Masterproef Opbrengst van zonnepanelen i.f.v. technologische en klimatologische parameters Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek Afstudeerrichting Elektrotechniek Academiejaar 2011-2012
David Caes
VOORWOORD De masterproef is het orgelpunt op een studie van vier jaar. Het is een onderwerp dat je zelf kiest om je er een academiejaar lang in te verdiepen. Mijn interesse in hernieuwbare energie deed mij al snel kiezen voor de studie op zonnepanelen. Ik ben er met veel enthousiasme aan begonnen én met veel geëindigd, en dat ligt zeker niet alleen aan mezelf. In dit voorwoord wil ik vooral de mensen bedanken die een bijdrage hebben geleverd aan het resultaat die ik heb kunnen neerzetten. Eerst en vooral dank ik mijn promotoren, dhr. Bart Verhelst en dhr. Jan Desmet, voor de opvolging en het nodige sturen op het gepaste moment. Een idee, een andere invalshoek én de ervaring was voor mij zeer belangrijk. Verder dank ik het volledige team van Lemcko voor de continue hulpbereidheid en de aangename sfeer. Ik dank ook Geert Boeraeve van Belgian Energy Systems voor de praktische informatie van zonnepanelen en het bespreken van resultaten. De bereidheid tot medewerking was groot waardoor vragen snel beantwoord werden. Een speciaal woord van dank gaat naar mijn ouders, die mij gedurende mijn volledige schoolloopbaan altijd hebben gesteund en alles mogelijk maakten. Ik heb in een groot comfort vier jaar kunnen werken en studeren en verder ook altijd kunnen rekenen op iedereen thuis. Tot slot wil ik de mensen bedanken die dit werk hebben gelezen en de nodige terechte verbeteringen voorstelden. Ik hoop dat dit werk een meerwaarde is voor u, de lezer, en dat het u kan boeien van begin tot eind.
David Caes Juni 2012
II
Inhoudsopgave 1
INLEIDING ................................................................................................................................. 11
1.1. Inleiding .................................................................................................................................................. 11 1.2. Inhoud ..................................................................................................................................................... 12 1.3. Doelstellingen ......................................................................................................................................... 12 1.4. Lemcko .................................................................................................................................................... 13
2
PV TECHNOLOGIE ................................................................................................................... 14
2.1. Inleiding .................................................................................................................................................. 14 2.2. Instraling ................................................................................................................................................. 16 2.2.1. Air Mass (AM) .......................................................................................................................................... 16 2.2.2. Directe en diffuse instraling .................................................................................................................... 18 2.2.3. Oriëntatie (Azimut en zonshoogte) ......................................................................................................... 20 2.2.4. Standaard Test Condities en Watt-Piek................................................................................................... 22 2.3. Werking PV module ................................................................................................................................. 23 2.4. Van fotovoltaïsche cel tot array ............................................................................................................... 24 2.4.1. Inleiding ................................................................................................................................................... 24 2.4.2. PV cel ....................................................................................................................................................... 24 2.4.3. PV module ............................................................................................................................................... 30 2.4.4. PV array ................................................................................................................................................... 33 2.5. Verschillende technologieën ................................................................................................................... 35 2.5.1. Inleiding ................................................................................................................................................... 35 2.5.2. Kristallijn silicium ..................................................................................................................................... 36 2.5.3. Dunne film ............................................................................................................................................... 40 2.5.4. Overzicht ................................................................................................................................................. 41 2.5.5. PV in de toekomst en onderzoek ............................................................................................................ 41 2.6. Besluit ..................................................................................................................................................... 45
3
INSTALLATIE HOWEST ......................................................................................................... 46
3.1. Inleiding .................................................................................................................................................. 46 3.2. Algemene informatie ............................................................................................................................... 46 3.3. Technologieën ......................................................................................................................................... 47 3.4. Opstellingen ............................................................................................................................................ 49 III
3.4.1. Open / Gesloten ...................................................................................................................................... 49 3.4.2. Tracker .................................................................................................................................................... 49 3.5. Opbouw zonnepaneel ............................................................................................................................. 51 3.6. Besluit ..................................................................................................................................................... 52
4
DATAVERWERKING ............................................................................................................... 53
4.1. Inleiding .................................................................................................................................................. 53 4.2. Databewerkingen .................................................................................................................................... 54 4.2.1. Beschikbare data ..................................................................................................................................... 54 4.2.2. Data-omzetting naar 1kWp ..................................................................................................................... 54 4.2.3. Naar kWh/kWp........................................................................................................................................ 55 4.3. Jaarverloop data per maand .................................................................................................................... 56 4.3.1. Alle log-gegevens .................................................................................................................................... 56 4.3.2. Opbrengst per opstelling ......................................................................................................................... 57 4.3.3. Opbrengst per technologie ..................................................................................................................... 58 4.3.4. Totale opbrengst per technologie over de volledige periode ................................................................. 59 4.4. Samenvatting klimatologische gegevens (Ukkel) ..................................................................................... 60 4.5. Methode dataverwerking ........................................................................................................................ 62 4.5.1. Inleiding ................................................................................................................................................... 62 4.5.2. Opstellen formule paneeltemperatuur ................................................................................................... 62 4.5.3. Formule paneeltemperatuur................................................................................................................... 71 4.5.4. Formule vermogen .................................................................................................................................. 81 4.6. Sensitiviteitsanalyse ................................................................................................................................ 85 4.6.1. Inleiding ................................................................................................................................................... 85 4.6.2. Impact , en ........................................................................................................................... 86 4.6.3. Impact .................................................................................................................................................. 86 4.6.4. Impact paneeltemperatuur ..................................................................................................................... 87 4.6.5. Formule paneeltemperatuur................................................................................................................... 90 4.6.6. Besluit ...................................................................................................................................................... 90 4.7. Besluit ..................................................................................................................................................... 91
