Potential för solcellsanvändning i Karlskrona
Potential of solar cell use in Karlskrona
Författare: Lars Runesson
Handledare företag: Sven-Olof Petersson, Miljöstrateg på Miljöstrategiska enheten vid
Kommunledningsförvaltningen i Karlskrona kommun.
Sammanfattning
Detta arbetets syfte var att inleda en kvantifiering av Karlskrona kommuns potential för solcellsanvändning. För arbetet att kvantifiera en plats potential för
solenergiupptag så har en beräkningsmodell utformats. Modellen gör det möjligt att dels beräkna solenergiupptag för en valfri plats på jorden, dels finns även en
möjlighet att beräkna livscykelkostnaden för en allmän solcellsanläggning. För validering av framtagna uppgifter från framtagen teorin har metoden fallstudie använts på tre solcellsanläggningar i Blekinge.
Med beräkningsmodellen och indata för Karlskrona beräknades att det möjliga solenergiupptaget för en horisontell yta ligger på ca 1100 kWh/(m2*år). Fallstudierna visade på en uppåtgående trend för modulernas verkningsgrad ju nyare anläggning som undersöktes. Solcellsmodulerna i anläggningen senast uppförd, år 2012, hade en verkningsgrad på 15 %. Med instrålad solenergimängd på 1100 kWh/(m2*år) och 15
% verkningsgrad så skulle det då behövas ca 370 ha med solceller för att täcka Karlskrona kommuns behov av el.
Enligt fallstudierna utgjordes mer än 90 % av den totala kostnaden för
solcellsanläggningarna av anskaffningskostnaden. För den senast uppförda angavs att 100 % kunde kopplas till anskaffningen. Dock ingår inte avvecklingskostnaden i dessa beräkningar eftersom att ingen av fallstudierna hade räknat för detta, därmed är inte livscykelkostnaderna kompletta för fallstudierna. Det kan ändå konstateras att vid felfri drift så behövs inte mer än regelbundna kontroller utföras för en säkrad elproduktion.
Intäkter som kan kopplas till solceller är i Sverige idag främst den utblivna kostnad från inköpt el för de kopplade till fastigheter. Enligt fallstudien för den senast uppförda solcellsanläggningen så blev kostnaden per producerad kWh 2,09 kr
(livscykelkostnad utan avvecklingskostnader). Om det kan bli en vinst får ställas mot hur mycket den annars inköpta elen skulle ha kostat.
Summary
The purpose of this study was to start a quantification of the potential in solar cell use for Karlskrona municipality. For the quantification a model has been developed. The model makes it possible to calculate both the solar energy irradiance of a free chosen place on earth and to calculate the life cycle cost with the solar cells. To validate data obtained from the theory the method case study has been used on three solar cell systems in Blekinge.
Karlskronas solar energy irradiance for a horizontal square meter has been calculated to be 1100 kWh/year. The case studies show that along with newer solar cells, higher efficiency can be expected. The one installed in 2012 had an efficiency of 15 %. To cover Karlskronas electricity use with only solar cells with these values above, a surface need was calculated to be roughly 370 ha.
According to the case studies more than 90 % of the total cost can be connected to the cost with the acquisition. The case study on the solar cell system installed in 2012 indicated that 100 % of the total cost could be connected to the acquisition.
Unfortunately the cost with disassembly is absence for the three case studies and there for these life cycle costs is incomplete. Still it can be said that during a faultless run a solar cell system does not need more than regular checkups for a secure
electricity production.
Revenues that can be connected to solar cells are in Sweden today primarily the non- cost of purchased electricity. According to the case study for the plant built in 2012 the energy cost per kWh produced was approximately 2.09 kr (without costs for the disassembly). If there can be a gain, have to be compared to the amount of electricity that otherwise would have been bought.
Abstract
Denna rapport ska verka till Karlskrona kommuns kvantifiering av potentialen för solcellsanvändning. Med litterära studier och fallstudieunderlag så har en modell för att beräkna möjligt solenergiupptag samt livscykelkostnader utformats. Med
modellen som underlag och i samråd med SMHI så har Karlskronas möjliga solenergiupptag beräknats till ca 1100 kWh/(m2*år) för en horisontell yta. Med en verkningsgrad hos kristallina kiselbaserade solcellsmoduler på 15 % så skulle det därmed behövas en yta av 370 ha för att täcka Karlskrona kommuns elbehov.
Livscykelkostnaden med solcellsmodulerna kan enligt fallstudierna till mer än 90 % kopplas till anskaffning. Fallstudierna över den senast uppförda solcellsanläggningen anger en energikostnad på 2,09 kr/kWh vid en uppskattad livstid på 25 år. Dock ingår inte kostnaden för avveckling vid dessa beräkningar vilket gör livscykelkostnaden ofullständig.
Solenergi, Solceller, Beräkningsmodell, Livscykelkostnader, Karlskrona.
Förord
Detta är ett examensarbete (15 hp) för högskoleingenjörsutbildningen ”Energi- &
miljöteknik” på Linnéuniversitetet, LNU, i Växjö. Arbetet har utförts av Lars
Runesson på uppdrag av Miljöstrategiska enheten vid Kommunledningsförvaltning i Karlskrona kommun.
Jag vill rikta ett tack till mina handledare på Linnéuniversitetet, Björn Zethraeus och Anna Glarner.
Jag vill även tacka min handledare på Miljöstrategiska enheten i Karlskrona kommun, Sven-Olof Petersson, för vägledning och chansen jag har fått att studera detta ämne hos er.
Ytterligare tack vill jag rikta till de personer som ställt upp för intervjuer i fallstudierna samt övriga som har varit bidragande med råd och tips för arbetet.
Innehållsförteckning
1. Introduktion ___________________________________________________ 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Avgränsningar ... 2
2. Definitioner och begrepp _________________________________________ 3 3. Solteori _______________________________________________________ 4 3.1 Energi och klimat ... 4
3.2 Solenergins ursprung ... 6
3.3 Solens instrålning mot jorden... 7
3.4 Atmosfärisk absorption ... 13
3.5 Hur solenergi kan tas tillvara ... 15
3.6 Solcellens historiska bakgrund ... 16
3.7 Solceller idag ... 18
3.8 Solcellers omvandling av solenergi till elenergi ... 20
3.9 Installation och tillsyn av solcellsanläggningar ... 23
4. Ekonomisk teori _______________________________________________ 25 4.1 Livscykelkostnad, vad är det och vad kan det användas till? ... 25
4.2 Livscykelkostnad, vilka kostnader ingår? ... 25
4.3 Hur görs en livscykelkostnadsanalys? ... 27
4.4 Ekonomiska förutsättningar för investeringskalkylering ... 28
5. Metod ________________________________________________________ 30 6. Genomförande ________________________________________________ 31 6.1 Teknisk del ... 31
6.2 Ekonomisk del ... 34
7. Resultat och analys _____________________________________________ 44 8. Diskussion och slutsatser ________________________________________ 47 9. Referenser ____________________________________________________ 49 9.1 Textreferenser ... 49
9.2 Figurreferenser ... 52
10. Bilagor ______________________________________________________ 53
1. Introduktion
1.1 Bakgrund
Energikällor med energiflöden till ett system som inte har större bortförsel än tillförsel räknas som förnyelsebara. Utifrån människans perspektiv så räknas solen som en oändlig energikälla och dessutom som en ren sådan då solstrålarna inte för med sig någon förorening. [1] Livet på vår planet är uppbyggt kring solen vilken är den ursprungliga källan till nästan all energi på jorden. Endast den energi utvunnen ur tidvattnets gång, den del av den geotermiska energin som uppkommer av jordens radioaktiva inre samt den kärnkraftsbaserade energin är avvikande i detta fall. [2] Under ett år träffas jorden av solens strålar till en energimängd av cirka 850 000 PWh1 [3] vilket kan jämföras med hela mänsklighetens energianvändning på ca 100 PWh för år 2010 [4]. Det känns därför olustigt att inte göra något för att ta tillvara på solenergin, speciellt i Karlskrona som kan titulera sig som ”Sveriges soligaste stad” enligt SMHI:s mätning år 2012. [5]
Med hjälp av en solcell kan elektriska strömmar uppstå under belysning av solstrålar, något som presenterades redan år 1839 av den franske fysikern Edmond Bequerel. Utvecklingen av cellerna från år 1958 då den första rymdsatelliten fick solceller har öppnat marknaden även för användning i övriga samhället allteftersom att kostnaden har gått ned. [6] Med tankar om självförsörjning av energi och med ett överhängande hot om negativa klimatförändringar på grund av nyttjandet av fossila bränslen så fortlöper utvecklingen och användningen av solceller ökar. Än så länge har dock inte solceller fått en avgörande roll som elproducenter, i Sverige utgjorde solcellselen 0,01 % av den totala elanvändningen år 2012. [7]
Karlskrona ligger i södra Sverige i Blekinge län och från kommunens sida finns ett intresse att med hjälp av solceller ta till vara på solenergin som träffar dess yta. Frågan är vad potentialen faktiskt är, något som detta arbete har haft som syfte att undersöka ur ett tekniskt och ekonomiskt perspektiv.
