lutningen därefter ligger två tillsammans i

fördjupningen, sen ligger sex sammansatta över kup-formen i mitten därefter två till i nästa fördjupning och slutligen tre vid nästa kup-form.

Figur 7. Profilerade modellen

Hela baksidan av solcellen är en kopplingspunkt men för att löda fast en ribbon för

kopplingen krävs en vit löd-punkt som visas i det blåa området i figur 5. Från dessa solceller försvinner två segment för varje solcell.

Lödningen var ett stort moment i det praktiska. Det uppstod många problem och var det mest tidskrävande momentet i arbetet. Främst för solcellernas känslighet men också för modellens form.

För en sträng löds alla solceller ihop med en ribbon, vilket är ett ledande material, på

översidan för en busbar och på undersidan för den andra busbaren detta skapar parallella

strängar. Yttersta segmentet seriekopplas sedan med nästa segment enligt figur 8. För att

19

ribbon materialet ska fästa med solcellen appliceras flussmedel på metallen. Det vita fläckarna på figur 7 och 8 är flussmedel som torkat.

Figur 8. Profilerad modell. Röda markeringen visar hur en cells översida löds ihop med nästa strängs undersida för att skapa en seriekoppling med de fyra strängarna.

20

3.2.2Mätningar

Mätningar utfördes från en början med multimetrar (figur A2) och en potentiometer (figur A1) vars resistans gradvis ökade för att uppnå en IV-kurva. Denna metod var tidskrävande vilket inte är optimalt med tanke på temperaturen som uppstod från ljuskällan var det viktigt att mätningarna skulle gå snabbt till för att inte påverka resultaten.

Mätningar utfördes också med en mosfet transistor (A4) och Arduino Uno mikrokontroller (A3) för att jämföra resultaten och identifiera den mätmetod som visar det värde som stämmer mest överens med verkligheten.

Det utfördes mätningar för 11 vinklar där vinkel ett representerar morgonen när solen står lägst från öst. För varje mätning ökar vinkel som om solen stiger och vinkel sex representerar solens optimala tillstånd där minst solceller är skuggade. Och vinkel 11 representerar kvällen när solen går ner för dagen.

Det valdes att använda Arudino och mosfet som mätningsmetod eftersom den gav både bättre och snabbare resultat.

Mätutrustingen består av en Arduino Uno mikrokontroller, INA260 power monitor breakout board från Adafruit och en MOSFET. INA260 är en IC-krets tillverkad av Texas Instruments.

Arduinon matar en 980MHz, 5V PWM signal genom ett RC-lågpassfilter på MOSFETens gate för att den ska fungera som ett spänningskontrollerat motstånd. Lågpassfiltret är för att skapa en stabil likspänningsnivå.

Mätningar med multimeter visar att likspänningsnivån uppgår till 3.6 V då PWM signalens duty cycle är 100%. Själva mätningarna utförs sedan av Texas Instrument IC INA260 som skickar mätvärden till mikrokontrollern via I2C-kommunikation. INA260 använder en shuntresistans på 2mOhm för att bestämma ström och spänning och räknar därifrån ut en effekt. Alla dessa värden skickas till mikrokontrollen som därefter skickar dom vidare till datorn via seriell kommunikation (USB).

På datorn tas data emot av ett python-program som sparar all data till en CSV-fil och ritar grafer (se Appendix B för python-kod). Mikrokontrollern är programmerad att börja med MOSFETen i ett stängt läge, det vill säga ingen ström passerar och den spänning som mäts motsvarar Voc för solcellerna. Därefter ökar spänningen på gaten så att MOSFETen hamnar i sitt ohmiska område liten ström flyter genom kretsen, nya mätvärden sparas. Sen ökas spänningen på gaten ytterligare och en större ström flyter nu genom kretsen, dessa värden sparas.

Detta upprepas till PWM signalen har nått 100% duty cycle och solcellernas

kortslutningsström flyter genom kretsen. Genom att välja lämplig MOSFET säkerställs att den ström som kan flyta genom MOSFETen vid 100% PWM är större än kortslutnignsströmmen för solcellerna.