5
RESULTATEN ............................................................................................................................ 92
5.1. Inleiding .................................................................................................................................................. 92 5.2. Instralingsfactor ...................................................................................................................................... 92 5.3. Paneeltemperatuur ................................................................................................................................. 94 5.4. Vermogen ................................................................................................................................................ 95 5.4.1. Zonder windfactor ................................................................................................................................... 95 IV
5.4.2. NOCT ....................................................................................................................................................... 97 5.5. Besluit ..................................................................................................................................................... 99
6
BESLUIT ...................................................................................................................................100
7
VERDER ONDERZOEK ..........................................................................................................101
8
BRONNEN.................................................................................................................................102
9
BIJLAGEN .................................................................................................................................105
9.1. Bijlage 1: Datasheets PV-technologieën ................................................................................................ 105
V
ABSTRACT A solar module is exposed to numerous factors that have an impact on its yield. Some have a direct influence, others an indirect influence. Some have a major impact, others a quite neglectable impact. Besides that the yield is also dependent on both the installed technology and placement conditions. To know the impact of a single parameter, data of a photovoltaic test field with four different technologies is used to set up an equation for the instantaneous yield of a string of solar modules. In this study the yield is predicted as a function of some technological and climatic factors. This study does not calculate the total yield of the PV system. The yield of a solar module depends on numerous factors, both technological and climatically. The technological parameters such as efficiency, area per kilowatt-peak, temperature coefficients on MPP Power, short circuit current and open circuit voltage are typical for each technology. There are numerous climatic parameters that have a direct or indirect influence on the yield of a solar module. The ambient temperature and the irradiation are the most important factors on the module temperature. Next to these important factors wind speed, pollution, degradation, shadow and humidity have a smaller influence on the yield of the panel. For this study, there is data available from a photovoltaic test installation with four different technologies, poly crystalline (Yingli), mono crystalline (Suntech), microamorphous silicon (Sharp) and monomorphic (Sanyo) solar modules. Monomorphic is a compound name for a solar cell who is made of a thin mono crystalline silicon wafer surrounded by ultra-thin amorphous silicon layers (HIT). These technologies are installed in two setups. The first is an open mounting structure to simulate an installation on a flat roof. The second is a closed mounting structure to simulate an installation on a slope roof. Poly crystalline and microamorphous modules are also placed on a double tracking system. So there are ten strings of solar modules of approximately 1 kilowatt-peak. Each string is connected to an identical inverter. This study will use the data to set up an equation that predicts the instantaneous yield as a function of the logged parameters. The calculated yield is the yield on DC – side and does not take into account the efficiency of the inverter. The comparison between the calculated yield and the real data will define the precision of the equation. Based on this equation the impact of each parameter on the yield is determined. The data has been analyzed month by month for a total period of one year, starting from September 2010 up to August 2011. All results are specified by month. For each setup, module temperature, generated DC power, date, time, ambient temperature, wind speed and irradiation (fixed and tracker) are logged approximately every five minutes. The units of the data are Watt, degrees Celsius, Watt per square meter and meter per second. First the climatic parameters are taken into account by setting up an equation that predicts the module temperature as a function of the ambient temperature and irradiation. The impact of each parameter is determined by making a selection of data of each month. Using correlation coefficients and trend line expressions, the impact of a parameter is expressed in one value. The module temperature also can be calculated as a function of the nominal operating cell temperature, which is a technological factor. The accuracy of the two equations is verified with the actual logged values. To predict the instantaneous power of a string from a certain technology, an equation with some technological parameters and the module temperature is used. To verify the precision of the results the actual logged values are set as a function of the actual values. The equations of the trend lines and the correlation coefficients are important to see the correctness of the predicted values. With this formula the instantaneous DC-power of a certain technology can be predicted based on technological and climatic parameters. By doing a sensitivity analysis on the equation, the impact of each factor is known. This allows to determine which parameter has an impact on the yield and is important to optimize to obtain an increased yield.
VI
GEBRUIKTE SYMBOLEN kWp MPP DC AC A V PV AM E STC W NOCT R² a/rico b
= = = = = = = = = = = = = = =
kilo Watt-Piek Maximum Power Point Direct Current, gelijkstroom Alternating Current, wisselstroom Ampère, stroomsterkte Volt, spanning Photo Voltaic, foto voltaïsch Air Mass Instraling Standaard Test Condities Watt Nominal Operating Cell Temperature Correlatiecoëfficiënt Richtingscoëfficiënt Verschuivingsfactor
VII
LIJST MET FIGUREN Figuur 1.1: Doelstellingen...................................................................................................................................... 13 Figuur 2.1: Aandeel zonne energie door de jaren [11] .......................................................................................... 14 Figuur 2.2: Recente resultaten [51] ....................................................................................................................... 15 Figuur 2.3: Afstand die straling aflegt in de atmosfeer [15] ................................................................................. 16 Figuur 2.4: Air Mass [18] ....................................................................................................................................... 17 Figuur 2.5: Instraling per golflengte [16] .............................................................................................................. 17 Figuur 2.6: Directe en diffuse straling [10] ............................................................................................................ 18 Figuur 2.7: Verband breedtegraad - werkelijke zonshoogte ................................................................................. 19 Figuur 2.8: Verandering van de stralingsintensiteit door verandering van de zonshoogte [2] ............................. 20 Figuur 2.9: Zonshoogte in zomer en winter [7] ..................................................................................................... 20 Figuur 2.10: Instralingsdiagram [8] ....................................................................................................................... 21 Figuur 2.11: Azimut en zonshoogte [9] ................................................................................................................. 21 Figuur 2.12: Plaatsing zonnepaneel ...................................................................................................................... 22 Figuur 2.13: Werking zonnecel [31] ...................................................................................................................... 23 Figuur 2.14: Zonnecel tot array [22] ...................................................................................................................... 