Solcellsproduktion i Sverige: En likhetsgranskning mellan producerad och simulerade data samt en analys över hur produktionen varierar i Sverige

(1)

Solcellsproduktion i Sverige

En likhetsgranskning mellan producerad och simulerade data samt en analys över hur produktionen varierar i Sverige

Huseyin Durek

Högskoleingenjör, Elkraftteknik 2020

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

(2)

Solcellsproduktion i Sverige

En likhetsgranskning mellan producerad och simulerade data samt en analys över hur produktionen varierar i Sverige

Huseyin Durek, Luleå tekniska universitet

2 April 2020

(3)

Solcellsproduktion i Sverige

En likhetsgranskning mellan producerad och simulerade data samt en analys över hur produktionen varierar i Sverige

Huseyin Durek, Luleå tekniska universitet

2 April 2020

Arbetet utfördes i elkraftgruppen vid Luleå tekniska universitet i Skellefteå, Mars 2020 Handledare: Anders Larsson

Examinator: Math Bollen

(4)

Förord

Denna rapport har skrivits som en del av examinationen på

Högskoleingenjörsprogrammet i Elkraftteknik som ges via Mittuniversitetet, Umeå Tekniska Universitet och Luleå Tekniska Universitet.

Före arbetet kontaktade jag Anders Larsson vid Luleå Tekniska Universitet (LTU) för att se över möjligheten till ett internt examensarbete på LTU. Anders

presenterade då för mig ett underlag inom området solenergi som verkade mycket intressant. Det var också detta underlag som legat till grunden för detta genomförda examensarbete.

Jag vill därför rikta ett stort tack till min handledare Anders Larsson vid Luleå Tekniska Universitet för sitt engagemang och stöd i detta arbete. Samtidigt så vill jag rikta ett tack till Math Bollen som varit stöttande och engagerad i mitt arbete hela vägen till den slutgiltiga rapporten.

Köping, Huseyin Durek

(5)

Sammanfattning

Analysverktyg för elproduktion är en viktig del inom området elkraft för att kunna analysera kvalitet och mängden producerad energi över tid. En allt viktigare fråga är möjligheten till att kunna förutse och uppskatta

energiproduktion via så kallade simuleringsverktyg för bland annat solcellspaneler. Målet med detta arbete är att jämföra den faktiska

elproduktionen för ett antal anläggningar i Sverige med simulerade modeller och analysera produktionens variation i Sverige. Ett av delmålen var dessutom att beskriva hur lutningen och riktningen av en solcellspanel påverkar

produktionen, resultatet är baserad på en fixad geografisk ort i Sverige (Sundsvall). Under arbetets gång så har en litteraturstudie genomförts och ansvarig personal från anläggningar har intervjuats för att samla in information för arbetet. Datainsamling har gjort från anläggningarnas databaser som skapats från effekt- och energianalysatorer (Elspec) samt från simuleringsverktyg

(Renewenable ninja). Datastoffet har sedan grundläggande bearbetats, analyserats och grafer har autogenererats via script/macro som tagits fram i Microsoft Excel. Resultatet har påvisat att det är möjligt att förutse och uppskatta energiproduktionen mycket bra via simuleringar. Vissa avvikelser mellan den faktiska produktionen och aktuella simuleringar kan till viss del förklaras från begränsningar i simuleringsverktyg. Med fokus på panelens riktning och lutning så påträffas den högsta produktionen över året för en solcellspanel placerad i Sundsvall (Lat: 62,390 & Lon: 17,307) riktad åt söder, med en panel vinkel på omkring 30^𝑜 och under juli månad. Energiproduktionen är som lägst under vinterhalvåret. Energiproduktionen för en solcellspanel i Sverige varierar kraftigt med varierad riktning, vinkel och geografisk placering. Generellt så gäller att den högsta produktioner påträffas för solpaneler monterade i rakt söderläge och där optimal panelvinkel är beroende på geografisk placering från norr till söder.

Solpaneler som är monterade från sydöst till sydväst (medurs) ger den högsta produktionen över året och paneler som monteras från nordväst till nordöst (medurs) ger den lägsta produktionen. Produktionen följer dessutom en viss symmetri baserad på solpanelens riktning.

(6)

Innehållsförteckning

Förord ...i

Sammanfattning... ii

Innehållsförteckning ... iii

Terminologi ... 1

1 Introduktion ... 2

Bakgrund ... 2

Mål och omfattning ... 2

Metod ... 3

Resultat ... 4

2 Teori ... 5

Matematiker formulär ... 5

Solstrålningens olika komponenter ... 5

Solgeometri ... 6

2.3.1 Latitudvinkel ... 7

2.3.2 Deklinationsvinkeln ... 7

2.3.3 Timvinkel... 8

2.3.4 Höjdvinkel och zenitvinkel ... 9

2.3.5 Azimutvinkel ... 9

Analyssystem och simulationsmjukvara ... 10

2.4.1 Renewable Ninja ... 10

2.4.2 Elspec ... 11

3 Resultat ... 12

Jämförelse av uppmätt och simulerade data ... 12

3.1.1 LTU Skellefteå ... 12

3.1.2 Stadshuset i Skellefteå ... 13

3.1.3 Piteå ... 14

Riktningens och lutningens påverkan ... 15

3.2.1 Säsongsvariationer i produktion ... 16

Elproduktionens variation genom Sverige ... 19

4 Diskussion ... 24

5 Slutsats ... 25

6 Referenser ... 27

7 Bilaga ... 28

(7)

Terminologi

Tracking system Ett system vars uppgift är att följa solens position under dagen genom att ändra solpanelens orientering.