Vid varje mättillfälle sparas data för tre separata IV-kurvor, denna data används sedan för att

göra en IV-kurva baserat på medelvärdet av de tre individuella data. Detta för att minska

risken för eventuella fel och temperatureffekter. Dock visar alla kurvor mycket lika värden.

21

Under modellen sitter en givare som heter Spektron 210 Tritec som mäter instrålningen från ljuskällan. Optimalt hade vart att utföra mätningarna i standardtestförhållanden som är 1000W/m

men beslutet togs att ställa modellen lite längre ifrån ljuskällan vilket gav 800W/m

vid bästa vinkel, när modellen roterades minskade instrålningen mätt eftersom givarens vinkel försämrades.

På grund av temperaturen som uppstod från ljuskällan samt att kunna rotera modellen utan problem, då basen på ställningen är stor, valdes att mätas med lägre instrålning.

3.3 Validering/verifiering

För att vara säker på att mätvärden stämmer kontrollerades mätutrustning med hjälp av en solpanel. Solpanelen är fabriksproducerad och är märkt enligt standard för

solcellsproduktion.

Solpanelen kopplades till mosfet och arduino systemet och systemet visade värden som

stämde överens med panelens markvärden. Programmeringskoden från arduinon gör tre

mätningar med IV- och PV-kurvor för att sedan ta medelvärdet från dessa tre mätningar och

ge en bättre bild av modellen.

22

4.Mätvärden/resultat

För analys av Hot Spot och reflektion analyseras endast vinklar tre, sex och nio. För

jämförelse av hela solceller i serie och plan-modell, ligger fokus på vinkel sex. För vinkel sex undersöks även skuggning av en sträng som ligger i serie.

4.1 Plan-modell

Figur 9 och 10 visar IV-kurva och PV-kurva för vinklar2,4,6,8 och 10 för att ge en idé om modellens IV-kurvor genom olika vinklar men samtidigt inte lägga ut alla vinklar.

Tabell 1. Kortslutningsström, öppenkretsspänning, maximal effekt, ström vid maximal effekt, spänning vid maximal effekt, instrålning och fill factor för varje vinkel för den plana modellen

Vinkel Isc (A) Voc (V) MPP(W) Impp(A) Vmpp(V) Instrålning(G) FF

1 0,36 2,10 0,44 0,29 1,46 70,00 0,56

2 1,26 2,33 1,72 0,93 1,84 90,00 0,58

3 2,54 2,35 3,30 2,12 1,55 304,00 0,55

4 3,75 2,31 4,33 2,90 1,50 470,00 0,50

5 5,44 2,27 5,06 4,12 1,25 720,00 0,42

6 5,88 2,21 4,91 4,36 1,13 800,00 0,38

7 5,10 2,46 5,72 4,30 1,33 730,00 0,46

8 4,99 2,21 4,57 3,48 1,31 710,00 0,41

9 4,03 2,21 4,14 3,06 1,35 550,00 0,46

10 1,93 2,22 2,41 1,47 1,64 230,00 0,56

11 0,48 2,04 0,55 0,38 1,45 13,80 0,56

Figur 9. Plan-modell, strömkurva för vinkel 2,4,6,8 och 10.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-Kurva

Ström V2 Ström V4 Ström V6 Ström V8 Ström V10

23

Figur 10. Plan-modell, effektkurva för vinkel 2,4,6,8 och 10.

4.2 Profilerad modell

Figur 11 och 12 visar IV-kurva och PV-kurva för vinklar2,4,6,8 och 10.

Notera, vid inspektion av modell insågs det att tre segment är trasiga och den aktiva kiselarean kan reduceras till

15,56 ∗ 53 = 824,68 𝑐𝑚²

Där 15,56 är arean för ett segment och 53 är antal segment i modellen.

Tabell 2. Kortslutningsström, öppenkretsspänning, maximal effekt, ström vid maximal effekt, spänning vid maximal effekt, instrålning och fill factor för varje vinkel för den profilerade modellen.