24 Figuur 2.15: Equivalent schema PV cel [36] .......................................................................................................... 25 Figuur 2.16: I-U karakteristiek PV cel [36] ............................................................................................................. 26 Figuur 2.17: MPP punt [36] ................................................................................................................................... 27 Figuur 2.18: P-U karakteristiek PV cel [32] ............................................................................................................ 27 Figuur 2.19: Temperatuurafhankelijkheid PV cel [37] ........................................................................................... 28 Figuur 2.20: Equivalent schema met weerstanden [37] ........................................................................................ 29 Figuur 2.21: Invloed serieweerstand [37] .............................................................................................................. 30 Figuur 2.22: Invloed shuntweerstand [37] ............................................................................................................ 30 Figuur 2.23: Blocking en Bypass diodes in PV-module [38] ................................................................................... 31 Figuur 2.24: Zonnecellen in serie ........................................................................................................................... 33 Figuur 2.25: Werkingskarakteristiek PV paneel [2] ............................................................................................... 33 Figuur 2.26: PV array [39] ..................................................................................................................................... 34 Figuur 2.27: cel rendementen (labo) in de loop der jaren [24] .............................................................................. 35 Figuur 2.28: Marktaandeel verschillende technologieën [25] ............................................................................... 36 Figuur 2.29: Monokristallijn zonnepaneel [27] ..................................................................................................... 37 Figuur 2.30: Halve monokristallijne cel [34] .......................................................................................................... 37 Figuur 2.31: Van 2 naar 4 busbars [34] ................................................................................................................. 38 Figuur 2.32: Nieuwe dwarsverbinders [34] ........................................................................................................... 38 Figuur 2.33: Polykristallijn zonnepaneel [29] ........................................................................................................ 39 Figuur 2.34: Overzicht PV-technologieën [35] ....................................................................................................... 41 Figuur 2.35: Toekomst zonne energie [33] ............................................................................................................ 43 Figuur 2.36: Principe solar concentrator [45] ........................................................................................................ 43 Figuur 2.37: Solar concentrator [47] ..................................................................................................................... 44 Figuur 2.38: Luminescerende plaat [46] ................................................................................................................ 44 Figuur 2.39: Principe intermediate band zonnecel [46] ........................................................................................ 45 Figuur 2.40: Principe multi-junction zonnecellen [46] ........................................................................................... 45 Figuur 3.1: Installatie ............................................................................................................................................ 47 Figuur 3.2: Monokristallijn .................................................................................................................................... 48 Figuur 3.3: Polykristallijn ....................................................................................................................................... 48 VIII
Figuur 3.4: Monomorf ........................................................................................................................................... 48 Figuur 3.5: Micromorf ........................................................................................................................................... 48 Figuur 3.6: Gesloten opstelling .............................................................................................................................. 49 Figuur 3.7: Open opstelling ................................................................................................................................... 49 Figuur 3.8: 2 assen = 2 sensoren ........................................................................................................................... 49 Figuur 3.9: 1 sensor = driehoekige vorm ............................................................................................................... 49 Figuur 3.10: Opstelling zonnecellen sensor ........................................................................................................... 50 Figuur 3.11: Evenwicht positie .............................................................................................................................. 50 Figuur 3.12: Onevenwicht ..................................................................................................................................... 50 Figuur 3.13: Tracker .............................................................................................................................................. 50 Figuur 3.14: Opbouw zonnepaneel ....................................................................................................................... 51 Figuur 3.15: Invloed glasplaat [49] ....................................................................................................................... 51 Figuur 3.16: Grenshoek [50] .................................................................................................................................. 51 Figuur 3.17: Verbetering transmissie met anti reflectie glas [51] ......................................................................... 52 Figuur 4.1: Voorbeeld loggegevens ....................................................................................................................... 55 Figuur 4.2: Jaarverloop Polykristallijn Open .......................................................................................................... 56 Figuur 4.3: Jaarverloop Polykristallijn Gesloten .................................................................................................... 57 Figuur 4.4: Jaarverloop opstellingen polykristallijn ............................................................................................... 58 Figuur 4.5: Jaarverloop opbrengst - open opstelling - alle technologieën ............................................................ 59 Figuur 4.6: 3 september 2010 [41] ........................................................................................................................ 63 Figuur 4.7: Paneeltemperatuur i.f.v. omgevingstemperatuur .............................................................................. 64 Figuur 4.8: Paneeltemperatuur i.f.v. omgevingstemperatuur – methode ............................................................ 65 Figuur 4.9: Gevoeligheid spectrum ........................................................................................................................ 66 Figuur 4.10: Paneeltemperatuur i.f.v. instraling ................................................................................................... 67 Figuur 4.11: Omgevingstemperatuur i.f.v. instraling ............................................................................................ 68 Figuur 4.12: Impact instraling - intervallen Tomgeving .............................................................................................. 68 Figuur 4.13: Paneeltemperatuur i.f.v. windsnelheid ............................................................................................. 69 Figuur 4.14: Paneeltemperatuur i.f.v. windsnelheid [43] ...................................................................................... 70 Figuur 4.15: Actuele Tpaneel i.f.v. voorspelde Tpaneel - Zonder wind ......................................................................... 72 Figuur 4.16: Actuele Tpaneel i.f.v. voorspelde Tpaneel - Met wind .............................................................................. 73 Figuur 4.17: Actuele Tpaneel i.f.v. voorspelde Tpaneel – NOCT ................................................................................... 73 Figuur 4.18: Actueel P i.f.v. voorspeld P - Zonder windfactor ............................................................................... 82 Figuur 4.19: Actueel P i.f.v. voorspeld P – NOCT ................................................................................................... 83 Figuur 4.20: Impact , en op P ............................................................................................................. 86 Figuur 4.21: Impact E op P .................................................................................................................................... 87 Figuur 4.22: Impact , Tpan op P .......................................................................................................................... 88 Figuur 4.23: Impact , en op P ................................................................................................................ 89 Figuur 4.24: Impact x, y, Tomg en E op Tpaneel .......................................................................................................... 90 Figuur 4.25: Impact alle factoren .......................................................................................................................... 91 Figuur 5.1: Impact instraling - open opstelling...................................................................................................... 93 Figuur 5.2: Impact instraling - gesloten opstelling ................................................................................................ 94 Figuur 5.3: Impact instraling - verschil NOCT ........................................................................................................ 98