Latitud ett annat ord för breddgrader inom geografi.

Longitud ett annat ord för längdgrader inom geografi.

Ekvatorplan det plan genom jordens masscentrum som är ortogonalt mot jordens rotationsaxel.

Global strålning summan av direkt och diffus strålning Direkt strålning den strålning som går direkt från solen till

solcellspanelen

Diffus strålning den strålning som sprids i atmosfären av moln, föroreningar och partiklar innan den når panelen Reflektion strålning som reflekteras från en solcellspanels

omgivning

(8)

1 Introduktion

Bakgrund

Det finns olika sätt att uppskatta hur mycket energi en solkraftanläggning kommer att producera och hur detta varierar under året. En metod för insamling av data för solinstrålning är så kallad simulerad eller uppskattad data. Alltså den faktiska energin som tas in i beräkningarna är uppskattad och inte uppmätt.

Data som är baseras på mätningar via ett så kallat datainsamlingssystem ger den faktiskt verkliga energiproduktionen för aktuell solinstrålning. Dagens simuleringsverktyg tillhandhåller funktioner för att bland annat kunna simulera olika väderförhållanden över olika årstider. Det finns vissa likheter men även många skillnader mellan simulerade och uppmätt data för

elproduktion.

Frågan är egentligen om det går att förlita sig helt och fullt på simulerade data eller om elproduktionen kanske skiljer sig efter en sedan monterad anläggning.

Är det tillräckligt eller möjligt att få fram en karakteristik som avbildar en viss elproduktion över ett viss geografiskt område.

Mål och omfattning

Syftet med aktuellt arbete är att genomföra en noggrannare analys utifrån insamlat och bearbetat material. Det övergripande målet med arbetet är att jämföra uppmätt data med simulerade mätdata för ett par utvalda platser i nora Sverige. Arbetet infattar även att jämföra hur elproduktionen för en anläggning varierar med avseende på solpanelens vinkel och riktning. En annan del har vart att se hur elproduktionen varierar över Sverige samt att förklara eventuella avvikelser från förväntat eller rent utav teoretiskt resultat.

Det finns flera olika faktorer som ligger till grund för hur elproduktionen varierar eller begränsas för en solcellsanläggning oavsett vart den är placerad rent geografiskt.

(9)

En av uppgifterna i arbetet är därför att se över vilka faktorer som kan tänkas påverka aktuell produktion och förstå dess påverkan för en generell

solcellsanläggning.

Aktuellt arbete är baserat på följande frågeställning:

1. att jämföra uppmätt solkraftsproduktion (timme för timme) från ett antal anläggningar med det som beräknas genom modeller från uppmätta väderparametrar.

2. att beskriva hur lutningen av en solpanel och lutningens riktning påverkar elproduktionen

3. att beskriva hur produktionen varierar genom Sverige (från

simuleringar) och skapa en databas av tidsserier av produktionen på olika platser i Sverige.

Metod

En grundläggande litteraturstudie har genomförts inom området solenergi, där även webbaserade källor har studerats. Telefonsamtal har genomförts med ansvariga personer på aktuella solcellsanläggningar för att samla in information om anläggningarnas storlek och kapacitet.

Arbetet har även bestått av att samla in data och sedan analysera data med hjälp av Microsoft Excel från följande två källor:

• Renewenable ninja (uppskattad/simulerade data)

• Elspec (uppmätt data)

Under arbetes gång så har tre stycken anläggningar legat till grund för den jämförelse som vart aktuell med avseende på simulerade och uppmätt data.

Samtliga tre anläggningar är placerade i Norrland:

• LTU i Skellefteå

• Stadshus i Skellefteå

• Piteå

För analys av aktuellt simulerad elproduktion med avseende på en solpanels

(10)

Microsoft Powerpoint har använts för att skapa olika flödesscheman, logiks- scheman samt överskådliga bilder för rapporten. Resultatet presenteras i form av grafer och diagram, därefter analyseras resultatet utifrån frågesättningarna och är besvaras utifrån både individ- och samhällsnivå.

Resultat

Anläggningen vid Luleås tekniska universitet påvisar en god korrelation mellan den faktiskt producerade energin från anläggningen (från mätningen) och simulerade data. Från mars till september så inträffar en mycket stor avvikelse i jämförelse med produktionen för det övriga året. Det skiljer ungefär 100 kWh för den mest produktiva månaden i juli mellan mätning och simulering.