Vinkel Isc(A) Voc(V) Mpp(W) Impp(A) Vmpp(V) Instrålning(G) FF

1 0,29 2,24 0,37 0,20 1,85 13,80 0,57

2 0,91 2,31 1,29 0,74 1,75 125,00 0,61

3 1,91 2,34 2,54 1,46 1,74 277,00 0,57

4 3,11 2,34 3,78 2,42 1,56 484,00 0,52

5 4,83 2,25 4,48 3,30 1,33 725,00 0,40

6 5,22 2,28 4,81 4,10 1,17 800,00 0,40

7 4,70 2,36 5,03 3,92 1,29 720,00 0,46

8 4,33 2,43 5,01 3,59 1,40 660,00 0,48

9 3,65 2,23 3,93 2,74 1,43 550,00 0,48

10 1,73 2,27 2,29 1,28 1,81 210,00 0,59

11 0,51 2,13 0,66 0,39 1,74 13,80 0,63

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

PV-Kurva

Effekt V2 Effekt V4 Effekt V6 Effekt V8 Effekt V10

24

Figur 11. Profilerad-modell, effektkurva för vinkel 2,4,6,8 och 10.

Figur 12. Profilerad-modell, effektkurva för vinkel 2,4,6,8 och 10.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-Kurva

Ström V2 Ström V4 Ström V6 Ström V8 Ström V10

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Ström(mA)

Spänning(mV)

PV-Kurva

Effekt V2 Effekt V4 Effekt V6 Effekt V8 Effekt V10

25

4.3 Skuggning

Både den plana och profilerade modellen skuggades av. Hela strängen för rad tre skuggades av, enligt figur 13, för att jämföra hur de agerar. På grund av formen kunde den profilerade fortfarande absorbera ljus eftersom solcellerna vid fördjupningen bara skuggades av delvis medan den plana modellen skuggades av helt.

Figur 13. Avskuggning av sträng 3.

26

Tabell 3.Värden för profiler- och plan-modell vid skuggning.

Isc(A) Voc(V) MPP(W) Impp(A) Vmpp(V) Instrålning(G) FF

Profilerad-Modell 1,52 2,33 1,85 1,00 1,82 800,00 0,51

Plan-modell 0,10 2,04 0,12 0,08 1,80 800,00 0,71

Figur 14 visar IV-och PV-kurva för den profilerade samt den plana modellen.

Figur 14. Skuggad profilerad- och plan modell.

-500 0 500 1000 1500 2000 2500

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-och PV-kurva

Ström Profilerad Effekt Profilerad Ström Plan Effekt Plan

27

4.4 Reflektion och värmebilder

Värmebild och reflektion tog endast för vinklar 3,6 och 9 för den profilerade modellen.

Tabell 4. Värden för profilerar-modell vid reflektion.

Vinkel Isc(A) Voc(V) MPP(W) Impp(A) Vmpp(V) Instrålning(G) FF

3 2,34 2,27 2,93 1,77 1,65 345,00 0,55

6 5,12 2,38 5,32 3,89 1,37 800,00 0,44

9 4,14 2,23 4,42 3,22 1,37 649,00 0,48

Figur 15 visar mätning med reflektion på den profilerade modellen för vinkel 3,6 och 9.

Figur 15. Mätning med reflektion för den profilerade modellen för vinkel 3,6 och 9 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-och PV-Kurva Reflektion

Ström V3 Ström V6 Ström V9 Effekt V3 Effekt V6 Effekt V9

28

Värmebilderna togs med avseende att kunna analysera eventuella skador samt brister i kopplingen som skulle kunna producera hot spot.

Figur 16. Värmebild för vinkel 3

Figur 17. Värmebild för vinkel 6.

29

Figur 18. Värmebild för vinkel 9.

30

4.5 Hela solceller

För att få en förståelse för effektförlusterna från hela celler till segment så gjordes endast ett test med fyra solceller som var seriekopplade. Detta test gjordes med vinkel sex.