1.2 Syfte och mål
I ett första skede i Karlskrona kommuns övervägande för en satsning på solcellsanläggningar så har detta arbete som syfte att ge kunskap om solceller utifrån rådande förutsättningar. Detta arbete ska verka som en början på ett kvantifieringsarbete över Karlskronas potential för solcellsanvändningen.
Huvudmål:
Utveckla en beräkningsmodell som kan beräkna instrålad solenergimängd för valfri position samt livscykelkostnader för en allmän solcellsanläggning.
Arbetet ska vara en inledning för ett kvantifieringsarbete för Karlskrona kommuns potential för solcellsanvändning.
Detta ska uppnås genom att i fallstudier undersöka:
- möjligt energiupptag med faktorer som solinstrålning, den
mottagande ytans verkningsgrad och vinkel till solinstrålning samt - kostnader
för ett par olika solcellsanläggningar med olika förutsättningar för Karlskronas förhållanden.
Delmål:
Kvantifiera ekonomiska intäkter som solceller kan medföra.
1.3 Avgränsningar
Denna rapport behandlar endast kristallina kiselceller. Anläggningar som ska studeras är begränsat till att endast innefatta kommunalt ägda i eller i närområdet av Karlskrona kommun. Arbetet utgår ifrån ämnet solenergi som huvudinnehåll men använder en viss ekonomisk teori till hjälp för att undersöka kostnader som uppstår. Den ekonomiska teorin har som inriktning att utgå ifrån Karlskrona kommuns intresse som köpare av solceller. Undersökningarna kring de ekonomiska vinsterna begränsas till att behandla Karlskrona kommuns elprisområde.
2. Definitioner och begrepp
LCC – förkortning av ordet livscykelkostnad som innebär den totala kostnaden för en produkts hela liv.
Solcell – solenergiupptagande komponent av halvledarmaterial som för dagens utveckling använder den fotovoltaiskaeffekten för att omvandla solenergi till elenergi.
Enkelceller – solcell med enbart ett bandgap.
Multiceller – solcell med fler bandgap än ett.
Zenitvinkel – solens vinkel från en punkt vertikalt från den aktuella platsen i fråga, det vill säga 90° subtraherat med solhöjden (elevationen).
Asimutvinkel – solens vinkel i horisontalplanet.
Solcellsmodul – vanligtvis 36 eller 72 st celler seriekopplade till en modul.
Verkningsgrad – kvoten mellan genererad elektrisk energi och infallande solenergi.
Elevationsvinkel – solens vinkel över horisonten, kan även kallas solhöjd.
3. Solteori
I detta kapitel så beskrivs den teori som behövs kring ämnet solenergi och solceller. Kapitlet inleds med en beskrivning kring energianvändningen i mänsklighetens samhällen och vilka problem som finns med den vilket ger en övergång till solenerginyttjandets fördelar. Fördelarna ställs mot
begränsningarna i en beskrivning över solenergins instrålning mot jorden.
Kapitlet avslutas med en genomgång av solcellstekniken.
3.1 Energi och klimat
I vissa sammanhang kan det talas om att världen står inför en energikris, men det är inte hela sanningen. Som det beskrivs i bakgrundsavsnittet så träffas jordytan årsvis med mycket mer energi från solen än vad världen gör av med på ett år. Energikrisen skapas av mänsklighetens beroende till de fossila energikällorna, ett användande som bör få ett avslut på grund av de negativa miljökonsekvenser som bränslenyttjandet medför.
Ett av de mer uppmärksammade problemen som de fossila bränslena medför är höjningen av koldioxidhalten i atmosfären. De ekonomiskt viktigaste fossila bränslena kol, olja och naturgas är kolbaserade ämnen, precis som trä, som bildar bland annat koldioxid (CO2) vid förbränning. Skillnaden mellan förbränning av träbränslen och de fossila bränslena är att klodioxiden från förbränning av till exempel en gran återbinds vid tillväxten av en ny gran vilket sker på ett par årtionden. De fossila bränslenas återskapande tar i stället miljontals år och därför höjs koldioxidhalten i atmosfären vid förbränning av de fossila bränslena. Koldioxid verkar som en av flera andra växthusgaser i jordatmosfärens växthuseffekt vilket är en livsviktig process.
En atmosfärisk koldioxidhalt över det normala leder dock till en kraftigare växthuseffekt vilket höjer medelvärmen på jorden som leder till negativ klimatinverkan på de samhällen som mänskligheten har byggt upp. [2]
År 2010 producerade hela mänskligheten en total energimängd av ca 149 PWh varav ca 121 PWh kom från kol, olja och naturgas. [4] Det vill säga mer än 80 % av världens energitillförsel var fossil. För att nå övergången från fossila till förnybara energikällor inom rimlig tid har ett antal klimatmål antagits runt om i världen. Ett av Sveriges nationella klimatmål är att landets energiförsörjning ska bestå av 50 % förnybar energi år 2020. [8] En av de mest använda förnybara energikällorna är idag vattenkraften. År 2010 stod den för cirka 16 % av världens elproduktion [4] och i Sverige låg denna siffra då på cirka 46 % av elproduktionen. Den välutbyggda vattenkraft som Sverige innehar utgör en viktig del för att Sverige ska nå det nationella klimatmål som antagits. År 2010 var ca 48 % av Sveriges totala energianvändning av förnybar karaktär. [8]
Solelen utgör dock ännu en liten del av andelen förnybart, i Sverige producerades det ca 14 GWh2 med hjälp av solen år 2012. [7] Den svenska solenergibranschen har föreslagit ett planeringsmål för Sveriges regering att Sveriges solelanvändning bör uppgå till 4 TWh3 per år senast år 2020. [9]
Energimyndigheten, ansvarig myndighet rörande de flesta energirelaterande frågor i Sverige, har gett förslag på mål om att senast år 2020 så ska solcellselen producera 2 TWh på årsbasis. Sveriges regering har dock inte antagit något av dessa mål ännu men hoppas på att marknaden ska driva utvecklingen framåt. [10]
För att stimulera marknaden så har Sveriges regering infört ett investeringsstöd för installation av nätanslutna solceller. Stödet är fritt att söka för alla typer av aktörer med chans om att få upp till 35 % av investeringskostnaden betald, dock maximalt 1,2 miljoner kronor. Ansökan görs till respektive Länsstyrelse som tar beslut, men stödet är rambegränsat vilket innebär att bidrag bara kan betalas ut så länge de avsatta pengarna räcker. För perioden 2013 till 2016 så har Sveriges regering avsatt 210 miljoner kronor för detta ändamål. [11] Målet med detta investeringsstöd är att Sveriges årliga elproduktion från solceller ska öka med 2,5 GWh. [12]
Ytterligare uppmuntran till att investera i produktionsslag för förnybar energi är så kallad nettodebitering som kan komma att bli verklighet i Sverige. Nettodebiteringen innebär kort att privatpersoner eller företag med mikroproduktion av el som levereras till det svenska elnätet ska kunna kvitta dess värde mot värdet på den elen som tas emot och används.