Resultatet för stadshuset i Skellefteå samt anläggningen i Piteå uppvisar en mycket hög korrelation mellan mätningar och simuleringar.

Generellt gäller för samtliga mätningar att den högsta energiproduktionen inträffar i juli månad oavsett panelvinkel och riktning för en fixad geografisk placering av en anläggning. Den hösta elproduktionen sett över året sker för panelvinklar under 55° vid en panelriktning mot söder. För panelvinklar över 55° sker en övergång där produktionen för öster och sydöst dominerar. En bra produktion ges även generellt för paneler monterade mot sydväst och sydöst.

Paneler monterade i österläge ger överlag en bättre produktion än paneler monterade med riktning mot väster. Den lägsta produktionen inträffar för solcellspaneler monterade mot norr sätt över året eller för paneler riktade mot nordöst eller nordväst.

Resultatet påvisar att även den geografiska placeringen har stor inverkan på produktionen. Paneler monterade med en riktning mot norr, nordväst och nordöst påvisar en karakteristik med en relativt hög produktion redan från 0°

för att sedan avta linjärt ner mot 50-55°, därefter är produktion relativt

konstant. Paneler monterade rakt mot väst eller öst tenderar att starta med en relativt hög produktion redan från 0° för att sedan avta ungefär linjärt ner till 90°. Paneler som däremot är monterade mot söder, sydöst eller sydväst har mer en parabel-karaktäristik med en maxproduktion för en viss panelvinkel, r beroende på den geografiska placeringen från norr till söder. En generell slutsats som är möjlig att dra från aktuellt resultat är att ju längre söderut geografiskt en anläggning är placerad desto lägre är den optimala panelvinkeln och tvärt om, längre norrut ger en högre optimal panelvinkel.

(11)

2 Teori

Matematiker formulär

Följande underkapitel innehåller de matematiska formler som används för olika typer av beräknar i rapporten.

Beräkning av den så kallade deklinationsvinkeln, där 𝒏är aktuell dag på året och där δ är deklinationsvinkeln. [1]

𝜹 = 𝟐𝟑, 𝟒𝟓 𝐬𝐢𝐧 ( 𝟑𝟔𝟎

𝟑𝟔𝟓× (𝒏 + 𝟐𝟖𝟒) ) (𝟏)

Beräkning av soltiden, där T är den lokala tiden och där 𝝎 anger den aktuella soltiden. [2]

𝝎 = 𝟏𝟓 × (𝑻 − 𝟏𝟐) (𝟐)

Beräkning av zenitvinkel 𝜽𝒛, där Ɣ𝐬 är den så kallade solhöjdsvinkeln och där ɸ är latitudvinkel. [1]

{Ɣ_𝐬= 𝑺𝒊𝒏^−𝟏(𝐜𝐨𝐬(𝛅) × 𝐜𝐨𝐬(ɸ) × 𝐜𝐨𝐬(𝛚) + 𝐬𝐢 𝐧(𝛅) × 𝐬𝐢 𝐧(ɸ))

𝜽_𝒛= 𝟗𝟎 − Ɣ_𝐬 (𝟑) Beräkning av azimutvinkel 𝜳 . [1]

𝐜𝐨 𝐬(𝜳) = 𝐬𝐢𝐧(Ɣ𝐬) × 𝐬𝐢𝐧(ɸ) − 𝐬𝐢 𝐧(𝛅)

𝐜𝐨𝐬(Ɣ𝐬) × 𝐜𝐨 𝐬(ɸ) (𝟒)

Solstrålningens olika komponenter

Följande kapitalförklaring kort de olika komponenterna i solens strålning som når en generell markyta och solpanelsyta. [1]

Solen är en perfekt strålningsutsändare vid en temperatur nära 5800 K. Den resulterande effekten på ett enhetsområde vinkelrätt mot strålen utanför jordens

(12)

atmosfär är omkring 1367 W/𝑚². När solinstrålningen passerar genom jordens atmosfär, modifieras den genom interaktion och påverkan av yttre faktorer. [1]

Vissa av dessa komponenter, såsom moln reflekterar viss del av strålningen medan andra har en helt annan påverkan. Partiklar som finns i atmosfären, så som exempelvis ozon, syre, koldioxid och vattenånga, har signifikant förmåga att absorbera vis del av strålningen från solen. Vattendroppar och hängande damm orsakar oregelbunden spridning av solinstrålningen. [1]

Resultatet av alla dessa processer resulterar i en form av nedbrytningen eller uppdelning av den solstrålning som når jorden. Direkt solinstrålning består av ljusstrålar som inte reflekteras, absorberas eller sprids utan når ytan i en rak linje från solen. En annan typ av strålning som uppkommer är diffus strålning, det är en strålning som uppstår från kollision med partiklar samt även

absorption i atmosfären och är ett fenomen som bland annat uppstår en molnig dag. Den har till skillnad från direkt strålning en oregelbunden riktning med kraftig spridnings och fördröjningseffekt.

En annan typ av solinstrålning är den så kallade reflekterande solinstrålning och är den strålning som reflekteras mot mark eller andra föremål.