IX
LIJST MET TABELLEN Tabel 2-1: Richtwaarden instraling [2] .................................................................................................................. 19 Tabel 2-2: Kristallijn silicium [33] .......................................................................................................................... 42 Tabel 2-3: Dunne films [33] ................................................................................................................................... 42 Tabel 2-4: Overige technologieën [33] .................................................................................................................. 42 Tabel 3-1: Belangrijkste technische gegevens per paneel ..................................................................................... 48 Tabel 4-1: Naamgeving van de verschillende technologieën ................................................................................ 53 Tabel 4-2: Oorspronkelijk beschikbare data .......................................................................................................... 54 Tabel 4-3: Data omzetting naar 1kWp .................................................................................................................. 55 Tabel 4-4: Maandopbrengst per technologie per opstelling ................................................................................. 59 Tabel 4-5: Impact omgevingstemperatuur............................................................................................................ 65 Tabel 4-6: Impact instraling .................................................................................................................................. 66 Tabel 4-7: Gegevens trendlijnen - zonder windfactor ........................................................................................... 75 Tabel 4-8: Gegevens trendlijnen - met windfactor ................................................................................................ 75 Tabel 4-9: Gegevens trendlijnen - NOCT ............................................................................................................... 75 Tabel 4-10: Gegevens trendlijnen - Zonder windfactor – vaste b .......................................................................... 76 Tabel 4-11: Gegevens trendlijnen - zonder windfactor (zonder dec en jan) .......................................................... 77 Tabel 4-12: Gegevens trendlijnen - NOCT ............................................................................................................. 77 Tabel 4-13: Samenvatting correlatiecoëfficiënten ................................................................................................ 78 Tabel 4-14: Factor instraling met intervallen Tomgeving ........................................................................................... 78 Tabel 4-15: R²-waarden factor instraling met intervallen Tomgeving........................................................................ 79 Tabel 4-16: Gegevens met instralingsfactor uit intervallen Tomgeving ..................................................................... 79 Tabel 4-17: Verbeterde resultaten (intervallen Tomgeving) ....................................................................................... 80 Tabel 4-18: Technologische gegevens polykristallijn open .................................................................................... 82 Tabel 4-19: Resultaten formule vermogen - zonder windfactor ........................................................................... 83 Tabel 4-20: Resultaten formule vermogen - NOCT................................................................................................ 84 Tabel 4-21: Resultaten correlatie formule vermogen ........................................................................................... 84 Tabel 4-22: Constante waarden parameters ........................................................................................................ 85 Tabel 5-1: Instralingsfactoren ............................................................................................................................... 92 Tabel 5-2: Beoordeling KMI zonneschijnduur ........................................................................................................ 93 Tabel 5-3: Richtingscoëfficiënten formule paneeltemperatuur............................................................................. 94 Tabel 5-4: Correlatiecoëfficiënten formule paneeltemperatuur ........................................................................... 95 Tabel 5-5: Richtingscoëfficiënten formule vermogen zonder wind factor ............................................................. 96 Tabel 5-6: Correlatiecoëfficiënten formule vermogen zonder wind factor ........................................................... 96 Tabel 5-7: Procentuele fouten ............................................................................................................................... 96 Tabel 5-8: Richtingscoëfficiënten formule vermogen NOCT .................................................................................. 97 Tabel 5-9: Correlatiecoëfficiënten formule vermogen NOCT ................................................................................ 97 Tabel 5-10: Procentuele fouten ............................................................................................................................. 98 Tabel 5-11: Instralingfactoren bij NOCT ................................................................................................................ 98
X
1
Inleiding
1.1. Inleiding De uitputting van de fossiele brandstoffen en de melding dat verschillende landen de uitstap uit kernenergie overwegen doet de wereld zoeken naar nieuwe energiebronnen. Tegenwoordig zijn fossiele brandstoffen en nucleaire energie nog onmisbaar in de samenleving. De wereldbevolking blijft echter stijgen en het energieverbruik per hoofd neemt nog steeds toe. In de toekomst zullen de voorraden uitgeput raken, terwijl de vraag naar energie exponentieel blijft stijgen. Milieuvervuiling is een wereldwijd probleem. De opwekking en het verbruik van energie heeft daar een grote invloed op. De nucleaire afvalstoffen zorgen voor een enorme belasting voor het milieu. De afbraak van deze stoffen wordt steeds moeilijker door de steeds strengere milieunormen. De verbranding van fossiele brandstoffen zorgt voor een uitstoot van allerhande schadelijke gassen met tal van nadelige gevolgen zoals luchtvervuiling, zure regen en het gekende broeikaseffect.[6] Ook rampen zijn jammer genoeg met deze productiemethodes niet uit te sluiten: Tsjernobil en Fukushima zijn twee voorbeelden die de wereld niet zal vergeten. In de toekomst zullen er oplossingen moeten komen voor deze wereldwijde problematiek. Rationeel energiegebruik en hernieuwbare energiebronnen zullen hier ongetwijfeld een zeer belangrijke rol in spelen. Hernieuwbare energiebronnen zijn milieuvriendelijk en duurzaam, ze zijn onuitputtelijk en hebben een zeer kleine uitstoot aan schadelijke stoffen. Zonne energie is tegenwoordig niet meer uit het straatbeeld weg te denken. Overal zijn er zonnepanelen en zonnecollectoren te zien. Zonnecollectoren zorgen voor de opwarming van een stromend medium, meestal water. Fotovoltaïsche panelen zorgen voor de productie van elektriciteit door het omzetten van de zonne energie in elektrische energie. Terwijl de subsidies voor het plaatsen van zonnepanelen al een stuk gedaald zijn worden ze nog steeds in grote aantallen geplaatst. Er zijn verschillende technologieën op de markt, maar er is ook keuze tussen verschillende opstellingen. Ze worden op platte daken geplaatst, ingebouwd in V-daken, geplaatst op V-daken, op enkele en dubbele tracking systemen… Een tracker opstelling brengt normaal meer op dan eender welke opstelling, want de instraling is hier steeds loodrecht. Maar geldt dit voor alle technologieën? Zonnepanelen die in het dak worden ingebouwd warmen rapper op, ze kunnen hun warmte moeilijker kwijt. Maar wat is het effect op het opgewekt vermogen? En wat is het verschil met vaste opstellingen die niet ingebouwd zijn? De ene technologie is minder temperatuur gevoelig dan de andere, de ene gevoeliger aan directe of diffuse instraling, maar wat zijn de verschillen tussen de verschillende technologieën? Naast technologische factoren zijn er ook veel klimatologische factoren die een invloed hebben op de opbrengst. De omgevingstemperatuur zorgt ook voor opwarming van het zonnepaneel terwijl wind de temperatuur weer doet dalen. Instraling is de belangrijkste factor voor de opbrengst van zonnepanelen, maar hoe hoger de instraling, hoe hoger de temperatuur van het zonnepaneel. Naast deze zijn er nog factoren die een impact hebben, zoals luchtvochtigheid, degradatie, schaduw, regen en vervuiling van het paneel. Het effect van een aantal van deze parameters wordt in dit werk onderzocht.