Finansdepartementet antog i maj 2012 uppdraget att undersöka huruvida denna möjlighet kan uppfyllas och resultatet över studien ska presenteras senast den 14 juni år 2013. [13]
I remissversionen av Blekinges energi- och klimatstrategi till år 2020, skriven av länsstyrelsen i Blekinge, finns som förslag att Blekinges övergripande målsättning ska vara att andelen förnybar energi ska utgöra 80
% av energianvändningen år 2020. För delområdet solenergi är målsättningen att det år 2020 ska produceras 50 GWh i form av solel och solvärme tillsammans. [14] Detta kan jämföras med Blekinges totala energianvändning som år 2008 var 6 851 GWh och elanvändning som var 1 911 GWh samma år. [15] För att nå solmålet ska åtgärder vidtas från kommuner, Energikontor Sydost och Länsstyrelsen för att främja installation av solel och solvärme inom industri, handel, offentlig verksamhet, lantbruk och bostäder m.m. En annan åtgärd är att planera för en etablering av storskaliga solcellsanläggningar, som detta arbete är en början på i Karlskrona. [14]
2 G (giga) = 109
3.2 Solenergins ursprung
Inuti solen sker det en ständig fusion av vätekärnor till heliumkärnor vilket frigör energi i form av elektromagnetisk strålning. Denna energi strålar ut från solen och träffar bland annat jorden i form av det vi kallar solstrålar.
Den elektromagnetiska strålningens minsta energikvantum kallas för foton, därför kan ljus ibland beskrivas som en ström av fotoner. Fotoner är kraftförmedlande elementarpartiklar som inte bara innehar energi utan också rörelsemängd. Dessa partiklar har massan 0 vilket gör att de alltid rör sig med ljusets hastighet. År 1905 förklarade Albert Einstein att energin hos de elektroner som sänds ut från en belyst metallyta beror på ljusets frekvens och inte dess intensitet. Till sin hjälp använde han sig av ekvation 1 som visar sambandet mellan en fotons energi och ljusets frekvens. [2]
Ekvation 1 – Sambandet mellan fotoners energi och dess frekvens.
E = h*ν = h*(c/λ) (1)
där
E = energi hos en foton [J]
h = plancks konstant [6,63*10-34 Js]
ν = frekvens [s-1]
c = ljusets hastighet i vakuum [3*108 m/s]
λ = ljusets våglängd [nm]
Nästan all energi på vår planet härrör antingen direkt eller indirekt från solen vilket gör denna strålning grundläggande för allt liv på jorden. Endast energin utvunnen från tidvattnets gång, en viss del av den geotermiska och den kärnkraftsbaserade energin är avvikande i detta fall som istället är av radioaktivt ursprung, vilket och andra sidan är just vad solenergin har sitt ursprung i. En fördel med att använda solens strålning är att biprodukterna från kärnreaktionerna stannar på solen och ej behöver tas om hand av människan. [1]
3.3 Solens instrålning mot jorden
Att beräkna en jordlig positions potential för möjligt solenergiupptag involverar ett flertal olika faktorer. Det instrålande solljuset för en plats beror bland annat på platsens geografiska placering på jordklotet och beroende på position så skiljer sig klimatet med olika väder- och lokala atmosfäriska förhållanden. Det totala solljuset är summan av ljus från det direkta, diffusa och markreflekterande ljuset. Hade inte de två senare existerat så hade det till exempel varit ett totalt mörker i området under ett skuggande föremål. Vid klart väder är det näst intill endast direkt strålning som verkar och vid mulet väder så är det tvärtom, det vill säga nästan bara diffust beroende på hur molnigt väder som förekommer. Den diffusa strålningen räknas vanligen som isotrop, det vill säga att hela himlen lyser lika mycket för enkelhetens skull. Markreflektionen kan även kallas albedo och utgörs av den solstrålning som innan den absorberas av en mottagande yta har träffat en annan yta och reflekterats. Olika material reflekterar olika mycket men vanliga värden på reflektionsförmåga brukar vara 0,2 för urbana material, 0,7 för snö och 0,1 för vatten. [16]
Oavsett vilken teknik som används för att ta upp solenergi så är riktningen hos den solupptagande ytan viktig för att optimera upptaget. Således är kunskap om solens position relativt den aktuella platsen viktig för att optimera energiupptaget. I figur 1 visas jordens förhållande till solen för ett år. Jordens bana runt solen är svagt elliptisk med solen inte i centrum utan närmare en av brännpunkterna för banan. Därför varierar avståndet mellan solen och jorden och därmed även energin i solljuset som beror dels på avståndet. Det årliga medelvärdet av solenergi som träffar jordens yttre atmosfär kallas för solarkonstanten. Denna konstant har definierats till värdet 1366 W/m2 av WMO (Världsmeterologisk organisationen), men strängt taget så kan en ”solarkonstant” beräknas för varje önskad tidpunkt eftersom att den varierar med avståndet mellan solen och jorden. All solenergi av solarkonstanten kan dock ej tas tillvara vid jordens yta. Det beror på att cirka 30 % reflekteras bort av atmosfärens yttre skikt och att ytterligare cirka 20 % absorberas av den inre atmosfären beroende på den aktuella platsens väder. [1]
Enligt SMHI:s normalårsmätningar (normalperioden 1961-1990 definierad av WMO) så erhåller södra Sverige cirka 180 kWh/m2 i juni månad och för december månad cirka 8 kWh/m2 mot horisontella ytor. [5] Variationen i infallande solljus över Sverige beroende på årstid har delar i sin förklaring i jordens axiala lutning på 23,5 ° i sin omloppsbana runt solen. När det övre halvklotet har sommar så lutar det övre halvklotet mot solen, och tvärtom.
Detta gör att bland annat Sverige träffas av solens strålar mer rätvinkligt och tar upp mer solenergi på Sveriges sommarmånader än på motsvarande vintern då det övre halvklotet är lutat från solen vilket gör att solens strålar träffar mer snett (se figur 1). [6] Den 21 juni inträffar sommarsolstånder vilket är då jordaxeln och norra halvklotet lutar in mot solen som mest.
Vintersolståndet inträffar den 21 december och då står norra halvklotet som mest ifrån solen. Vid halvtid för dessa båda perioder är dag och natt lika långa och kallas höst- respektive vårdagjämning. [5]
Figur 1: Illustration av jordens omloppsbana runt solen med dess olika lutning beroende på tid på året. [F1]
Beroende på vilken dag på året och vilken tid på dagen så är solens position relativt en viss plats på jorden alltså olika. För solföljande anläggningar är målet att öka energiupptaget genom att programmera anläggningen till att följa solen och därmed alltid ha optimal riktning till solen. I detta fall är solens momentana position viktig, beroende på noggrannhetskrav. Även för de fasta anläggningarna så behövs solens position relativt jorden men i detta fall för att undersöka en optimerad medelvinkel baserad på en viss tidsperiod beroende på hur fast anläggningen är. Den mest optimala riktningen för en solupptagande yta är vinkelrät mot solstrålarna. För att åstadkomma den vinkeln på sin anläggning så är det tvunget att veta med vilken vinkel som solens strålar träffar horisonten för den solupptagande ytans latitud. Denna vinkel kallas för solens ”elevationsvinkel” som också kan kallas för
”solhöjden”, se figur 2. Ett observerat objekts zenitvinkel är alltså vinkeln mellan riktningen till det objektet på himmelen och en rät linje från jordytan vid observationspunkten. Denna vinkel är samma som en solupptagande yta ska vinklas i för maximalt energiupptag från solen och kan beräknas med ekvation 2. [17]
Figur 2: Solens position relativit en bestämd plats på jorden. h = solens elevationsvinkel (solhöjden) mätt från horisonten, z = zenitvinkel mätt från en vertikal från den aktuella platsen, A = asimutvinkel (timvinkel) mätt efter klockans gång från norr. [F2]
Ekvation 2 – solens zenitvinkel
ϕ = cos-1(sin(lat)*sin(δ)+cos(lat)*cos(δ)*cos(timvinkel) (2) där
ϕ = solens zenitvinkel [°]
δ = solens deklination [°]
Se ekvation 4.
lat = den aktuella platsens latitud på jorden [°]
timvinkel = den vinkel i grader som solen bildar mellan den aktuella platsen och Greenwich för den tid som passerat [°]
Se ekvation 5.
