SIMULERINGIPVSYST6.6.8 U U

U ^PPSALA U ^NIVERSITET

C IVILINGENJÖRSPROGRAMMET I ENERGISYSTEM S JÄLVSTÄNDIGT ARBETE , 15 HP

SIMULERING I PVSYST 6.6.8

Författare A. C ARLGREN

A. O LLER

Handledare J. F RANSSON

Företagskontakt M. N ^ILSSON

Rapportkod: ES3-2018-03-22

24 mars 2019

Innehåll

1 Målbeskrivning 1

2 Inledning 1

2.1 Jämförande analys . . . . 2

2.2 Val av program . . . . 3

3 Metod 3 3.1 Specifikationer . . . . 3

4 Resultat och diskussion 4 4.1 Väder- och platsdata . . . . 4

4.2 Albedo . . . . 5

4.3 Övriga simuleringsparametrar . . . . 5

4.4 Fristående tak . . . . 6

4.4.1 Shading scene . . . . 7

4.5 Soltech . . . . 7

4.6 Delabglava . . . . 8

4.6.1 Shading scene . . . . 8

4.7 Nordic Solar . . . . 8

4.7.1 Shading scene . . . . 8

4.8 Kraftpojkarna . . . . 8

4.8.1 Shading scene . . . . 8

5 Slutsats 8

A Skuggning 9

B Matlab 10

1 Målbeskrivning

Målet med simuleringarna är dels att bekräfta systemspecifikationens kretsdesign med antal serie- och paralellkopplade solpaneler och dels att undersöka hur närliggande objekt kan påverka elekt- ricitetsproduktionen. Vidare ska modellen vara en tillräckligt god avspegling av det verkliga sy- stemet att den förväntade produktionen kan beräknas.

2 Inledning

När en modell är utvecklad och samtliga systemspecifikationer sammanställts är de lämpligt att

utföra simuleringar på det modellerade systemet. Detta för att kunna förutse hur systemet kom-

mer att bete sig och förutse eventuella problem eller brister. På så vis kan förbättringar göras innan

konstruktionen står färdig, vilket sparar både tids-och ekonomiskt kapital.

För simulering av system med fotoelektriska solceller är det lämpligt att använda simulerings- programmet Photovolatic System (PVsyst). Där finns möjligheten att bygga tredimensionella mo- deller för att simulera skuggning från närliggande objekt och därmed eventuella förluster. Vidare finns i programmets databas en stor mängd väder- och solintrålningsdata vilket möjliggör plats- specifika och mer pricksäkra simuleringar. Det finns också en mängd kommersiella moduler och kraftelektroniska komponenter i databasen vilket gör det lätt att jämföra och modellera olika sy- stem. Finnes inte önskade moduler eller dylikt i databasen kan dessa läggas till och sparas på enhetens lokala databas.

Slutligen finns möjligheten att göra en ekonomisk analys av systemet där faktorer som degra- dering, förluster och investering tas i beaktning. Huruvida detta är relevant i fallet för övningsan- läggningen kan diskuteras.

2.1 Jämförande analys

En jämförelse gjordes av följande program som tillåter modellering och simulering med tunn- filmssolceller:

• Homer Pro

Programmet är egentligen till för mikronätsoptimering med flera olika enerikällor. Det är alltså inte anpassat speciellt för solceller den saknar därför många förlustvariabler kopplade till solcellssystem. Det går inte heller att utföra simulering med skuggobjekt eller genere- ra IV-kurvor. Den har begränsad tillgång till väderdata vilket kan addera osäkerheter till resultatet.

• PV F-Chart

Programmet är framtaget i utbildningssyfte och all data måste läggas in för hand, vilket gör det svårt att jämföra olika modulsystem där endast en parameter ska ändras. Det finns inte heller någon möjlighet att göra skuggsimuleringar. Det är ett enklare program som inte passar bra för simuleringar i verkliga förhållanden.