11
1.2. Inhoud In dit werk wordt eerst in de literatuur algemene informatie opgezocht omtrent zonnepanelen. In hoofdstuk 2 komen verschillende onderwerpen aan bod die impact hebben op de opbrengst. Dit zijn factoren die een rechtstreekse of onrechtstreekse invloed hebben. Er wordt slechts kort uitgelegd hoe een zonnecel werkt op atomair niveau, aangezien dit niet essentieel is. Daarna wordt de opbouw en werking van een zonnepaneel uitgelegd, beginnend bij één zonnecel tot een array van zonnepanelen. Tot slot worden in het hoofdstuk verschillende technologieën van zonnecellen aangehaald die vandaag de dag gebruikt worden. Er is ook kort wat aandacht voor wat de toekomst zal brengen inzake fotovoltaïsche energie. In hoofdstuk 3 wordt de installatie van HOWEST besproken, dit is de installatie waarvan de gelogde data gebruikt wordt voor deze studie. De opbouw van een zonnepaneel wordt op het einde van dat hoofdstuk kort besproken omdat dit belangrijk is voor het vervolg van het werk. Hoofdstuk 4 beschrijft het volledige proces van dataverwerking. De gegevens moeten namelijk eerst enkele bewerkingen ondergaan vooraleer ze klaar zijn voor verwerking. De verwerking zelf wordt voor één technologie in één opstelling voor één maand algemeen besproken. De methode wordt met grafieken en tabellen helemaal opgebouwd en uitgelegd. In hoofdstuk 5 worden alle resultaten samengevat en besproken. Hieruit worden conclusies getrokken en vervolgens worden deze geëvalueerd. Tot slot wordt in hoofdstuk 0het gehele werk besloten en wordt in hoofdstuk 7 meegedeeld wat er verder in de toekomst kan gebeuren op basis van de resultaten uit dit eindwerk.
1.3. Doelstellingen Er zijn heel wat verschillende technologieën op de markt die gebruikt worden voor energieopwekking met zonne energie. In het eerste gedeelte van de masterproef is het de bedoeling een grondige literatuurstudie te doen over fotovoltaïsche energie opwekking. Er is al een hele tijd onderzoek naar verbetering van bestaande technologieën, maar ook naar nieuwe technologieën. De evolutie van zonnepanelen staat niet stil. In deze studie moeten zoveel mogelijk bestaande technologieën aangehaald worden, maar ook de toekomst moet aan bod komen. Het chemische aspect van zonne energie wordt kort algemeen vernoemd. Hoe het foton ervoor zorgt dat er uiteindelijk stroom vloeit is niet zo belangrijk, evenals het fabricageproces van zonnecellen wordt in dit werk achterwege gelaten. Op het dak van HOWEST (Graaf Karel de Goedelaan) zijn vier technologieën in drie opstellingen geplaatst. De vier technologieën zijn monokristallijn, polykristallijn, micromorf en monomorf. Deze zijn geïnstalleerd met een identiek vermogen in open en gesloten opstelling. Er liggen nog twee technologieën op een tracker (zonnevolger), namelijk polykristallijn en micromorf. Er wordt gewerkt met data die gelogd werd van 01/09/2010 tot 31/08/2011, waar per dag ongeveer iedere vijf minuten de opbrengst geregistreerd werd. De enorme hoeveelheid data zal per maand samen genomen worden om te verwerken.
12
Figuur 1.1: Doelstellingen
Met deze data kunnen de opbrengsten geëvalueerd worden in functie van technologie, opstelling, omgevingstemperatuur, temperatuur van het paneel, zon en wind. Elk van deze parameters zal een bepaalde invloed hebben op het paneel. Met de conclusies die hieruit getrokken worden, zullen er correlaties worden gezocht tussen de verschillende parameters. Op deze manier worden eventuele relaties tussen deze parameters zichtbaar. Dit samen met de opbrengststudie zorgt ervoor dat de belangrijkste factoren in een zonne-installatie in kaart worden gebracht.
1.4. Lemcko Deze masterproef is tot stand gekomen in samenwerking met Lemcko. Lemcko is het expertisecentrum voor elektrotechniek van HOWEST, de hogeschool West-Vlaanderen. Lemcko is gespecialiseerd in dienstverlening in het brede domein van de elektrotechniek, meer bepaald:
Power Quality; Elektrische aandrijvingen; Energie-efficiënte systemen; Duurzame energiebronnen.