Solens deklinationsvinkel är vinkeln mellan solen och himmelsekvatorn och varierar mellan 23,5° och -23,5° beräknas med ekvation 3. [17]
Ekvation 3 – solens deklinationsvinkel
δ = 0,006918-0,399912*cos(γ)+0,070257*sin(γ)-
0,006758*cos(2γ)+0,000907*sin(2γ)- (3)
0,002697*cos(3γ)+0,00148*sin(3γ) där
γ = jordens rotation runt solen fram till och med det datum som zenitvinkeln ska beräknas för [°]
Se ekvation 4. [17]
Ekvation 4 – beräkning för jordens rotation runt solen baserat på datum och timme som ska zenitvinkeln beräknas för.
γ = (360/365)*(dag på året-1+(timme-12)/24) (4) där
dag på året = den aktuella dagen som solenergin vill beräknas för timme = den aktuella timmen som solenergin vill beräknas för
För varje timme som passerar så roterar Jorden 15° runt sin egen axel. Med ekvation 5 så kan solens timvinkel räknas ut. [17]
Ekvation 5 – solens timvinkel
timvinkel = (tst/4)-180 (5)
där
tst = ”true solar time” (klockan 12 är det tänkt att solen ska stå som högst på himlen men detta kommer att skilja sig för olika platser i en och samma tidszon varför det beräknas en ”verklig soltid”) [min]
Se ekvation 6. [17]
Ekvation 6 – true solar time
tst = timme*60+minut+(sekund/60)+tidsskillnad (6) där
tst = ”true solar time”
timme = den timme som solens position ska beräknas för [h]
minut = den minut som solens position ska beräknas för [min]
sekund = den sekund som solens position ska beräknas för [s]
tidsskillnad = skillnaden i antal minuter mellan tst och den aktuella platsens tidszon [min]
Se ekvation 7. [17]
Ekvation 7 - tidsskillnad
tidsskillnad = EoT-4*long+60*tidszon (7) där
long = den aktuella platsens longitud på jorden [°]
tidszon = den aktuella platsens tidszon från Greenwich [h]
EoT = ”equation of time” ges av en empirisk formel som korrigerar för jordens omloppsbana runt solen och jordens axiala lutning på 23,5°
[min]
Se ekvation 8. [17]
Ekvation 8 – Beräkning av EoT.
EoT = 229,18*(0,000075+0,001868*cos(γ)- (8) 0,032077*sin(γ)-0,014615*cos(2γ)-
0,040849*sin(2γ))
där
EoT = ”equation of time”
γ = jordens rotation runt solen fram till och med det datum som zenitvinkeln ska beräknas för. [°]
Även beräkningar utifrån att placera en solupptagande yta rätt vad gäller väderstreck kan beräknas. Begreppet som används för denna riktning eller intervall är asimut och är en vinkel 0-360° som brukligt räknas efter solens gång från norr (se figur 2). Solens asimutvinkel (θ) för en tid på året kan beräknas med hjälp av ekvation 9. [17]
Ekvation 9 – solens asimutvinkel
θ = 180-cos-1(-(sin(lat)*cos(ϕ)-sin(δ)/(cos(lat)*sin(ϕ))) (9) där
θ = solens asimutvinkel [°]
lat = den aktuella platsens latitud på jorden [°]
ϕ = solens zenitvinkel [°]
δ = solens deklination [°]
Vid beräkning av en aktuell plats solinstrålning till en horisontell markyta vid en framräknad placering av solen så kan ekvation 10 användas. [18]
Ekvation 10 – Instrålad effekt till en horisontell markyta
qmottaget = (1-refl)*(1-ab)*qsolark*cos(90-α) (10) där
qmottaget= aktuell solinstrålning [W/m2] refl = den yttre atmosfärens reflektion [%]
abs = den inre atmosfärens absorption av solenergi [%]
qsolark = solarkonstanten [W/m2]
α = solens höjd över horisonten, solarhöjden (elevationsvinkeln). [°]
Se ekvation 11.
Ekvation 11 – solens höjd över havet, solarhöjden (elevationsvinkeln).
α = 90- ϕ där
α = solens höjd över horisonten, solarhöjden (elevationsvinkeln). [°]
ϕ = solens zenitvinkel [°]
Med ekvation 2 – 11 så kan alltså den teoretiskt sett högsta möjliga infallande solenergieffekten beräknas för vilken plats som helst för den tid på året som önskas. Ju mer noggranna värden som för atmosfärens absorption och reflektion är kända desto mer exakta blir effektberäkningarna. För beräkning av energimängden för en viss period tas
effekten för den perioden och multipliceras med tiden. Ju mer noggrant indelade perioder för vinklarna för solhöjden desto noggrannare blir också energiberäkningarna. Summan av samtliga energimängder beräknade för varje solhöjd för varje klockslag inom en viss tidsperiod ger därmed den totala solenergimängden. [18]
3.4 Atmosfärisk absorption
Ju längre avståndet mellan ett objekt och solen är desto lägre blir solenergin per yta. I figur 3 så visas solljusets utspädning under dess färd från solen ut i rymden. Eftersom att avståndet mellan solen och jorden varierar under ett år så varier även solarkonstanten under ett år men enligt WMO så är den bestämd till 1366 W/m2.
Figur 3: En beskrivning av solljusets utspädning per yta beroende på hur långt det färdas. Avståndet mellan solen och jordens yttre atmosfär är 1,496*1011 m, på detta avstånd så träffas jordens yttre atmosfär av 1366 W/m2 som medeltal på ett år (känt som solarkonstanten). [F3]
Beroende på väder så kommer också en viss del av energin att absorberas av atmosfären. Även en klar dag så absorberas en del av till exempel syre, koldioxid och övriga ämnen som atmosfären utgörs av. Mängden materia i atmosfären som absorberar solljuset mäts med storheten Air Mass och beskriver den luftmassa som solljuset måste gå genom från det att ljuset når atmosfären till att det når marken. Detta beskrivs av figur 4 och Air Mass- indexet kan approximativt beräknas med hjälp av ekvation 12.
Figur 4: En beskrivning av att solljusets väg genom atmosfären ökar med lägre solhöjd. [F4]
Ekvation 12 – ekvation för uträkning av Air Mass.
Air Mass = 1/sin(α) = 1/cos(ϕ) (11) där
Air Mass = faktor som beräknar atmosfärens absorption α = solhöjden (elevationsvinkeln)
ϕ = solens zenitvinkel
I figur 5 visas solljusets energi för varierande våglängd för ett par olika värden på Air Mass-faktorn. När solljuset träffar den yttre atmosfären så reflekteras 30 % av strålarna tillbaka ut i rymden och den energin som då blir kvar beskrivs som AM1 i figur 5. Solenergin för Air Mass 0 (AM0) i samma figur är den solenergin precis innan ljuset har nått jordens yttre atmosfär (solarkonstanten). De 956,2 W/m2 som är kvar efter reflektionen fortsätter mot jorden men allt når inte marken. Ju längre väg genom atmosfären desto större blir absorptionen av atmosfären. Ju lägre solhöjd desto längre avstånd genom atmosfären och desto högre blir Air Mass och därmed absorptionen. [6]
Figur 5: Solljusets energi som funktion av våglängd för olika värden på
”Air Mass”. [F3]
3.5 Hur solenergi kan tas tillvara
För att ta upp den direkta solenergin så finns det ett flertal olika tekniker att använda. Den första indelningen som kan göras är vad solenergin ska omvandlas till; värme eller elektricitet. Att använda solenergi för att få värme kan göras både passivt och aktivt. Passiv solvärme kan ha olika innebörd men generellt menas att det inte används någon pump eller fläkt till att framföra mediet som ska transportera värmen. Ett passivt system kan alltså vara när solljuset lyser in genom fönstren på en fastighet och värmer upp luften inomhus. Aktiva system kan delas in i två grupper;
lågtempererade och högtempererade system. System för låg temperatur är projekterade för att ge varmvatten runt 100° C avsett för hushållsbehov. I denna grupp ingår till exempel de platta solfångarna som kan ses monterade på fastigheter. [6]
De högtempererade systemen är tänkta att ge högtempererad ånga och att med hjälp av denna få ut mekaniskt arbete genom att driva en turbin.