Den totala strålningen som faller på en yta är summan av alla dessa komponenter ovan, dvs direkt, diffus och reflekterad solinstrålning och benämns global strålning.

Den globala strålningens olika komponenter är komplex att beskriva.

Exempelvis den diffusa strålningens riktningsegenskaperna beror i för den stor utsträckning på både läget samt sammansättningen av partiklar och molekyler för att bara nämna några faktorer. Vinkelfördelningen av den diffusa

strålningen är därför komplex och varierar med tiden. Mängden reflekterad solinstrålning påverkas starkt av markens natur, och en mängd funktioner så som snö, vegetation, vatten etc.

Solgeometri

Jorden roterar kontinuerligt runt sin egen axel i en elliptisk banan rund solen.

Solstrålarna som träffar jordyta bildar olika infallsvinklar beroende på dag, årstid och geografisk placering. Följande underkapitel förklarar olika begrepp

(13)

inom solgeometri eftersom det har en inverkan på den momentana effekten och aktuell energiproduktion över året.[1]

2.3.1 Latitudvinkel

Den linje som förenar varje individuell punkt på jorden till jordens centrum bildar en vinkel med ekvatorplanet. Denna vinkel kallas för latitudvinkel (ɸ) och skapar en parallell tvärsnittsyta genom jorden. Latitudvinkeln indelas i två olika riktningstyper, nordriktning och sydriktning. Nordriktning identifieras med ett positivt vinkelutslag mellan 0 – 90° vilket illustreras i Figur 3-1. Medans sydriktning istället bildar ett negativt vinkelutslag mellan -90 - 0°.[1]

Figur 2-1. Ovanstående figur visar ett exempel på tre olika latitudvinklar med nordlig karaktär.

2.3.2 Deklinationsvinkeln

Den vinkel som uppstår mellan en individuell solstråle och jordens ekvatorplan kallas deklinationsvinkeln. Det är alltså solens infallsvinkel mot jordytan vilket också ändras kontinuerligt under året mellan -23,45° till 23,45°. [1]

(14)

Figur 2-2. I följande figur illustreras hur det parallella solljus som når jordytan har samma deklinationsvinkel vid samma tidpunkt och alltså är oberoende av geografisk placering.

2.3.3 Timvinkel

Detta är den vinkel som bildas mellan den lokala meridianen eller aktuellt referensplan och solpanel. Solpanel är det vertikala plan eller yta som är parallellt med solinstrålningen vilket illustreras i Figur 3-3. Timvinkeln delas in i fasta vinkelutslag om 15° per timme, eftersom jordytan kan anses vara en cirkel indelad i 360° samt baserat på ett dygn på 24 timmar.[2]

Figur 2-3. Följande figur visar en översiktbild över timvinkeln som fastställs utifrån vinkelutslags mellan den lokala meridianen och det faktiska sol planet.

(15)

2.3.4 Höjdvinkel och zenitvinkel

Solhöjdsvinkel (Ɣs) är den vinkel som bildas mellan direktstrålningen från solens mot en viss given punkt på marken och aktuellt markplan.

Solhöjningsvinkeln har sitt högsta värde vid middagstid under hela året och sitt lägsta värde, noll grader vid solnedgång. Medans zenitvinkel (𝜃_𝑧) är den vinkel som bildas med direktstrålningen från solen mot en viss given punkt och markplanets ortogonal. Solhöjdsvinkeln och zenitvinkeln illustreras i Figur 3-4 och visar relation mellan de båda vinklarna.

Figur 2-4. Ovanstående figur visar solhöjdsvinkeln och zenitvinkelns betydelse och hur dom beror av varandra rent geometriskt.

Solljusets intensitetfaktor beroende ökningen i luft och vinkeln mellan infallande solljus.

Dessa två faktorer gör att energin som stiger upp på panelen medan minskar relativt snabbt under timmarna före 10 och efter 14:00.[2]

2.3.5 Azimutvinkel

Azimutvinkeln (Ψ) bestäms utifrån solens position med referens emot

söderläge. Azimutvinkeln definieras som den vinkelavvikelse som uppstår när solen avviker från aktuellt zenitläge, det vill säga när solen står i zenit rakt mot söder. Nedan i Figur 3-5 illustreras två olika azimutvinklar vid olika klockslag där den ena vinkel är öst orienterad (förmiddag) och den andra väst

(eftermiddag).

(16)

Figur 2-5. Ovanstående bild illustrerar två olika azimutvinklar vid två olika klockslag.

Analyssystem och simulationsmjukvara

Följande kapital presenterar allmänt information om simulationsverktyg som heter Renewable Ninja och analysverktyget Elspec som ger uppmätt data.