De dienstverlening uit zich in consultancy, onderzoek en opleiding en richt zich zowel tot bedrijven, openbare instellingen als particulieren. [12]
13
2
PV Technologie
2.1. Inleiding Zonnecellen zetten de geabsorbeerde straling om in elektriciteit. Deze elektriciteit, opgewekt door een aaneenschakeling van zonnecellen in een zonnepaneel, kan nuttig gebruikt worden. Dit kan onafhankelijk van het openbare elektriciteitsnet of door de geproduceerde energie te leveren aan het net. Er wordt gesproken van autonome en netgekoppelde systemen. Bij netgekoppelde systemen wordt de opgewekte DC spanning door een omvormer of inverter omgezet naar een AC spanning. Wanneer het verbruik lager is dan de productie kan de elektriciteitsmeter achteruit draaien. Bij autonome systemen kan de energie gebruikt worden voor het laden van accu’s. Deze accu’s moeten een voldoende grote capaciteit hebben om momenten zonder veel productie te kunnen overbruggen. [10] Figuur 2.1 toont een voorspelling van het vermogen aan zonne energie per regio tot in het jaar 2014. Europa heeft volgens deze gegevens van EPIA (European Photovoltaic Industry Association) een groot aandeel in de fotovoltaïsche energie. Wereldwijd is er een duidelijke toename.
Figuur 2.1: Aandeel zonne energie door de jaren [11]
Figuur 2.2 toont een grafiek uit de laatste resultaten van EPIA die het geïnstalleerd vermogen PV in Europa weergeven. Op de grafiek wordt een onderscheid gemaakt tussen een matige en een beleidsgestuurde schatting. De toekomst van PV installaties zal sterk afhangen van politieke beslissingen omtrent subsidies. In België besliste de regering in mei 2012 om de subsidies te verminderen, wat eerder een omgekeerd effect zal hebben dan wat op de grafiek wordt weergegeven, althans voor België.
14
Figuur 2.2: Recente resultaten [51]
Zonne energie zal in de toekomst een zeer belangrijke duurzame energietechniek zijn. In dit hoofdstuk worden de belangrijkste onderwerpen besproken over de technologische zijde van zonne energie, namelijk instraling, de werking van een zonnepaneel en factoren die een impact hebben op de opbrengst. De belangrijkste technologieën van vandaag worden besproken en tot slot wordt kort geschetst wat de toekomst brengt inzake PV technologie.
15
2.2. Instraling 2.2.1. Air Mass (AM) Air Mass is een maat voor de afstand die het licht aflegt door de atmosfeer. Afhankelijk van de stand van de zon zal het licht een kortere of langere afstand moeten afleggen om het aardoppervlak te bereiken. In de atmosfeer ondergaat het licht verstrooiing en absorptie, waardoor de stralen meer gedempt worden wanneer een langere afstand door de atmosfeer wordt afgelegd. De zon laat constant een enorme hoeveelheid energie los in de ruimte. De aarde ontvangt maar een heel klein deel van deze energie. Gemiddeld gaat dit ongeveer over 1360 W/m² aan de uiterste rand van de atmosfeer rond de aarde. De atmosfeer reflecteert en absorbeert een deel van deze straling, vooral X-stralen en ultraviolette stralen. Maar de hoeveelheid energie dat het aardoppervlak bereikt is nog steeds groter dan de totale energie dat de wereldbevolking gebruikt in een jaar. Hoeveel energie de straling nu verliest door de atmosfeer te doorkruisen hangt af van de dikte van de atmosfeer. De stralingsenergie die de zeespiegel bereikt wanneer de zon in het zenit staat is 1000 W/m², dit is AM1 of AM1.0, zie Figuur 2.4. Wanneer de zon lager aan de hemel staat, moet de straling een langere weg afleggen, waardoor er meer energieverlies is. Dit is te zien in Figuur 2.3, de afstand y is duidelijk groter dan x. Volgens de definitie van cosinus geldt: (2.1)
In deze formule is ‘x’ de Air Mass wanneer de zon in het zenit staat. Zoals werd vernoemd is Air Mass de afstand die het licht aflegt door de atmosfeer. De afstand x kan dan gelijk gesteld worden aan 1 (AM1). ( )
(2.2)
Hoe groter de hoek Θ, hoe groter de Air Mass. Indien de waarden van de hoeken van Figuur 2.4 in deze formule worden ingevuld worden de AM-waarden bekomen. Let erop dat Θ de hoek is ten opzichte van het zenit!
Figuur 2.3: Afstand die straling aflegt in de atmosfeer [15]
16
Op Figuur 2.4 is ook nog AM0 te zien. Dit is het spectrum buiten de atmosfeer, de zonnestraling in de ruimte. Deze waarde wordt gebruikt om de prestaties van zonnepanelen in de ruimte te voorspellen.
Figuur 2.4: Air Mass [18]
De zon staat echter maar een korte tijd in het zenit, waardoor de straling op de aarde voor het grootste deel van de tijd minder is dan 1000 W/m² en waardoor de Air Mass meestal groter is dan 1. Het standaard spectrum van zonlicht dat neerkomt op de aarde is AM1.5 G:
G staat voor het Engelse ‘Global’ en omvat zowel directe als diffuse straling, zie 2.2.2. 1.5 is de factor dat de afstand door de atmosfeer groter is dan die wanneer de zon in het zenit staat (AM1).