Tekniken för dessa system är konstruerade för att med hjälp av speglar fokusera inkommande solenergi till en punkt och därigenom skapa tillräckligt hög temperatur. Det koncentrerade solljuset värmer mediet till att antingen förångas självt eller förånga ytterligare ett medie genom en värmeväxlare. Dessa system kan vara komplexa och för optimal drift krävs att alla speglar är korrekt programmerade att följa solens rörelser för att koncentrera solljuset till en viss punkt. De högtempererade systemen kan
även klassas som elproducerande system eftersom turbinerna i sin tur kopplas till elgeneratorer. [6]
Ett sätt att producera elektricitet från solinstrålning utan några rörliga delar är att använda solceller. Väl beprövade och färdigutvecklade system finns idag tillgängligt samtidigt som området är under fortsatt utveckling för att höja verkningsgraden och sänka kostnaden. Här efter följer teori över dagens utveckling av solceller. [6]
3.6 Solcellens historiska bakgrund
De elektriska fenomenen har intresserat och observerats ända sedan antiken, men det var först på 1800-talet som elektriciteten började undersökas mer systematiskt och på ett vetenskapligt sätt. [19] Grunden till kunskapen om materials fotovoltaiska effekt, det vill säga el från ljus, lades år 1839 av den franske fysikern Edmond Becquerel. Becquerel deltog i en serie experiment i vilka studierna kretsade kring fasta ämnens beteende i elektrolyter. Hans publikationer år 1839 visade resultat på att metallplattor av platina eller silver nedsänkta i en för typen passande vätska producerade en spänning och ström när det belystes av solljus. Detta var starten för en teknik som det forskas kring än idag, solcellstekniken. [6, 20]
Den första gången som den fotovoltaiska effekten observerades för fasta material var 1877 av två studenter, Adams och Day, studerande på Cambridge. Deras studier grundade sig i olika ämnens ledningsförmåga varpå de upptäckte att resistansen hos selen varierade då det utsattes för solljus. Detta resultat var viktigt för solcellsteknikens utveckling, för sex år senare år 1883 så konstruerade en amerikansk elektriker den första solcellen baserad på selen utifrån Cambridgestudierna. Elektrikern, vid namn Charles E. Fritts, förutsåg då denna elenergigivande komponent i större format som ett alternativ till de fossila bränslena. Uppfinningen i sig var då uppseendeväckande men effekten var låg och tekniken bakom kunde inte helt förklars och därför möttes hans uppfinning med tvivel. Därefter dröjde det innan någon mer utvecklad solcell kunde presenteras. Elektriciteten var fortfarande ett intressant ämne men solcellsteknikens område var just bara intressant, inget som då sågs som en framtid. [20]
Edisons introduktion av glödlampan på 1880-talet och hans lösning för distribution och produktion av den elektriska strömmen revolutionerade människans vardag. [21] Olika materials elektriska egenskaper började undersökas och under första halvan av 1900-talet gav fysiker som Planck och Einstein nya insikter om naturen gällande strålning och större kunskap om olika materials egenskaper. [6]
En av de mer avgörande upptäckterna för högre verkningsgrad hos solceller var den så kallade ”dopningen” av halvledarmaterial. Större kunskap om både elektricitet och olika materials egenskaper ledde till att en forskare vid
namn Ohl år 1941 patenterade en solcell baserad på kisel, dock var livslängden låg och verkningsgraden dålig, under 1 %. Solcellen var dock revolutionerande ur den aspekten att cellen var uppbyggd av ”negativt” och
”positivt” kisel som konstruerats med hjälp av ”dopning” (se avsnitt 3.8 för förklaring av process). Kunskapen om dopat kisel användes först till utvecklingen av transistorer men testades därefter också i solceller. År 1954 kunde så ett forskarlag från USA bestående av D. Chapin, C. Fuller och G.
Pearson presentera en kiselbaserad solcell med verkningsgrad på hela 6 %.
1958 fick solcellen sin första tillämpning för elförsörjning av en radiosändare på den amerikanska rymdsatelliten Vanguard I. Satelliten var försedd med ett batteri för radiosändaren och när det var förbrukat efter ett par månader kunde radiosändaren ändå fortsätta vara i kontakt med jorden i totalt sex år tack vare solcellstekniken. [6, 20]
Detta gav en större framtidstro på solcellstekniken, i alla fall för liknande otillgängliga platser där elförsörjning inte kan åstadkommas på ett smidigare sätt. Idag används solceller fortfarande på otillgängliga platser som till exempel utbyggnad av fattiga områden utan elnät. [22] Samtidigt börjar solceller idag bli tämligen accepterade som elproducenter och idag är en majoritet av solcellsinstallationerna inkopplade på det etablerade elnätet runt om i världen. I figur 6 visas ett diagram över installerad solcellskapacitet i Sverige över årsperioden 1992 till 2012. År 2012 utgjorde den nätanslutna solcellselen ca 70 % av den totala solcellselen. [23]
Figur 6: Diagram över installerad solcellskapacitet i Sverige från år 1992 till 2012. [F5]
3.7 Solceller idag
De solcellssorter som idag är kända delas ofta upp i tre olika generationer.
Första och andra generationens solceller är de som används idag och för dessa sker det nu en utveckling av tillverkningen. För tredje generationens solceller så pågår fortfarande forskning innan de kan släppas för storskalig försäljning på marknaden. [24]
Första generationens solceller är den första erkända typen av solcell som presenterades på 1950-talet vilka oftast är uppbyggda av kristallint kisel. [6]
Celler med kristallint kisel är de som idag har högst marknadsandel. Det finns två olika typer av kristallint kisel; monokristallint och polykristallint.
År 2011 hade de polykristallina cellerna 57 % av marknaden och tillsammans hade dessa två typer ca 88 % av marknaden. [25] Ämnet kisel är det näst mest förekommande ämnet på jorden vilket ger en hög potential för masstillverkning av celler. [2] Tillverkningen kräver dock hög renhet på kislet vilket kräver speciella tillverkningsmetoder och hög energianvändning. Detta medför att kostnaden för solcellerna stiger. [6]
Det finns liknande celler gjorda av andra kristallina ämnen som till exempel galliumarsenid (ofta förkortat GaAs). Dessa kan ge en högre verkningsgrad men idén om masstillverkning fallerar eftersom det används mer ovanliga ämnen för denna sort. [6]
Monokristallina kiselceller har högre renhet på kislet än de polykristallina och har därmed högre verkningsgrad men är också dyrare. [6]
Forskarvärldens högst uppmätta verkningsgrad för monokristallina celler är 25 % och för polykristallina 20 %, marknadens moduler ligger dock ca 5 % - enheter lägre. [26]
Andra generationens solceller kallas i dagligt tal för tunnfilmssolceller och består av någon mikrometer tunn film av halvledarmaterial pålagd på plast eller glas. Celltypen introducerades på 70-talet som ett alternativ till de relativt dyra kiselcellerna med förhoppningar om tryggad energiförsörjning i spår av oljekrisen. [27] Halvledarmaterial som ofta används är till exempel kadmiumtellurid och koppar-indium-gallium-diselenid. Detta är dock mindre vanligt förekommande ämnen jämfört med kisel och kan därmed begränsa produktionen. [24] Denna sort är dock fortfarande något billigare än kiselceller på grund av att det går åt en mindre mängd halvledarmaterial.