2.4.1 Renewable Ninja

Renewable Ninja är en mjukvara för att kunna simulera en global elproduktion för vind- och solkraft. Detta verktyg ger energidata av vetenskaplig kvalitet som resultat och där viktiga väderparametrar tas in via analysmodeller och satelitobservationer [3]. Datakällor som systemet använder är:

• Nasa Merra reanalyse [4]

• CM- Safs Sarah-dataset [5]

Renewable ninja beräknar den direkta strålningen samt den diffusa strålningen och tar hänsyn till aktuell omgivning temperatur. Systemet tar även in i beräkningarna övergripande verkningsgrad för hela PV-systemets ingående komponenter [6].

(17)

Figur 2-6 Visar en grafisk översiktsbild över Renewable ninja (Merra2) som aktuell simulationsmjukvara för modellering av en solcellspanel.

2.4.2 Elspec

Elspec är en effekt eller energianalysator vars syfte är att analysera samt

monitorera elproduktionen för en viss given anläggning inom elkraftssektorn.

Detta verktyg beräknar och skapar energidata av vetenskaplig kvalitet och ger bland annat ett RMS-värde över aktuell elproduktion samt analyserar

producerad effekt i form av aktiveffekt och reaktiveleffekt.

Energianalysatorn utför kontinuerlig registrering av uppmätdata med en viss given samplingsfrekvens på upp till 1024 sampel per mätperiod. Samplade data beräknas och omräknade enligt förinställd parameter.

Elspec är baserad på fyra huvuddelar:

• PQSCADA Management Studio - Användargränssnittet som används för att konfigurera samt kontrollera status för komponenterna [7].

• PQSCADA Server - En Windows baserad tjänst som kontinuerligt loggar data mot en given databas [7].

• SQL Storge - En SQL databas för datalagring som används av server för att lagra data [7].

•

(18)

Figur 2-7 En grafisk översiktsbild över Elspec som används för att analysera och utvärdera energi- och effektproduktion inom vind- och solkraftsektorn.

3 Resultat

Följande kapitel presenterar aktuellt resultat med avseende på rapportens problemformulering. Resultatet är indelat i tre olika avsnitt.

Jämförelse av uppmätt och simulerade data

Följande underkapitel tillhandahåller det resultat som legat till grund för jämförelsen mellan mätning av elproduktionen och resultat från

simuleringsmodeller för tre olika platser i Sverige.

3.1.1 LTU Skellefteå

I följande avsnitt presenteras resultat från den jämförelse som genomförts mellan produktionen och simuleringar för solcellsanläggningen vid Luleå tekniska universitet i Skellefteå.

(19)

Tabell 3-1. Följande tabell specificerar aktuella simulationsparametrar i Renewable ninja för en fast panelvinkel på 45° och en fast panelriktning på 180° vid LTU i Skellefteå.

Webbapplikationen (Renewable Ninja) Skellefteå (LTU) Lat: 64,745 och Lon: 20,957

Produktionsår 2014

Systemförlust 10 %

Kapacitet 2 kW

Montagesätt Fast monterade paneler

Panelvinkeln 45°

Panelriktning 180°

Figur 3-1. Följande graf visar hur elproduktionen varierar över ett år för simulerade mätdata (år: 2014) genom Renewable ninja i jämförelse med uppmätt data från Elspec med en fast panelvinkel på 45° och en fast panelriktning på 180° vid Skellefteå i LTU.

3.1.2 Stadshuset i Skellefteå

Kommande avsnitt presenterar det resultat som tagits fram från den jämförelse som genomförts mellan den produktionen och simulering för stadshuset i

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec

Totalenergi [Kwh/År]

Månader LTU i Skellefteå

Renewable ninja Elspec

(20)

Tabell 3-2. Följande tabell specificerar aktuella simulationsparametrar i Renewable ninja för en fast panelvinkel på 45° och en fast panelriktning på 180° vid Stadshuset i Skellefteå

Webbapplikationen (Renewable Ninja) Skellefteå (Stadshus) Lat: 64.795 och Lon: 20,957

Montagesätt Fast monterade paneler

Panelvinkeln 45°

Panelriktning 180°

Figur 3-2. Följande graf visar hur elproduktionen varierar över ett år för simulerade mätdata (år: 2014) genom Renewable ninja i jämförelse med uppmätt data från Elspec med en fast panelvinkel på 45° och en fast panelriktning på 180° vid stadshuset i LTU.

3.1.3 Piteå

I följande delkapitel så presenteras resultat från den jämförelse som genomförts mellan produktionen och simuleringen för Luleå tekniska universitet i Skellefteå.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Totalenergi [Kwh /År]

Månader

Stadshuset i Skellefteå

(21)

Tabell 3-3. Följande tabell specificerar aktuella simulationsparametrar i Renewable ninja i Piteå. Denna installation använder sig av ett så kallat tracking system för optimerad produktion.

Webbapplikationen (Renewable Ninja) Piteå

Lat: 65,663 och Lon: 22,936

Montagesätt Tracking system

Figur 3-3. Följande graf visar hur elproduktionen varierar över ett år för simulerade mätdata (år: 2014) genom Renewable ninja i jämförelse med uppmätt data från Elspec med ett så kallat ”tracking system” i Piteå.