• pvPlanner

Satellitdata används och automatisk skuggsimulering utförs med hänsyn till terrängen men det går inte att bygga upp ett eget landskap för att utföra simuleringar på närliggande skugg- ningsobjekt. Programvaran är endast tillgänglig online vilket gör att det krävs internetupp- koppling. Egen data som NASA eller Meteonorm går inte att importera vilket för oss var viktigt i och med stor tillgång till egen data på platsen.

• PVsyst

PVsyst är standardprogram för solcellsdesign och simulering med möjlighet att simulera

timvis och generera en så gott som fullständig simuleringsrapport. Det är möjligt att reglera

de flesta faktorer samt att lägga in både egna moduler, invertrar och väderdata. Det går inte

att maximera förnstret vilket kan göra det svårt att få en överblick.

• RETscreen

RETscreen är en excelbaserad tjänst som är helt gratis. Den möjliggör tekninsk och ekono- misk simulering. Det går inte att simulera med skuggobjekt och en fullständig rapport går inte att generera. Det går inte heller att lägga till egna invertrar eller moduler vilket gör att programmet är begränsande för mer avancerade simuleringar.

• System Advisor Model (SAM)

Programmet är utvecklat av amerikanska energidepartementet och NEREL, alltså är många inbyggda ekonomiska modeller anpassade efter den amerikanska marknaden. Det är möjligt att importera skuggdata från PVsyst men inte utföra några skuggsimuleringar i själva pro- grammet. Mycket data måste även föras in manuellt vilket gör att detta inte är ett program för personer som inte har en gedigen bakrund inom solcellsdesign.

• Solar Pro Solar Pro är det enda programmet som erbjuder minutbaserade simuleringsre- sultat. Det går även att se skuggningen i realtid i deras 3DE-vy och skuggsimulringarna är mycket precisa till följd av CAD 3D-miljön där omgivningen kan byggas upp. Det finns mycket inbyggd väderdata men det går även att lägga in egen liksom egna invertrar och moduler.

2.2 Val av program

Det önskades ett flexibelt program med möjlighet att lägga in både egna moduler och invert- rar samt att kunna simulera med närliggande skuggobjekt. Med detta i åtanke tillsammans med möjlighet att konsultera både Dalarnas Högskola och Bjørn Thorud, norsk solcellsforskare och föreläsare i PVsyst, om PVsyst fastslogs PVsyst som mest lämpat för projektet.

(Källa:https://www.linkedin.com/pulse/7-most-popular-solar-pv-design-simulation-software-eslam- allam)

3 Metod

3.1 Specifikationer

Genom att kontakta leverantören av de olika solcellspannorna erhölls de tekniska specifikationer som krävdes för att kunna skapa en egen modul i databasen kopplad till PVsyst [se resultat]. Ett par tekniska parametrar saknade vi uppgifter på då dessa inte var inkluderade i specifikationerna.

I regel gällde detta specifika temperatur-eller degraderingsfaktorer som användes som ett kom- plement till de vanliga parametrarna rörande detta. I dessa fall antogs detdefaultvärde som finns angivet för kisel- respektive tunnfilmsceller.

När det kommer till kullen var det svårt att uppskatta dess omfattning. Här approximerades den- na till en triangelformad cylinder med sidor som beräknades m.h.a. phytagoras sats.

hypotenusa 4.6m, bas4.1m

4 Resultat och diskussion

4.1 Väder- och platsdata

För att kunna utföra pricksäkra simuleringar i utomhusmiljö är det lämpligt första steg att hit- ta väderdata för närområdet. Inbyggt i programvaran finns en stor databas med väderdata från två olika insamlingskällor. Dessutom finns på plats i solparken mätutrustning vilket möjliggör platsspecifik väderdata.

Dessa tre källor bedömndes variera i kvalitét enligt följande:

• Surface Meteorology and Solar Energy programme, NASA-SSE

Den här datan är baserad på satelitdata med kompletterande data från många globala väder- databaser. Där finns möjlighet att hämta månatlig data som baserats på mätpunkter mellan 1983 och 2005. Satelitsystemet täcker jordens hela yta i celler om 1

x 1

. Felet bedöms vara mellan 13-16 %. Trots att denna data bedöms tillförlitlig bedömndes det faktum att datan är 13 år gammal och att det inte finns vinddata att tillgå som faktorer som gör det till inaktuell som underlag till systemsimuleringerna.