Tabell 5. Kortslutningsström, öppenkretsspänning, maximal effekt, ström vid maximal effekt, spänning vid maximal effekt, instrålning och fill factor för vinkel 6 för modellen med 4 hela solceller.

Vinkel Isc(A) Voc(V) MPP(W) Impp(A) Vmpp(V) Instrålning(G) FF

6 6,64 2,23 4,75 3,49 1,37 800 0,33

Figur 19. IV- och PV-kurva för 4 hela solceller i seriekoppling.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Ström(mA)

Spänning(mV) Ström Effekt

31

5. Analys

På grund av solcellernas enorma skörhet resulterade detta i att ett flertal kiselsegment blev förstörda vid antingen konstruktion eller transport. Tyvärr fanns det inte tid att få fler solceller skurna.

För konstruktionen av den plana modellen vart det två strängar med 12 kisel-segment på grund av brist på material. Detta anses inte som ett större problem eftersom den profilerade modellen också hade segment som skadats.

För mätvärden från tabell 1 och 2 beräknas verkningsgrad med hjälp av formel 2 och effekt per kvadratmeter för kiselarean genom att sedan dividera MPP med kiselarean enligt:

𝑀𝑃𝑃 𝐴

Maximala effekten per kvadratmeter vid 1000W/m

(MPPn) beräknas med formel 5 och därefter divideras den nya MPPn med arean för att få dess effekt per kvadratmeter och presenteras i tabell 3 och 4 för profilerad respektive plan-modell.

Tabell 6. Mpp, instrålning verkningsgrad och W/m2 för profilerad-modell

Vinkel MPP(W) Instrålning(G) Verkningsgrad(%) MPP(W)/m² MPPn(W) MPPn(W)/m²

1 0,37 13,80 32,80 4,53 0,47 5,66

2 1,29 125,00 12,54 15,68 1,62 19,60

3 2,54 277,00 11,12 30,80 3,18 38,50

4 3,78 484,00 9,47 45,84 4,73 57,29

5 4,48 725,00 7,50 54,36 5,60 67,95

6 4,81 800,00 7,28 58,28 6,01 72,85

7 5,03 720,00 8,47 60,99 6,29 76,24

8 5,01 660,00 9,20 60,70 6,26 75,88

9 3,93 550,00 8,67 47,69 4,92 59,61

10 2,29 210,00 13,20 27,72 2,86 34,65

11 0,66 13,80 57,99 8,00 0,83 10,00

Tabell 7. Mpp, instrålning verkningsgrad och W/m2 för plan-modell

Vinkel MPP(W) Instrålning(G) Verkningsgrad(%) MPP(W)/m² MPPn(W) MPPn(W)/m²

1 0,44 70,00 7,77 5,44 0,55 6,80

2 1,72 90,00 23,62 21,26 2,15 26,57

3 3,30 304,00 13,43 40,82 4,13 51,02

4 4,33 470,00 11,39 53,51 5,41 66,89

5 5,06 720,00 8,68 62,48 6,32 78,10

6 4,91 800,00 7,59 60,71 6,14 75,89

7 5,72 730,00 9,68 70,69 7,15 88,36

8 4,57 710,00 7,96 56,49 5,71 70,61

9 4,14 550,00 9,29 51,11 5,17 63,89

10 2,41 230,00 12,93 29,73 3,01 37,17

11 0,55 13,80 49,25 6,80 0,69 8,50

32

Tabell 8. Mpp, instrålning verkningsgrad och W/m2 för Modell med 4 hela solceller .

Vinkel MPP(W) Instrålning(G) Verkingsgrad(%) MPP(W)/m²MPPn(W)/m²Mppn(W)/m²

6 4,75 800,00 6,14 49,09 5,94 61,34

Figur 20 visar den maximal effekt som produceras för varje testad vinkel för den plana modellen samt den profilerade modellen med 1000W/m

.

Figur 20. MPPn för plan- och profilerad modell för varje vinkel 0,00

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

MPP(W)

Vinkel

MPP För Varje Vinkel

Effekt Plan-modell Effekt Profilerad-modell

33

Figur 21 visar den maximala effekt som produceras för varje vinkel för den plana modellen samt den profilerade modellen per kisel-kvadratmeter.