[27] Högsta uppmätta verkningsgraden för dessa celler ligger på 20 % medan marknadens moduler stannar på ca 11 %. [26]
Tredje generationens solceller presenterades på 90-talet och är ännu på forskningsstadiet med förhoppningar om att både verkningsgraden ska bli högre och att kostnaden ska bli lägre jämfört med dagens solceller. Tredje generationens solceller delas huvudsakligen i två grupper; multiceller och Grätzelceller. [27]
Solljuset består av fotoner med olika energimängd beroende på våglängd som beskrivs i figur 5. Verkningsgraden för första och andra generationens celler begränsas av att cellerna endast tar upp energi inom ett visst intervall av en viss våglängd. Multiceller är solceller med fler lager halvledarmaterial än ett där varje lager är anpassat för att ta upp solenergi vid en viss våglängd. Samma funktion som i första och andra generationens celler alltså, men fler lager för olika våglängder vilket höjer verkningsgraden eftersom att de kan nyttja en större del av det infallande solljuset (se även avsnitt 3.8). [6]
För dessa celler ligger verkningsgraden på över 30 % med högre verkningsgrad ju fler lager som ingår. År 2013 utvecklade ett forskarlag en cell med 5 olika lager som hade 38 % i verkningsgrad. [26]
Störst intresse för framtida solceller har de så kallade Grätzelcellerna som presenterades på 1990-talet av Michael Grätzel. [27] Denna typ av solceller skiljer sig från övriga solceller då tekniken inte är fotovoltaisk utan fotoelektrokemisk. [6] Solljuset är tänkt att absorberas av nanopartiklar av till exempel titandioxid som har doppats i ett färgämne som ska vara i kontakt med en elektrolyt. När färgämnets elektroner tar upp solenergi så exciteras de och skapar en elektrisk ström vars krets sluts med hjälp av den elektriskt ledande vätskan, elektrolyten. Tekniken för dessa kan liknas med fotosyntesen för växter där växters klorofyll är solcellernas färgämne.
Intresset för cellerna ligger i att tillverkningen hoppas kunna ske på ett relativt enkelt sätt med kemikalier som redan idag används. Därmed finns en förhoppningen om att dessa solceller ska bli billigare än första och andra generationens celler. Frågetecken som återstår är om hållbarheten kan utmana den livstid som dagens nuvarande celler har på cirka 20-30 år. Enligt professor Anders Hagfeldt, solforskare vid Uppsala Universitet, så dröjer det åtminstone fem år fram i tiden tills de första exemplaren av denna sort dyker upp på en solcellsanläggning. [27] Den högsta verkningsgraden för celler framtagna av forskare ligger än så länge på ca 11 %. [26]
3.8 Solcellers omvandling av solenergi till elenergi
Alla idag kända solceller förutom tredje generationens Grätzelceller bygger på den fotovoltaiska effekten varför de på engelska ibland kallas för PV (PhotoVoltaic). Solcellers funktion är generellt densamma för samtliga som använder sig av denna effekt men följande teoriförklaring utgår från första generationens kiselceller som detta arbete fokuserar på.
Ett vanligt mått på de kristallina kiselcellerna är 100*100 mm till 150*150 mm med en tjocklek på 0,2 mm. En sådan cell ger ca 0,5 V i spänning och förutsatt att solen lyser så är spänningen i princip konstant medan strömmen är beroende av intensiteten. Därmed varierar den utgående effekten från en cell enligt ekvation 12 [26] och i figur 7 visas den karakteristiska ström- spänningskurvan för en solcell.
Ekvation 12 – effekten från en solcell varierar med strömstyrkan som varierar med solljuset.
P = I*U (12)
där
P = effekt (W) I = strömstyrka (A) U = spänning (V)
Figur 7: Karakteristisk ström-spänningkurva (IV-kurva) för en solcell.
Maximal effekt ges när produkten av ström och spänning är maximal. [F6]
För att kunna ladda till exempel ett 12-voltsbatteri eller skicka ut ström på ett elnät så seriekopplas ett flertal celler (vanligtvis 36 eller 72 st) till en så kallad solcellsmodul för att leverera en högre och lättare hanterbar spänning.
Modulerna skyddar cellerna mot yttre påverkan och fungerar som en byggsats som ger en valfrihet till konsumenten att bestämma storlek (antal moduler) på den anläggning av det solcellssystem som önskas uppföras. [26]
När en solcell absorberar solens ljusstrålar så bildas en ström av elektroner i cellen som kan tas tillvara i en yttre krets med anslutna ledningar på cellens kontakter på fram- och baksidan av cellen. Se figur 8. Framsidans kontakt är utformad som ett galler eller nät för att täcka minimalt av cellen för att så mycket som möjligt av solljuset ska kunna absorberas. [6]
Figur 8: Funktionen hos en solcell. När solljuset träffar cellen uppstår en ström av elektroner som kan driva en belastning som till exempel en lampa.
[F7]
Det är halvledarmaterialet som utgör den essentiella funktionen hos en solcell. I enkelceller (solceller med enbart ett bandgap) av kristallint kisel så består halvledarmaterialet av i grunden rent kisel. Det utformas som en tunn platta som i sin tur skiktad i två lager, ett övre och ett undre. Det övre skiktet består av kisel som har ”dopats”, det vill säga förorenats, med små mängder av ett så kallat störämne (vanligen fosfor) som ger skiktet ett överskott av elektroner vilket gör skiktet negativt laddat. Detta lager kallas därför för n- typ. Det undre skiktet är också gjort av kisel men har dopats med ett annat störämne (vanligen bor) som ger lagret ett underskott av elektroner och därför gör det positivt laddat. Detta lager kallas därför för p-typ. Dessa båda lager sätts samman vilket ger ett statiskt elektriskt fält i gränsskiktet mellan
skikten som utjämnar totalladdningen just i närheten av gränsskiktet och bildar ett neutralt spärrskikt (se figur 8). När solljusets fotoner träffar kislet så exciteras elektroner som då strömmar över till n-typen. Detta gör n-sidan negativ och p-sidan positiv vilket skapar en elektrisk spänning på ca 0,5 V som kan driva en elektrisk ström som kan tas upp i en yttre krets. När solens ljus inte längre träffar cellens yta så utjämnas laddningen mellan skikten och effekten sjunker till noll. [2]
Mer ingående kan den elektriska strömmens bildande förklaras med fysikens begrepp bandstruktur. Bandstrukturen används för att förklara energiintervallen hos de yttre elektronerna hos atomer i ett kristallint material. I dessa intervall (energiband) samlas de yttre elektronerna i atomerna för fasta material i täta nivåer. Halvledarna skiljer sig principiellt från ledarnas ledningsförmåga med att atomernas valenselektroner helt fyller det energiband kallat valensbandet. Ovanför valensbandet finns ett för elektronerna ”förbjudet” område som kallas bandgap eller energigap och över det ett åter ”tillåtet” område kallat ledningsbandet. När en foton för över sin energimängd till en träffad elektron (elektronen exciteras) så kan elektronen, om energin är tillräckligt hög, ”hoppa över” energigapet till ledningsbandet vilket då skapar en ström av elektroner. Energigapets storlek anges i elektronvolt (eV) och beror på materialet, för kisel är detta
”mellanrum” av storleken 1,1 eV. [2]
För att en solcell ska erhålla en så hög verkningsgrad som möjligt ska gapen vara anpassade till det ljus som solenergin innehåller och därför måste alltså solcellens material väljas med eftertanke. I figur 5 visas solljusets energi som funktion av våglängden hos fotonerna. Solenergin som når jordytan ligger i våglängdsområdet 300-2500 nm (0,5 - 4 eV). Strålning med våglängd under 300 nm absorberas av ozonskiktet och strålning över 2500 nm absorberas av koldioxid och vattenånga i atmosfären. Från fotoner med mindre energi än energigapets storlek gör att elektronerna i solcellens halvledarmaterial inte exciteras med tillräcklig energi för att komma över energigapet. Fotoner med mer energi än energigapets storlek omvandlar överskottsenergin till värme. Dessa fakta ger enkelceller en begränsning i verkningsgraden kallad ”Schockley-Quiesser-gränsen” efter de båda forskarna med samma namn som beräknade den maximala möjliga verkningsgraden till ca 30 % [28]. Därav intresset för de så kallade multicellerna med fler bandgap än ett så att verkningsgrader över 30 % ska kunna nås. Som figur 8 visar så är solcellernas yta behandlat med ett antireflekterande medel för att kunna absorbera optimalt med solljus. Trots detta så reflekteras ändå en viss del av solstrålarna bort från solcellernas yta vilket även det bidrar till att effektiviteten för en solcell sänks. [6]
Verkningsgraden hos en solcell sjunker ytterligare om temperaturen ökar.