• Meteonorm 7.1

Meteonorm tillgodoser den sökande med månatlig väderdata från hela världen. Det finns dessutom syntetisk dag - och timdata att erhålla. Insamligen av mätpunkter sker dels ge- nom över 8000 väderstationer runt om i landet och dels av kompletterande mätdata från extrerna databaser. Det finns dessutom i vissa fall satelitdata att tillgå. Nackdelen med det- ta är att inen hänsyn tas till skuggning från objekt som berg, skog och dylikt. Detta gör att data från sådana områden kan bli mycket bristfälliga. Däremot bedömdes solparken i Glava energy center inte som ett riskområde i sådant fall.

Om data önskas för områden som ligger långt ifrån en väderstation approximeras värden för dessa områden genom att interpolera mellan de tre närmsta stationerna.

Den här källan bedömndes, förutom den platsspecifika mätanordningen i nästa stycke, som den mest tillförlitliga källan till väderdata. Detta eftersom mätdata till och med år 2016 finns att tillgå och att det finns information om platsens vindförhållanden.

• Metrum GLAVA

På Glava energy center, där det simulerade systemet ska anläggas, finns gedigen väderda- ta för flera år tillbaka i tiden. En rad parametrar undersöks och mätningar tas 10 gånger i minuten. Detta innbeär att det finns god tillgång till data och med stor parametervariation.

Den här källan bedöms mycket tillförlitlig då den dels är mycket omfattande och då kapslar in områdets unika variationer och dels för att den i tiden är väl uppdaterad.

Det som kan vara belastande med att ha egen väderdata är att avvikande värden måste sållas

ut genom diverse analysmetoder för att inte genomsnittsdatan ska bli verklighetsfrånvänd.

Detta görs rimligen i M.s Excel, men kan vara tidskrävande. En annan nackdel är det fak- tum att omfattande data kan vara problematisk att hantera i tal om påfrestning på datorer etc, detta bör däremot inte bedömmas som en betydande faktor.

För att kunna använda data från meteonorm behövs dessutom detaljerade platskoordinater för att finns rätt plats för temperatur, strålning och vind. Dessa erhölls från glava energy centers hemsida.

Tabell 1: Koordinater för solcellsparken i glava energy center, i vilken övningsanläggningen kom- mer att anläggas.

Lägeskoordinater

Nordlig 59

31’52.54

Ostlig 12

37’14.78

4.2 Albedo

Vidare finns den systsemövergripande parametern albedo som behöver bestämmas för att strål- ningen som solcellerna exponeras för ska överensstämma med verkligheten. Detta är en konstant för reflektion av omgivande material där full reflektion ger albedokonstant 1 medan full absorp- tion ger konstanten 0. I programmet gavs exempel på vilka underlag som ger vilka albedokon- stanter. Där angavs gräs ha en albedokonstant 0.15-0.2 medan nysnö ger en albedokonstant 0.82.

Anläggningen står på icke anlagd gräsmatta med mycket inslag av grus och sten och bedöms vara delvis snötäckt under åtminstone tre månader om året. Slutliga uppskattningen av parkens albedokonstant blev enligt följande:

Tabell 2: Marken i solcellsparkens uppskattade albedokonstant över året.