Daarnaast bestaat er ook nog AM1.5 D, waarbij de ‘D’ staat voor Direct, wat een belangrijke maatstaf is bij de ‘solar concentrator’ (zie 2.5.5.2. ). De stralingsenergie bedraagt in dit geval ongeveer 900 W/m². Het verschil tussen AM0, AM1.5 G en AM1.5 D is duidelijk te zien in Figuur 2.5. De intensiteit van AM0 ligt uiteraard het hoogst, deze wordt niet gedempt door de atmosfeer, het verschil tussen AM1.5 G en AM1.5 D zit in het aandeel diffuse straling. De golflengten waarvan de instraling nul is, zijn golflengten die geabsorbeerd worden in de atmosfeer. [17],[19]
Figuur 2.5: Instraling per golflengte [16]
17
2.2.2. Directe en diffuse instraling Op Figuur 2.6 is duidelijk te zien dat er twee soorten straling kunnen invallen op een oppervlak, bijvoorbeeld een zonnepaneel. Directe straling is de inkomende straling die het oppervlak rechtstreeks bereikt. Diffuse straling is de straling die het oppervlak bereikt na verstrooiing en reflectie in de atmosfeer. Schaduw ontstaat dus wanneer directe zonnestralen geblokkeerd worden. Wanneer de zonnepanelen zo gericht staan, dat de zonnestralen onder een hoek van 90° kunnen invallen is er maximaal benutting van de directe instraling. Diffuse straling daarentegen is meer gelijkmatig verdeeld over de atmosfeer, zo is er voor diffuse straling maximale instraling wanneer het paneel horizontaal wordt gelegd. Hoe steiler de zonnepanelen worden gekanteld, hoe minder ze gericht zijn naar de hemel dus hoe meer diffuse straling ze mislopen. De mislopen diffuse straling door het kantelen van de panelen richting de zon wordt echter ruim gecompenseerd door de extra directe straling die er zo op te vangen is. [13] De energie overgedragen door directe straling wordt uitgedrukt in de hoeveelheid energie per tijdseenheid in een oppervlakte ( ) loodrecht op de invalsrichting van de zonnestralen. De overgedragen energie door diffuse straling wordt ook uitgedrukt in de hoeveelheid energie per tijdseenheid
in een horizontaal
oppervlak ( ). Met kennis van de optimale invalshoek is de waarde van de directe instraling om te zetten naar instraling in het horizontale vlak. Zo kan de directe energie vergeleken worden met de diffuse energie. [14]
Figuur 2.6: Directe en diffuse straling [10]
De totale stralingsintensiteit die uiteindelijk op een horizontaal paneel wordt opgevangen is de som van de directe (
) en de diffuse straling (
). De som (2.3) van deze twee is de totale globale straling
( ): (2.3)
In Tabel 2-1 zijn richtwaarden opgegeven van de instraling op de breedtegraad Nederland-België. De waarden maken duidelijk dat het weer een grote invloed heeft op de straling die uiteindelijk op de aarde terecht komt. Merk op dat het gaat om de stralingsintensiteit op een plat vlak in de normaalrichting van de straling.
18
Tabel 2-1: Richtwaarden instraling [2]
Stralingsintensiteit [ ⁄ 1000 850 20 300
Weerstomstandigheden Zonnige dag (juli) Zonnige dag (december) Zwaar bewolkt Lichte bewolking
]
Indien er wordt uitgegaan van een heldere hemel zijn de afgelegde weg en de toestand van de atmosfeer van belang. De daling van de stralingsintensiteit van een zonnestraal is evenredig met de grootte van stralingsaanbod en de afgelegde afstand, zie vergelijking (2.4). is de instraling die loodrecht op een plat vlak invalt (Normaal): (
Met
)
(2.4)
de invloed van de waterdamp en aërosolen in de vrije wolkeloze atmosfeer (Rcda: Rayleigh factor clear dry air); de Linke troebelheidsfactor, ook wel Trübungsfaktor genoemd, is een maat voor het waterdampgehalte van de wolkeloze atmosfeer; de Air Mass – factor als maat voor de weglengte van het zonlicht door de atmosfeer; De werkelijke zonshoogte ten opzichte van de horizon [°] op een bepaalde dag en een bepaald tijdstip volgens de werkelijke zonnetijd.
Op Figuur 2.7 is visueel het verband weergegeven tussen de factor Θ (zie Figuur 2.3) en de factor . Θ is een waarde voor de breedtegraad waar de straling invalt en is een waarde voor de werkelijke zonshoogte ten opzichte van de horizon.
Figuur 2.7: Verband breedtegraad - werkelijke zonshoogte
De zonnestand verandert constant, daardoor verandert ook voortdurend de stralingskarakteristiek van het zonlicht, zie Figuur 2.8. Het stralingsmaximum verschuift naar rechts wanneer de zonshoogte afneemt alsook de energieverdeling van de straling. In de winter is de zonshoogte heel wat lager dan in de zomer, zie Figuur 2.9. Dezelfde lichtbundel bestraalt in de winter een veel groter oppervlak, waardoor de stralingsintensiteit voor een bepaald plat oppervlak daalt. Diffuse straling is heel weinig afhankelijk van de stand van de zon en de oriëntatie van het oppervlak. [2]
19
Figuur 2.8: Verandering van de stralingsintensiteit door verandering van de zonshoogte [2]
Figuur 2.9: Zonshoogte in zomer en winter [7]
2.2.3. Oriëntatie (Azimut en zonshoogte ) De optimale oriëntatie van een paneel is afhankelijk van waar het systeem wordt geplaatst. Een zonneinstallatie die aan de evenaar wordt geplaatst, zal vlakker mogen worden geplaatst dan in België. Om de opbrengst van een paneel bij een bepaalde positionering te kunnen bepalen, worden instralingsdiagrammen opgesteld. In Figuur 2.10 is het instralingsdiagram te zien die de optimale helling weergeeft voor een zonneinstallatie te Ukkel. Hierop kan worden afgelezen wat de instraling is ten aanzien van de maximale instraling in de regio. Zo zal een paneel dat horizontaal wordt geplaatst ongeveer 85% van de maximale instraling ontvangen. Hieruit kan besloten worden dat een paneel dat zuid gericht is best geplaatst wordt onder een hoek van ongeveer 37° om een maximale instraling te ontvangen. Is deze helling tussen 15° en 60°, dan blijft de instraling boven 95%. De maximale instraling is gestandaardiseerd op 1000 W/m². Het klimaat speelt echter een belangrijke rol in de opbrengst. Standaardcondities (zie 2.2.4. ) worden zelden bekomen. Een zonnepaneel heeft een bepaalde oriëntatie gekenmerkt door de zonshoogte en de azimut van de normale op het paneel (Figuur 2.11). Een zonnepaneel met vaste oriëntatie vangt voortdurend andere energiedichtheden op daar de zon dagelijks en jaarlijks van positie verandert. De oriëntatie van een paneel is gelukkig niet kritisch zoals kan afgeleid worden uit het stralingsdiagram. [5]
20
Figuur 2.10: Instralingsdiagram [8]
Op Figuur 2.11 worden de factoren zonshoogte en azimut ruimtelijk voorgesteld. De doorsnijding van deze bol met het horizontale vlak wordt de horizon genoemd. Het snijpunt van de verticaal door punt P met de bol heet het zenit. De doorsnijding van de bol evenwijdig met de verticale wordt verticaalcirkel genoemd. De positie van punt S wordt vastgelegd door middel van booglengten langs de horizon en de bij S behorende verticaalcirkel. Deze booglengten worden respectievelijk ‘azimut’ en ‘zonshoogte’ genoemd. Het azimut wordt gemeten vanuit het zuidpunt in oostelijke richting en wordt uitgedrukt in de daarmee corresponderende middelpuntshoek . De hoogte wordt gemeten vanaf de horizon en eveneens in de daarbij horende middelpuntshoek uitgedrukt. De positie van de zon, en daarmee azimut en hoogte, verandert in de tijd. [9]
Figuur 2.11: Azimut en zonshoogte [9]
21
Merk op dat op Figuur 2.11 overeen komt met een formule voor de Air Mass. [3]
op Figuur 2.7. In vergelijking (2.5) is deze factor gebruikt in
(2.5)
Op Figuur 2.12 staan alle belangrijke parameters bij het plaatsen van een zonnepaneel op één figuur. In België is de azimut hoek ideaal gelijk aan 0° en de hellingshoek aan 37°.