Figur 21. MPPn/m² för plan- och profilerad modell för varje vinkel.

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00

0 2 4 6 8 10 12

MPP(W)

Vinkel

Effekt

Effekt Plan-modell Effekt Profilerad-modell

34

Figur 22 visar IV- och PV-kurvor för plan-modell, profilerad modell och fyra hela solceller i serie. Som förväntat är strömmen högre för de hela solcellerna då den aktiva ytan är större än de andra, samma gäller den plana modellen gentemot den profilerade modellen.

Eftersom solcellerna ligger riktade direkt mot ljuskällan till skillnad från den profilerade modellen där ett antal solceller ligger med sämre vinkel mot ljuskällan.

Figur 22. Jämförelse av IV-och PV-kurva för Plan-modell, Profilerad-modell och Hel modell för vinkel 6.

Figur 23 visar hur reflektion kan påverka solmodulerna. Då reflektionerna gör det möjligt att fler fotoner träffar solcellerna ökar effektproduktionen.

Figur 23. Jämförelse mellan vinkel 6 för profilerad modell med och utan reflektiom.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-och PV-Kurva

Ström Plan-modell Ström Hel Modell Ström Profilerad modell Effekt Plan-modell Effekt Hel-modell Effekt Profilerad-modell

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-och PV-kurva Vinkel 6

Ström Effekt Ström Refletkion Effekt Reflektion

35

Figur 24 och 25 visar, precis som figur 23, hur reflektioner påverkar solmodulerna.

Figur 24 visar vinkel 3 som visar när ljuskällan representerar morgonen och solceller med en specifik vinkel blir skuggade.

Figur 25 visar är vinkel 9 som representerar kvällen och de solceller som var skuggade för vinkel 3 får nu direkt ljus.

I bägge fallen visas det att effekten ökar med hjälp av reflektioner som uppstår, aningen mer vid dessa vinklar än vinkel 6 som tidigare nämnts.

Figur 24. Jämförelse för vinkel 3, Profilerad med och utan reflektion

Figur 25.Jämförelse för vinkel 9, Profilerad med och utan reflektion.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mA)

IV-och PV-Kurva Vinkel 3

Ström Effekt Ström Reflektion Effekt Reflektion

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0 500 1000 1500 2000 2500

Ström(mA)

Spänning(mV)

IV-och PV-Kurva Vinkel 9

Ström Effekt Ström Reflektion Effekt Reflektion

36

6.Diskussion och Slutsats

6.1 Diskussion

6.1.1 IV- och PV-Karakteristik

Samtliga IV-kurvor i resultaten har karakteristiken av en IV-kurva med försämrad spännings- och strömförhållande [8]. I 3.21 konstateras det att modellen bör ge en effekt på nästan 18,8W, justeras effekten för instrålningen i mätningarna resulterar detta i ungefär 15W.

Effekten från resultaten är 1/3 av det teoretiska värdet.

En orsak till detta kan bero på konstruktionen av modellen. Att endast leda strömmen genom en busbar ökar resistansen i modellen och detta påverkar effekten negativt.

Den hela modellen indikerar att detta påverkar resistansen eftersom strömkurvan är i stort sett linjär, vilket är ett tecken på att serieresistansen är hög. Den hela modellen kopplades också samman med endast en busbar för att ge samma förutsättningar som de andra modellerna.

En annan orsak kan vara mätutrustningen, i 3.2.2 förklarades det att mätutrustningen validerades genom med hjälp av en fabriksproducerad panel. Att den fabriksproducerade panelen är så pass mycket större finns en risk att mätutrustningen ger mindre verkliga resultat i en mindre modell.

6.1.2 Reflektion och Värmebilder

Resultaten av reflektion indikerar att de påverkar effekten aningen mer vid sämre vinkel från ljuskällan. Tyvärr testades endast detta för den profilerade modellen, det hade varit

användbart att mäta effekten vid reflektion även på de andra modellerna för att jämföra resultat.