Riktningens och lutningens påverkan

Nästa underkapitel tillhandahåller det resultat som avser elproduktionens påverkan med avseende på en solpanels riktning och lutning. Resultatet från undersökningen är uppdelat på de två delar, produktionen vid ett visst år och ackumulera direktstrålningsdata över helt dygn på hela året.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Totalenergi [Kwh/År]

Månader Piteå

(22)

3.2.1 Säsongsvariationer i produktion

Resultatet som presenteras nedan är baserat på simulationer och visar hur elproduktionen varierar under ett år med anseende på varierad panelvinkel och panelriktning. Simuleringarna är baserad på mätdata från Sundsvall för åtta olika panelriktningar samt för nitton olika panelvinklar avseende på enbart direkt strålning.

Tabell 3-4. Följande tabell specificerar aktuella simulationsparametrar i Renewable ninja för sex olika panelvinklar och åtta olika panelriktningar i Sundsvall.

Webbapplikationen (Renewable Ninja) Sundsvall

Lat: 62,390 och Lon: 17,307

Panelvinkeln 0°, 30°, 35°, 40°, 45°, & 90°

Panelriktning 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° & 315°

Figur 3-4. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) för åtta olika panelriktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel noll grader. Simuleringen är genomförd för den 1 januari 2014 tom den 31 december 2014.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Energiproduktion [kWh]

Månader

Panelvinkel [0°]

Norr Nordost Öster Sydeost

Söder Sydväst Väster Nordväst

(23)

Figur 3-5. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik år (2014) för åtta olika panelriktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel trettio grader. Simuleringen är genomförd för den 1 januari 2014 tom den 31 december 2014.

Figur 3-6. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) för åtta olika 0

1020 3040 5060 70 8090 100110 120130 140150

Energiproduktion [kWh]

Månaderl

Panelvinkel [30°]

100 2030 4050 6070 8090 100110 120130 140150

Energiproduktion [kWh]

Månader

Panelvinkel [35°]

(24)

Figur 3-7. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) för åtta olika panelriktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel fyrtio grader. Simuleringen är genomförd för den 1 januari 2014 tom den 31 december 2014

Figur 3-8. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) för åtta olika panelriktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel fyrtiofem grader. Simuleringen är genomförd för den 1 januari 2014 tom den 31 december 2014.

100 20 3040 50 6070 8090 100 110120 130 140150

Energiproduktion [Wh]

Axeltitel

Panelvinkel [40°]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Energiproduktion [Whh]

Månad

Panelvinkel [45°]

(25)

Figur 3-9. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) för åtta olika panelriktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel nittio grader. Simuleringen är genomförd för den 1 januari 2014 tom den 31 december 2014.

Elproduktionens variation genom Sverige

Resultatet som presenteras nedan visar hur elproduktionen varierar för sex olika geografiska platser i Sverige. Resultatet är baserat på simuleringar och visar den ackumulerade elproduktion i energi sätt över ett helt kalenderår.

Tabell 3-5. Följande tabell specificerar aktuella simulationsparametrar i Renewable ninja för nitton olika panelvinklar, åtta olika panelriktningar och för sex olika platser i Sverige.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Energiproduktion [kWh]

Månad

Panelvinkel [90°]

Renewable Ninja Trelleborg Jönköping Falun Sundsvall Luleå Kiruna

Latitud 55,355 57,782 60,602 62,390 65,383 67,855

Systemförluster 10%

Panel vinkel 0° - 90° intervall om 5°

Panel riktning 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° & 315°

(26)

Figur 3-10. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot norr.

Figur 3-11. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot nordöst.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Energi [kWh/År]

Panelvinkel Panelriktning - Norr

Jönköping Falun Sundsvall Luleå Kiruna Trellborg

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Energi [Kw/År]

Panelvinkel Panelriktning - Nordöst

Trellborg Jönköping Falun Sundsvall Luleå Kiruna

(27)

Figur 3-12. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot öst.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel Panelriktning - Öst

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel Panelriktning - Sydöst

(28)

Figur 3-14. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot söder.

Figur 3-15. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot sydväst

500 100150 200250 300350 400450 500550 600650 700750 800850 900

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel Panelriktning - Söder

0 10050 150200 250300 350400 450500 550600 650700 750800

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel

Panelriktning - Sydväst

(29)

Figur 3-16. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot väst.

Figur 3-17. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid ett specifik År (2014) med en varierad panelvinkel för sex olika geografiska platser i Sverige med en fast panelriktning mot nordväst.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel

Panelriktning - Väst

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Panelvinkel

Panelriktning - Nordväst

(30)

4 Diskussion

Karakteristiken av verklig produktion och simulerade mätdata följer varandra bra speciellt för de två första (januari – februari) och sista två (november - december) månaderna på året.

Den störta avvikelsen mellan produktion och simulering uppträder för den installerade anläggning vid LTU i Skellefteå. Där den producerade energin är upp till 32,6 % högre än för det simulerade resultat från mars till oktober enligt Figur 3-1.