Månad jan feb mar apr maj jun jul aug sep okt nov dec Albedo 0.7 0.7 0.15 0.15 0.2 0.2 0.2 0.15 0.15 0.15 0.15 0.7

4.3 Övriga simuleringsparametrar

I det specifika systsemet, alltså platsen i solcellsparken på vilken taket ska anläggas, finns det

objekt i närheten som skulle kunna orsaka skuggning av socellsmodulerna. Detta är exempel på

en faktor som är utmärkt att undersöka i PVsyst, då detta var en av de främsta anledningarna till

att just det simuleringsprogrammet valdes. De närliggande objekten som utgjorde en skuggrisk

bedömndes vara en närliggande kulle och eventuella luftpinnar [läs: åskledare] på taket. Detta

resulterade i följande shading scene:

Figur 1: Shading scene producerad i PVsyst

Slutligen är solcellstakets position viktigt, alltså i vilket väderstreck anläggningen är riktad. I detta specifika fall står panelerna i rakt söderläge och med en lutning på 30

. Även tidszonen vi opererar i behövs definieras . Höjd över havet är också en viktig faktor för att ur väderdatabasen få ut önskad data. Genom att använda tjänsten google earth bestämdes platsen höjd över havet.

Tabell 3: Övriga simuleringsparametrar Parameter Azimuth Plane tilt Altitude [m] Legal time

Value 0

30

37 UT+1

4.4 Fristående tak

Simuleringen för det fristående demotaken skiljer sig något från de övriga då dess enda funktion är att motivera placeringen av marktaket map skuggning på brevidliggande batterihus.

Här jämfördes fyra olika placeringar av marktaket i position till det redan byggda batterihuset

som står i närheten samt en simulering helt utan marktaket. Simuleringen helt utan marktaket an-

vändes i detta fall som ett referensvärde . Vid en jämförelse av den årliga produktionen vid dessa

olika placeringar erhölls följande:

Tabell 4: Årlig produktion

Placering x-led [m] Position y-led [m] Årsproduktion [kWh] Skuggfaktor

Utan eget tak 2700

3.4 1.3 2697

3.4 3.0 2687

1.1 1.3 2688

1.1 3.0 2655

4.4.1 Shading scene

Figur 2: Shading scene producerad i PVsyst

4.5 Soltech

PVsyst är främst anpassat för kiselsolceller och första givna steget blev därmed att införa CdTe- modulerna i databasen. Information erhölls från datablad samt i diskussion med leverantören.

Denna skillnad i tillvägagångssättet jämfört med de övriga delsystemen skapar en osäkerhet i just

detta resultat. Det finns nämligen ett par parametrar vilka krävdes av programmet som saknades,

både hos leverantör och i de tillhandahållna tekniska specifikationerna.

4.6 Delabglava

Systemet som DelabGlava AB leverat består i monokristallina 60-celliga kiselceller som redan finns förprogramerade i PVsyst 6.6.8. Detta gäller även den omriktaren som levererats (Fronius SYMO).

vid simulering med och utan luftpinnar kunde ingen skillnad i systsmets skuggfaktor detekte- ras.

4.6.1 Shading scene 4.7 Nordic Solar

Det här specifika sysdtemet bedömdes som det med högst risk för skuggning. Detta då levereantö- ren uttryck önskemål om att bli placerade på en ände. Detta placerades därmed i änden närmast den ca 2m höga kullen. I skuggbilden nedan visas panelernas placering på utnildningsanlägg- ningen.

4.7.1 Shading scene 4.8 Kraftpojkarna

Det här systemet var det mest komplexa i sammanhanget. Det består av 4 delsystem med mono respektive p9olykristallina celler. Det är det enda systemet som innehåller optimizer, en per panel.

I simuleringarna är just denna typ av system en större utmaning då flera paneltyper med respekti- ve degraderingskoefficient, verkningsgrad, cellantal etc samverkar och det blir så mer komplicerat att tolka det sammansatta resultatet.

4.8.1 Shading scene

5 Slutsats

Summera det som du kommit fram till med en slutsats av detta delmål.

A Skuggning

Figur 3: Luftmedare

Figur 4: utan

B Matlab

Figur 5: Matlab kod för uträkning av placering av de nio ShingEl-modulraderna för Soltech till funktionen Near Shadings".

Referenser

[1] Leslie Lamport, L

TEX: a document preparation system, Addison Wesley, Massachusetts, 2nd edi-

tion, 1994.