Tanken med värmebild var att kunna identifiera hot spot men på grund av felaktig

kameraposition reflekterades ljuskällan i solcellerna. Detta gör att bilderna inte ger önskat resultat [18].

6.1.3 Skuggning

Mätningarna för skuggning illustrerar att den plana modellen inte producerar någon effekt.

Som det nämns i 4.3 så skuggas inte den profilerade modellen av helt och detta resulterar i att en lägre effekt produceras av modellen.

Att det främst är strömmen som påverkas negativt vid skuggning indikerar att ”reverse

current” [19] uppstår i modellen. Detta resulterar i att strömmen cirkulerar inuti modellen

istället för att passera genom lasten, där mätningarna utförs och sparas. Block dioder

implementeras i solpaneler för att undvika detta.

37

6.2 Slutsats

Rapportens mätresultat indikerar att det finns potential för modeller av skurna solceller trots en lägre effekt än den teoretiska effekten för solcellerna i modellerna. Dock indikerar

mätresultaten att en profilerad modell inte förlorar avsevärd effekt gentemot de andra modellerna. Det går även att implementera mer kiselarea med en profilerad modell jämfört med de andra modellerna i samma fasadyta. Detta indikerar att för samma fasadarea ger en profilerad modell mer effekt per kvadratmeter och eftersom solcellerna kan integreras, är detta ett attraktivt område att studera vidare inom.

7. Rekommendation

För fortsatt arbete med denna studie rekommenderas att utveckla modellen där bägge busbars nyttjas, det är viktigt att isolera ribbonen eftersom det finns risk att dem vidrör varandra och kortsluter solcellen. Även att studera mängden kiselarea som kan nyttjas för en profilerad modell gentemot hela solceller i samma fasadarea.

Även att ta hänsyn till temperaturen och fler mätningar med reflektion. Eventuellt att få ett mindre system med seriekopplade modeller och utföra mätningar utomhus. I detta fall skulle bypass dioder kunna implementeras. Även att vidarestudera skuggningens påverkan och eventuellt implementera blockeringsdioder.

För dessa arbeten kan värmekamerans egenskaper mer attraktiva för att studera värmen

som bör uppstå för de skuggade solcellerna samt att värmebilder är lämpliga i större system

för att lättare identifiera fel.

38

Referenslista

1. Solenergin flödar – men var finns solcellerna?. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.naturskyddsforeningen.se/nyheter/solenergin-flodar-men-var-finns- solcellerna

2. Ahrberg, P. (2021). Solceller i Sverige: Statistik & prognos 2021 | SolcellsOfferter. Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.solcellsofferter.se/solceller-sverige/

3. Sandqvist, W. (2021). PN-övergång. Presentation, KTH. Hämtad 3 Juni 2021 https://www.kth.se/social/files/55e80ecdf27654451c0473cf/solidstate.pdf 4. Fill Factor | PVEducation. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från

https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/fill-factor

5. Enkel förklaring om hur solceller fungerar | Penthon. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.penthon.com/solceller/hur-fungerar-solceller-en-enkel-forklaring/

6. Hanes, S. (2018). Whole Cells vs Cut Cells: What's The Difference?. Hämtad 3 Juni 2021, från https://blog.powerfilmsolar.com/education/the-horizon-blog/2018/11/30/whole-cells-vs- cut-cells-whats-the-difference

7. Successful Building-integration of Photovoltaics. (2021). IEA-PVPS Task 15. Hämtad från https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2021/03/IEA-PVPS-Task-15-An-international- collection-of-BIPV-projects-compr.pdf

8. Solar I-V CurvesInterpreting Trace Deviations. (2014). Solar Pro, 24-25. Hämtad från

http://resources.solmetric.com/get/SolarPro%20I-V%20feature%20article,%20Hernday.pdf 9. Karlsson, S. (2019). Möjligheter och begränsningar med färgade solceller. Hämtad 3 Juni

2021, från https://www.gbf.se/nyheter/mojligheter-och-begransningar-med-fargade- solceller