Ett genomsnittligt värde är att den utgående effekten reduceras med 0,5 % per ökad °C från den temperatur som cellen har konstruerats och testats för.
Detta har sin förklaring i att cellens spänning sjunker eftersom att
ledningsförmågan ökar med temperaturen. [29] Det vill säga funktionen med halvledarmaterialet försämras när ledningsförmågan ökar. [2] Därför kan en modells nominella toppeffekt aldrig uppnås under en varm sommardag, då solen lyser som mest. Vid montering av solcellsmoduler är det därför av vikt att ha ett mellanrum mellan modulens baksida och eventuell bakomvarande yta för bättre ventilation. Monterat och installerat reduceras verkningsgraden ytterligare på grund av tillhörande kablage, växelriktare och övrig inkopplad utrustning. Kabellängderna bör vara så korta som möjligt för att minska förlusterna.
Solceller levererar likström, vilket går bra att använda direkt för att ladda till exempel ett 12-voltsbatteri. Om solelen istället ska skickas ut på ett elnät så måste likströmen omvandlas till växelström vilket kan göras med en växelriktare. Denna komponent kan också göra att verkningsgraden sjunker något med hänsyn till den utgående strömmen på nätet jämfört med strömmen innan växelriktaren. Vid nätbortfall kopplas växelriktaren automatiskt ur från nätleverans eftersom funktionen inte får upprätthållas om reparation måste utföras på nätet. Om inte växelriktaren kopplar ur leveransen till elnätet så skapar solcellen en så kallad ”ö-drift” med fortsatt elleverans ut på nätet vilket kan skapa en livsfara för de reparatörer som arbetar med nätet. [16]
3.9 Installation och tillsyn av solcellsanläggningar
I och med projektering av solcellsanläggningar så kan det behövas göras en bygglovsanmälan beroende på vilka regler som den kommun man befinner sig i har bestämt. Regler för detta kan kollas upp på kommunens byggnadskontor. Om solelen ska levereras till ett elnät så måste det göras en föranmälan till elnätägaren innan installationen kan ske. Själva installationsarbetet ska utföras av en utbildad elektriker under en elinstallatörs uppsikt. Solcellsmodulerna kan inte stängas av och en anläggning kan beroende på storlek avge höga spänningar och stor strömstyrka vilket ger risker i både el- och brandaspekter. [30]
På grund av avsaknad av rörliga delar för själva solcellsmodulerna och den relativt långa livstiden som ofta garanteras så är underhållet för en solcellsanläggning litet. Vanligt regn räcker oftast för rengöring beroende på vilken lutning de har monterats i. Är det behövligt kan dock rengöring tillämpas vid speciella fall, till exempel om modulerna är placerade på plats med ovanligt hög atmosfärisk förorening. Solceller utan nederbördsberedskap (justering av läge vid nederbörd) kan vid snöfall täckas helt med snö. Snöskottning är då oftast inget alternativ på grund av risken för att skada modulerna, dessutom är solenergin vid dessa snörika perioder så låg att det vanligen inte är lönsamt. Driften för en solcell behöver inte heller mycket tillsyn, de avbrott som behöver avhjälpande underhåll gäller oftast växelriktarna som solcellsmodulerna kopplas till. Om modulerna är
angjorda på en rörlig, solföljande ställning så tillkommer oljebyte och smörjning samt fler kontroller för säkrad elproduktion. [30]
Den tillsyn som enligt Energimyndigheten är rekommenderad för solcellsmoduler är:
- Månadsvis tillsyn som innebär övergripande tillsyn med kontroll av moduler och övrig tillhörande utrustning för att upptäcka skador.
- Efter vinter och mycket kraftigt oväder för att kontrollera samma som den månadsvisa tillsynen men med fokus på komponenters infästning.
- Inför vårsäsong kontrollera kopplingsboxar och övrig elektrisk utrustning för att innan den mest högeffektiva perioden hitta eventuella fel och brister i kablage och kopplingar som till exempel överhettade eller brännskadade komponenter. [30]
4. Ekonomisk teori
I detta kapitel så förklaras den ekonomiska teori för förståelsen kring
livscykelkostnader. Det inleds med en förklaring till vad en livscykelkostnad är och vilka kostnader som ingår. Kapitlet fortsätter sedan med en generell genomgång för proceduren över en livscykelkostnads analys och avslutas med förklaring över ekonomiska förutsättningar som behövs för
investeringskalkylering.
4.1 Livscykelkostnad, vad är det och vad kan det användas till?
Livscykelkostnad, LCC (Life Cycle Cost), är den totala kostnaden för en produkt i vilken det ingår en sammanslagning av samtliga kostnader under en enhets hela livstid. [31] Vid avvägningar och alternativval vid till exempel en nyinvestering så är en livscykelkostnadsanalys en god metod som hjälpmedel, för att avgöra vilket produktalternativ som har lägst kostnad sett ur ett livscykelperspektiv. [31, 32]
4.2 Livscykelkostnad, vilka kostnader ingår?
Beroende på vad som ska undersökas och hur noga varje kostnadspost ska undersökas så kan en livscykelkostnadsanalys göras på olika sätt. [33] För producent och konsument blir aktiviteterna olika och därför också kostnaderna. För köpare, som detta arbete inriktas på, så kan kostnaderna delas upp i följande sex punkter [31, 32]:
Anskaffningskostnad
I denna kostnad ingår allt som rör installation och inköp som till exempel marknadsundersökning, projektledning, kostnader för konsulter och förberedande anläggningsarbeten för uppförande av enheter. [31]
Icke kapitaliserbara utgifter
Detta är kostnader som uppstår vid anskaffningstillfället men som ej ska kapitaliseras, skrivas av. Det kan vara till exempel utbildning och stilleståndskostnader med mera i samband med installation och vid uppstart [31].
Årlig underhållskostnad
Det teoretiska underhållet kan delas in i:
- Avhjälpande underhåll för att avhjälpa fel hos enhet som i sin tur kan vara
o Akut: driften stoppas och problemet måste avhjälpas akut.
o Uppskjutet: driften riskerar att stoppas men lösningen på problemet kan skjutas på framtiden.
- Förebyggande underhåll vilket är ett periodvis underhåll för att minska risk för fel hos enhet som i sin tur kan delas in i:
o Tidsbaserat underhåll: som görs periodvis efter att driften varit igång efter en viss tid som till exempel smörjning.
o Tillståndsbaserat underhåll: som görs när den periodvisa kontrollen av utrustningen upptäcker att utrustningen behöver underhåll.
Detta leder till kostnader i form av:
- Personal, egen eller inhyrd för reparation och övrigt underhåll.
- Utrustning, verktyg och instrument.
- Reservmateriel, inköp.
- Kunskap, hos personalen som kan vara både utbildning och erfarenhet.
- Lokaler, verkstad och lager.
- Dokumentation, ritningar och riktlinjer angående underhåll som kan vara i form av serviceböcker. [33]
Utrustningen och lokalerna kan i sin tur behöva underhåll vilket faller inom indirekta kostnader för underhållet. [32]
Årlig driftkostnad
För att enheter som används ska fungera kan det krävas till exempel energi, råvaror och lön till personal vilket årligen bidrar till kostnader för driften.
[31]
Årliga fasta kostnader
Kostnader för administration och försäkringar etc. är årligt återkommande och fasta vilka slås samman i denna grupp. [31]
Avvecklingskostnad
Vid livscykelns slut när utrustningen är uttjänt ska den avvecklas vilket kan kräva kostnader genom till exempel avstängning, avveckling, nedmontering, bortforsling, återställning av plats och återvinning eller säker destruktion.
[31] En enhet kan dock ha ett restvärde, ett andrahandsvärde, om dess fysiska livslängd inte är slut. [34]
4.3 Hur görs en livscykelkostnadsanalys?
Här följer ett exempel på 12 grundläggande steg vid genomförandet av en livskostnadsanalys men som redan nämnts så kan en sådan analys göras på olika sätt beroende på vad som undersöks och i vilket syfte: [33]
1. Definiera systemkrav.
Vad kräver systemet för att fungera? Hur ska det skötas?