Denna avvikelse beror till viss del på aktuell verkningsgrad på installerad kraftelektronik och kringliggande komponenter i anläggningarna. Aktuell installerad inverter vid LTU har en verkningsgrad på omkring 95% medans simuleringarna är baserad på en verkningsgrad runt 90%.

Värt att notera är att Piteås anläggning har en produktion som är i genomsnitt dubbelt så hög som övriga anläggningar vilket beror på att anläggning använder ett Tracking system.

Skillnaden i produktion under året är stor mellan olika panelriktningar och vinklar men en liggande panel producerar lika mycket energi oberoende av panelriktning vilket förmodligen kan ses som självklart.

En avvikelse att notera är produktionen mellan april t.o.m. juni månad där man kan se en avtagande produktion som är baserad på en direkt strålning.

Avvikelsen skulle möjligen kunna förklaras genom att den globala strålningen hålls konstant medan den diffusa strålningen har ökat vilket resulterar i en minskad direkt strålning.

Ytterligare ett resultat värt att notera är för en solpanel monterad med en vinkel på 90° och där produktionen är som högst för en panel riktar rakt åt öster vilket visas i Figur 3–9. Det betyder att ”morgonsol” ger mer energi över året en vid

”kvällssol”.

För elproduktionen sätt över ett år i Sverige så framträder ett par stycken intressanta karaktäristiker med avseende på panelriktningen, vilket uppvisar en form av symmetri mellan olika panelriktningar.

För solcellspaneler som är monterade med en riktning från nordöst till nordväst med en förflyttning medurs så ges en karaktäristik där elproduktionen avtar med

(31)

ökad panelvinkel redan från 0°, denna karaktäristik framträder i Figur 3-10, Figur 3-11 och Figur 3-17.

En annan intressant symmetri för elproduktionen framträder i Figur 3-12 och Figur 3-16. Alltså för paneler monterade rakt åt öst eller väst. Produktionen avtar även här med ökad panelvinkel redan från 0°.

En annan symmetri framkommer för paneler monterade med en riktning från sydväst till sydöst med en förflyttning medurs. Här ökar istället produktionen med ökad panelvinkel upp till och med den maximala produktionspunkten, vilket också är den optimala panelvinkeln. Efter den så kallade maximala produktionspunktens så avtar produktionen igen med viss symmetri. Den maximala produktionspunkten varierar med den geografiska placeringen vilket innebär att optimal panelvinkel är beroende av vart i landet du bor längs longituden, alltså från norr till söder.

5 Slutsats

En av slutsatserna från arbetet gällande jämförelse mellan uppmätt produktion och simuleringar är att karakteristiken stämmer väldigt bra överens med varandra. En sak att vara uppmärksam på är dock begränsningarna vid simulering att ges möjlighet att kunna förutse eventuell fysisk skuggning i form av snö, smuts eller löv. Dessutom så är inställningarna i simuleringsmjukvaran av stor betydelse för resultat.

En annan viktig slutsats är fördelen med att använda ett Tracking system för att spåra solens position och därmed öka den årliga produktionen markant enligt kapitel 4.1. Resultatet har påvisat en nästa dubbelt så hög årlig produktion med Tracking system i jämförelse med fast monterade paneler.

Resultatet visar att för en solpanel monterad på 0° så påverkas inte produktionen med en varierad panelriktning. Den högsta produktion över året uppnås för en solcellspanel riktad rakt åt söder och där aktuell panelvinkel är monterad på 30°.

Produktionens toppvärde framträder för samtliga riktningar och lutningar under juli månad och produktionen är som lägst under vinterhalvåret. Resultatet påvisar även att solpanel monterade mot söder ger generellt den hösta produktionen över året bortsätt från 0° samt 90°. Produktionen för sydväst samt sydöst ger en relativt hög produktion över året medan riktade mot norr, nordost

(32)

samt nordväst ger den lägsta produktionen oberoende av panelvinkel men där 0° är ett undantagsfall.

Elproduktion från en solcellsanläggning i Sverige varierar med avseende på en solpanels riktning, lutning och dess geografiska placering längs longituden från norr till söder. Den högsta elproduktionen ges för solcellspaneler monterade i rakt söderläge med en panelvinkel runt 40° och en geografisk placering i söder (Trelleborg). Generellt så gäller att elproduktionen är som högst för solcellspaneler riktade åt rakt söder och där optimal panelvinkel ligger mellan 35° och 50° vilket beror av den geografiska placeringen. Solcellspaneler som är monterade i sydöstlig eller sydvästlig riktning ger generellt en hög elproduktion över året och precis som för paneler monterade i rakt söderläge så har den geografiska placeringen stor inverkan på produktionen och den optimala panelvinkeln.

Paneler som är monterade rakt åt öst eller väst ger en relativt bra elproduktion över året, dock så avtar produktionen med ökad panelvinkel redan från 0° och den geografiska placeringen av solcellspanelen har även här inverkan på den årliga produktionen.