10. Darshini, D. (2020). Maximum Power Point Tracking Technique. Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.avisolar.com/post/maximum-power-point-tracking-technique

11. Buchla, D., Kissell, T., & Floyd, T. Renewable energy systems (p. 88).

12. Olika typer av solceller. (2019). Hämtad 3 Juni 2021, från

https://www.energimyndigheten.se/fornybart/solelportalen/lar-dig-mer-om-solceller/olika- typer-av-solceller/

13. Solar busbar and fingers explained - Novergy Solar. (2017). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.novergysolar.com/solar-busbar-fingers-explained/

14. Wallnér, E. (2019). Optimerare till solcellsanläggningen? Vi reder ut vad som är bra att tänka på! - Solcellskollen. Hämtad 3 Juni 2021, från

https://www.solcellskollen.se/blogg/optimerare-till-solcellsanlaggningen-vi-reder-ut-vad- som-ar-bra-att-tanka-pa

15. What is the MOSFET: Basics, Working Principle and Applications. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.elprocus.com/mosfet-as-a-switch-circuit-diagram-free-circuits/

16. The MOSFET. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.electronics- tutorials.ws/transistor/tran_6.html

17. Arduino PWM Tutorial. (2021). Hämtad 3 juni 2021, från

https://create.arduino.cc/projecthub/muhammad-aqib/arduino-pwm-tutorial-ae9d71 18. GUIDEBOK I TERMOGRAFIFÖR BYGG- OCH ENERGIBRANSCHEN. (2021). Flir, 32. Hämtad från

http://www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/T820325/T820325_SE.pdf 19. Reverse Current. (2021). Hämtad 3 Juni 2021, från https://www.sma-

italia.com/fileadmin/content/global/Solutions/Documents/Medium_Power_Solutions/Ruec kstrom-UEN083010.pdf

39

20. Dreij, A. (2020). Utvinning av mer effekt från solceller - Solkraft Sverige. Retrieved 4 June 2021, from https://www.solkraftsverige.se/utvinning-av-mer-effekt-fran-solceller/

40

Appendix A: Mätutrustning

Figur A1. Potentiometer

Figur A2. Multimeter.

41

Figur A3. Arduino Uno kretskort.

Figur A4. Mosfet transistor där de grövre kablarna är kopplade till modellen.

42

Figur A5. Värmekamera testo 871.

Figur A6. PP-rör, 110mm i diameter.

43

Figur A7. Datablad för solcell XS156B4 som används i modellerna.

44

Figur 26. Kopplingsschema för mätutrustning.

Appendix B: Python-kod

import serial

import matplotlib.pyplot as plt import csv

import pandas as pd

arduino_port = "COM5" #serial port of Arduino baud = 115200 #arduino uno runs at 9600 baud

fileName="analog-data.csv" #name of the CSV file generated ser = serial.Serial(arduino_port, baud)

print("Connected to Arduino port:" + arduino_port) file = open(fileName, "w")

print("Created file")

45 samples = 380 #how many samples to collect print_labels = False

line = 0 #start at 0 because our header is 0 (not real data) while line <= samples:

if print_labels:

if line==0:

print("Printing Column Headers") else:

print("Line " + str(line) + ": writing...") getData=str(ser.readline())

data=getData[2:] [:-5]

print(data)

file = open(fileName, "a")

file.write(data + "\n") #write data with a newline line = line+1

print("Data collection complete!") ser.close()

file.close()

df = pd.read_csv('analog-data.csv')

#Delar data i tre för olika mätningar df1 = df[:][0:126].astype(float)

df1.reset_index(inplace=True, drop = True) df2 = df[:][127:253].astype(float)

df2.reset_index(inplace=True, drop = True) df3 = df[:][254:].astype(float)

df3.reset_index(inplace=True, drop = True)

#Sätter ihop de tre olika vid sidan av varandra för att beräkna medelvärden dfmean = pd.concat([df1,df2,df3], axis = 1)

#Beräknar medelvärden voltage = dfmean['Voltage']

voltagemean = voltage.mean(axis = 1) current = dfmean['Current']

currentmean = current.mean(axis = 1) power = dfmean['Power']

powermean = power.mean(axis = 1)