2. Definiera systemets livslängd och bestäm dess verksamhet utefter dess ekonomiska livscykel.
Definiera de huvudsakliga kostnadsposterna för ett kommande kostnadsstrukturträd där samtliga kostnadsposter ska ingå.
3. Konstruera ett kostnadsstrukturträd.
Skriv in alla aktiviteter längs livscykeln för att summera alla kostnader.
4. Identifiera kraven för indata.
Vilken noggrannhet eftersträvas? Varifrån ska indata införskaffas?
Vilken sorts och hur stor mängd data som behövs beror på hur livscykelkostnadsanalysen görs, vilken fas i livscykeln det är och djupet av analysen.
5. Fastställ kostnaden för varje kategori i kostnadsstrukturträdet.
Uppskatta varje kostnadspost år för år för systemets livscykel.
6. Införskaffa en kostnadsmodell för analys och utvärdering.
För att underlätta beräkningarna bör modellen vara databaserad och välanpassad för det specifika systemet i fråga.
7. Utveckla en kostnadsprofil och sammanfattning.
Visa kostnadsströmmen för hela livscykeln och ordna en sammanfattning för varje kostnadspost som visar hur stor andel varje post utgör av den totala.
8. Identifiera hög-kostnads-poster och sök förhållanden mellan orsak och verkan.
Vilka delar bör ses över för utveckling?
9. Genomför en känslighetsanalys.
Utvärdera modellen, in- och utdata, och resultatet och kontrollera att rätt perspektiv är taget och att resultatet är det avsedda. Ställ frågan om det är några kostnader som är känsliga för förändring av vissa indata. Om så är fallet bör det utredas vad utfallet för livscykelkostnaderna blir om förhållandena ändras och notera dessa typfallen.
10. Gör en prioritering för analysering.
Prioriteringen ska ske med de poster som kräver mest tillsyn.
11. Identifiera genomförbara alternativ för designutvärdering.
Från att ha utvecklat att tillvägagångssätt för att undersöka livscykelkostnaden ska nu alla valda alternativ som är intressanta undersökas och utvärderas.
12. Utvärdera genomförbara alternativ.
Utför en kostnadsprofil för varje alternativ och jämför alternativen utifrån nuvärden. [33]
4.4 Ekonomiska förutsättningar för investeringskalkylering
På grund av inflation, ränta och växelkurser så sker hela tiden värdeförändringar av valutor och penningvärde. En vara eller tjänst för en kostnad idag kan under en livscykel förändras till imorgon och detta försvårar kostnadsuppskattningar över längre tid. För att en livscykelkostnadsanalys vid investeringskalkyl inte ska ske på fel ambitionsnivå, missa väsentliga delar eller lösa fel problem så bör de ekonomiska förutsättningarna bestämmas vid analysens början. [32]
Vid fastställande av en komponents livscykel så kan detta göras utifrån två olika definitioner, en teknisk och en ekonomisk. När den tekniska livslängden är uppnådd för en investering så anses den vara oanvändbar. När den ekonomiska livslängden har uppnåtts anses däremot att investeringen inte längre är ekonomiskt meningsfull att använda, men den kan fortfarande ha kvar en viss del av sin tekniska livslängd. [34] Den ekonomiska livslängden kan uppskattas med hjälp av erfarenheter i teknisk utveckling, drifts- och underhållskostnader etc. [35]
För att kunna jämföra framtida kostnader så ska de diskonteras till en fix tidpunkt [30], det vill säga att alla kostnaderna räknas om till värden som gäller för en och samma tidpunkt. Med hjälp av nuvärdemetoden så beräknas alla tänkta kommande kostnader om till vad de hade kostat vid året för investeringsbeslutet, år 0, med hjälp av kalkylräntan. Detta görs för att kunna jämföra olika alternativ i investeringskalkyler. I ekvation 13 visas hur nuvärden för enstaka framtida kostnader kan beräknas. För årligt återkommande framtida kostnader ska istället ekvation 14 användas. [34]
Ekvation 13 – Nuvärdesberäkningar för enstaka framtida kostnader
NVE = U*(1+k)-n (13)
där
NVE = nuvärdeskostnaden för enstaka framtida kostnader U = kostnad
K = kalkylräntesatsen n = antal år fram i tiden
Ekvation 14 – Nuvärdesberäkning för årligt återkommande framtida kostnader.
NVÅ = U*((1-(1+k)-n)/k) (14)
där
NVÅ = nuvärdeskostnaden för årligt återkommande framtida kostnader U = kostnad
k = kalkylräntesatsen n = antal år fram i tiden
Kalkylräntan beskriver det krav på förräntning som företag ställer på satsat kapital och används alltså för att kunna jämföra alla blivande utbetalningar över en investerings ekonomiska livscykel. [35] En faktor som höjer känsligheten ytterligare vad det gäller nuvärdesbestämning är inflationen (eller deflationen). [32] Inflationen gör att penningvärdet hos valutor faller och uppskattningen av inflationen försvåras över längre livscykler. [34] Om alla kostnadsposter i en analys tros påverkas lika av inflationen så kan analysen underlättas genom att räkna med realkalkylränta. [32] Då bortser man från att priser och löner ändras med tidens gång. Den reala räntan är lika med den nominella räntan minus inflationen. [35]
5. Metod
Detta arbete grundar sig på Karlskrona kommuns önskemål om att ta fram potentialen för solcellsanvändning i Karlskrona. I denna studie har en teoretisk genomgång av solenergi, solceller och livscykelkostnads-ekonomi genomgåtts för att uppnå arbetets syfte och mål. Dels så efterfrågar kunden själv en större förklaring kring ämnet för att bilda sig en bättre förståelse om det. Dels så behövs teorin för att kunna kvantifiera möjligt solenergiupptag samt vad detta skulle kunna ge för kostnader respektive intäkter.
För att kunna kvantifiera högsta möjliga elproduktion och kostnader för en solcellsanläggning så har det i detta arbete valts att ta fram en beräkningsmodell. Modellen är tänkt att kunna användas för valfri position på jorden och är för resultatet i detta arbete använd för Karlskronas indata.
Modellen är utformad i Microsoft Office Excel 2010 och består av en teknisk del samt en ekonomisk del. Den tekniska delen bygger på astronomisk teori förklarad i teoriavsnittet om solenergi som behövs för att bestämma solens position relativt en plats på jorden när som helst under ett jordiskt år. Solens position behövs för att beräkna solinstrålningen och dess energiinnehåll till en viss position för en viss tid på jorden.
Det går att mäta solinstrålningen som träffar jorden men enligt Weine Josefsson [36] som är meterolog och klimatolog på SMHI så är det kostsamt att mäta denna med god kvalité. Därför mäts total solinstrålning av SMHI på ett begränsat antal platser i Sverige och ingen av dessa mätstationer är placerad i Karlskrona. SMHI har dock gjort det möjligt att för valfria platser i Sverige få tillgång till beräknade värden för solinstrålningen med hjälp av en egenutvecklad beräkningsmodell som är kopplad till ett system av beräkningsmodeller och indata av olika uppmätta väderfaktorer. Deras kvantitativa data nyttjas i detta arbete som referensvärden för att justera detta arbetets framtagna beräkningsmodell för atmosfärisk absorption och för validering av beräknad energimängd som träffar en yta.
Den ekonomiska delen tar upp kostnader som kan uppstå med solceller ur ett livscykelperspektiv. Med den ekonomiska teorin som tagits fram och med en viss del av teorin över solceller så byggdes en förståelse för vilka kostnader som kan uppstå. En livscykelkostnadsanalys genomfördes enligt teoriavsnittet över ekonomi. Forskningsmetoden fallstudie användes för att ta fram kvalitativ data genom att intervjua driftansvarig personal på tre olika solcellsanläggningar angående kostnadsposter som kan uppstå med solceller.
Detta gjordes för att validera uppgifter om energimängd samt kostnader framtagna i både den tekniska och den ekonomiska delen av arbetet.