För solcellspaneler monterade åt nordöst eller nordväst ger en låg elproduktion över ett år. Produktionen avtar här relativt kraftigt med ökad panelvinkel i jämförelse med paneler monterade åt öst eller väst. Men även här så har den geografiska placeringen stor påverkar på elproduktionen över ett år.

Den lägsta elproduktionen gäller generellt för solcellspaneler monterade rakt åt norr med en panelvinkel över 60° och där den geografiska placeringen har mindre påverkan på aktuellt intervall.

(33)

6 Referenser

[1] Luque Antonio, Hegedus Steven (2003) Handbook of photovoltaic science and engineering. 1 uppl. West Sussex England: John Wiley & Sons Ltd – ISBN 0-471-49196-9

[2] Messenger A. Roger, Ventre Jerry (2004) Photovoltaic Systems

Engineering. 2 uppl. New York US: CRC Press LLC – ISBN 0-8493-1793-2 [3] (https://www.renewables.ninja/about) Hämtad:2020-10-09

[4] https://journals.ametsoc.org/doi/10.1175/JCLI-D-11-00015.1 Hämtad: 2020- 05-10

[5] https://wui.cmsaf.eu/safira/action/viewDoiDetails?acronym=SARAH_V001 Hämtad:2021-06-07

[6]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544216311744?via%3 Dihub#bib47 Hämtad:2020-09-24

[7] https://www.sge.com.tr/dosyalar/site_resim/urunler/urundosya/0961089.pdf Hämtad: 2021-02- 17

[8] Mikael Byström 2018 ( Allmänt information om solpaneler ).Jobbar I Luleå tekniska Universitet. mikael.bystrom@ltu.se

[9] Peters Forsberg 2019 (Allmänt information om Stadshus Solpaneler) Jobbar i Skellefteå Kommun. peter.a.forsberg@skelleftea.se

[10] Math Bolen (Allmänt information om Piteå Solpaneler, LTU solpaneler och Stadshus Solpaneler) Jobbar i Luleå tekniska Universitet. math.bollen@ltu.se [11] https://eniig.dk/media/6568/sma-sunny-boy-hf-installationsvejledning.pdf Hämtad: 2021-11- 24

(34)

7 Bilaga

Tabell 8-1. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel fem grader [5°].

Figur8-1. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel fem grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Summan av direktstrålning [KW]

Månader

Panelvinkel [5°]

Norr Nordost Öster Sydeost Söder Sydväst Väster Nordväst

Webbapplikationen (Renewable. Ninja) Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Systemförlust 10%

Spårning Ingen

Kapacitet (KW) 1

Panelvinkeln 5

Panelriktning 0,45,90,135,180,225,270,315

(35)

Tabell 8-2. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014

för Sundsvall och panelvinkel tio grader [10°]

Figur 8-2. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel tio grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Summan av direktstrålning [KW]

Månader

Panelvinkel [10°]

Webbapplikationen (Renewable. Ninja)

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 10 Panelriktning 0,45,90,135,180,225,270,315

(36)

Tabell 8-3. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel femton grader [15°]

Figur 8-3. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel femton grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Summan av direktstrålning [KW]

Månader

Panelvinkel [15°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

(37)

Tabell 8-4. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel tjugo grader [20°]

Figur 8-4. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel tjugo grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Summan av direktstrålning [KW]l

Månader

Panelvinkel [20°]

Norr Nordost Öster

Sydeost Söder Sydväst

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

(38)

Tabell 8-5. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel tjugofem grader [25°]

Figur 8-5. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel tjugofem grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Månader

Panelvinkel [25°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

(39)

Tabell 8-6. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel femtio grader [50°]

Figur 8-6.. Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel femtio grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Summan av direktstrålning [KW]l

Månader

Panelvinkel [50°]

Norr Nordost Öster Sydeost Söder SydVäst Väster Nordväst

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 50

(40)

Tabell 8-7. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel femtiofem grader [55°]

Figur 8-7 Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel femtiofem grader.

Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014 0

20 40 60 80 100 120 140 160

Månader

Panelvinkel [55°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 55

(41)

Tabell 8-8. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel sextio grader [60°]

Figur 8-8 Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel sextio grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014

0 20 40 60 80 100 120 140

Axeltitel

Panelvinkel [60°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 60

(42)

Tabell 8-9. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel sextiofem grader [65°]

Figur 8-9 Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel sextiofem grader. Simuleringen är genomförd den 1 januari 2014, mellan den 31 december 2014

0 20 40 60 80 100 120 140

Månader

Panelvinkel [65°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 65

(43)

Tabell 8-10. Följande tabell visar aktuell solpanels webbapplikationen genom Renewable.ninja år på 2014 för Sundsvall och panelvinkel sjuttio grader [70°]

Figur 8-10 Följande graf visar hur elproduktionen varierar vid en specifik År (2014) med varierad panelvinkel för åtta olika riktningar i Sundsvall och med en fast panelvinkel sjuttio grader. Simuleringen

0 20 40 60 80 100 120 140

Månader

Panelvinkel [70°]

Sundsvall

Lat:62,390 och Lon:17,307

År av Data 2014

Panelvinkeln 70