#Sätter ihop nytt dataset med medelvärden

dfmean=pd.concat([voltagemean,currentmean,powermean] ,axis =1) dfmean.columns=['voltage', 'current', 'power']

46

#Tar fram MPP

mpp1 = df1.loc[df1['Power'] == df1['Power'].max()]

mpp2 = df2.loc[df2['Power'] == df2['Power'].max()]

mpp3 = df3.loc[df3['Power'] == df3['Power'].max()]

mppmean = dfmean.loc[dfmean['power'] == dfmean['power'].max()]

def two_scales(ax1, x, data1, data2, c1, c2, title):

ax2 = ax1.twinx()

ax1.plot(x, data1, color=c1) ax1.set_xlabel('Voltage') ax1.set_ylabel('Current') ax1.set_title(title)

ax2.plot(x, data2, color=c2) ax2.set_ylabel('Power')

ax3 = ax1.twinx()

ax1.plot(x, data1, color=c1) ax1.set_xlabel('Voltage') ax1.set_ylabel('Current') ax1.set_title(title)

ax3.plot(x, data2, color=c2) ax3.set_ylabel('Power')

ax4 = ax1.twinx()

ax1.plot(x, data1, color=c1) ax1.set_xlabel('Voltage') ax1.set_ylabel('Current') ax1.set_title(title)

ax4.plot(x, data2, color=c2) ax4.set_ylabel('Power') return ax1, ax2

# Create axes

fig, (ax1, ax2, ax3, ax4) = plt.subplots(4,1, figsize=(10,4))

ax1, ax1a = two_scales(ax1, df1['Voltage'], df1['Current'], df1['Power'], 'r', 'b', 'Meas 1')

ax2, ax2a = two_scales(ax2, df2['Voltage'], df2['Current'], df2['Power'], 'gold', 'limegreen', 'Meas 2') ax3, ax3a = two_scales(ax3, df3['Voltage'], df3['Current'], df3['Power'], 'yellow', 'green', 'Meas3') ax4, ax4a = two_scales(ax4, dfmean['voltage'], dfmean['current'], dfmean['power'], 'magenta', 'black', 'Mean')

fig, sx = plt.subplots() sx.set_title('IV Curve 1') sx.text(15000, 1000, r'mpp1')

sx.plot(df1['Voltage'], df1['Current'], 'b') sx.set_ylabel('Current', color = 'b') sx.set_xlabel('Voltage')

47 sxb = sx.twinx()

sxb.plot(df1['Voltage'], df1['Power'], 'r') sxb.set_ylabel('Power', color = 'r') fig, sx1 = plt.subplots()

sx1.set_title('IV Curve 2') sx1.text(15000, 1000, r'mpp2')

sx1.plot(df2['Voltage'], df2['Current'], 'b') sx1.set_ylabel('Current', color = 'b') sx1.set_xlabel('Voltage')

sx1b = sx1.twinx()

sx1b.plot(df2['Voltage'], df2['Power'], 'r') sx1b.set_ylabel('Power', color = 'r') fig, sx2 = plt.subplots()

sx2.set_title('IV Curve 3') sx2.text(15000, 1000, r'mpp3')

sx2.plot(df3['Voltage'], df3['Current'], 'b') sx2.set_ylabel('Current', color = 'b') sx2.set_xlabel('Voltage')

sx2b = sx2.twinx()

sx2b.plot(df3['Voltage'], df3['Power'], 'r') sx2b.set_ylabel('Power', color = 'r') fig, sx3 = plt.subplots()

sx3.set_title('IV Curve Mean') sx3.text(15000, 1000, r'mpp mean')

sx3.plot(dfmean['voltage'], dfmean['current'], 'b') sx3.set_ylabel('Current', color = 'b')

sx3.set_xlabel('Voltage') sx3b = sx3.twinx()

sx3b.plot(dfmean['voltage'], dfmean['power'], 'r') sx3b.set_ylabel('Power', color = 'r')