Figuur 2.12: Plaatsing zonnepaneel
2.2.4. Standaard Test Condities en Watt-Piek Het nominale output vermogen van een zonnepaneel wordt uitgedrukt in Watt-Piek of Wp. Dit uitgaand vermogen is echter enkel bij Standaard Test Condities (STC):
Loodrechte inval van de zonnestralen in het zonnepaneel; Een zonne instraling van 1000 W/m²; Bij gestandaardiseerd zonlicht, lichtspectrum AM = 1,5; Een celtemperatuur van 25°C.
Het woord ‘Piek’ in Watt-Piek kan misleidend zijn: bij lagere celtemperaturen of hoger instralingsvermogen kan het uitgaand vermogen van de cel hoger liggen dan dat gemeten onder Standaard Test Condities of nominaal vermogen. Een zonnepaneel van bijvoorbeeld 50Wp levert enkel onder de vernoemde standaard testcondities een vermogen van 50W. [20]
22
2.3. Werking PV module De afkorting PV komt van het Engelse Photo Voltaic of in het Nederlands Foto Voltaïsch. De werking van een zonnepaneel begint bij de zonnecel of fotovoltaïsche cel. Een zonnecel is opgebouwd uit een halfgeleidermateriaal, meestal silicium. Dit materiaal is enkel goed geleidend wanneer het belicht wordt. Op Figuur 2.13 is te zien dat de cel bestaat uit twee lagen, de zogenaamde P- en N-laag, waarover een elektrisch veld staat. Wanneer de cel belicht wordt en fotonen met voldoende energie in de structuur binnendringen, worden elektronen losgeslagen waardoor een gelijkstroom ontstaat tussen de twee lagen. Door het elektrisch veld zullen de elektronen steeds dezelfde weg kiezen.
Figuur 2.13: Werking zonnecel [31]
Als halfgeleidermateriaal wordt meest silicium gebruikt. Deze halfgeleider heeft namelijk een bandgap die overwonnen wordt door een veel voorkomende golflengte. Deze bandgap is de ‘verboden zone’ tussen de valentieband van het elektron en de geleidingsband. Wanneer een foton dus genoeg energie bezit kan het een elektron los slaan van zijn atoom en komt dat in de geleidingsband terecht, waardoor een gelijkstroom van elektronen ontstaat. Bij standaard omstandigheden wekt een silicium zonnecel met een grootte van 10x10cm een gelijkstroom met een waarde van ongeveer 3 Ampère en 0,5 Volt gelijkspanning op. Dit zou een vermogen opleveren van 1,5 Watt. Maar spanning en stroom zijn echter nooit op hetzelfde moment maximaal, waardoor onder standaard omstandigheden 1,3 Watt bereikt wordt. De stroomsterkte van een cel hangt af van de sterkte van de zon. [21],[10]
23
2.4. Van fotovoltaïsche cel tot array 2.4.1. Inleiding Zonnepanelen of modules bestaan in verschillende uitvoeringen (zie 2.5. ). Figuur 2.14 toont dat een array bestaat uit meerdere zonnepanelen en dat een zonnepaneel (Module) bestaat uit meerdere zonnecellen (Cell) . Naargelang de gewenste uitgangsspanning van een paneel worden zonnecellen in serie geplaatst zodanig dat de gewenste spanning bereikt wordt. Cellen die parallel geschakeld zijn staan voor een bepaalde uitgangsstroom. Een string zijn zonnepanelen die in serie zijn geschakeld. Er wordt gesproken van een array indien meerdere strings parallel worden geschakeld. Een array bestaat met andere woorden uit panelen die in serie, parallel of serieparallel geschakeld worden, naargelang de elektrische behoeften van de omvormer.
Figuur 2.14: Zonnecel tot array [22]
Fotovoltaïsche systemen zijn ontworpen rond de fotovoltaïsche cel. Een typische cel produceert minder dan 3W aan ongeveer 0,5V DC. Cellen moeten daarom in serie, parallel of serie-parallel geconfigureerd worden om genoeg energie te kunnen produceren voor toepassingen die veel vermogen vragen. PV-systemen produceren enkel energie wanneer ze verlicht worden. Deze energie kan opgeslagen worden in batterijen om later opnieuw te gebruiken, bij situaties zonder licht bijvoorbeeld. Wanneer de energie gebruikt wordt voor het voeden van AC verbruikers, is er nood aan een inverter. De PV-installatie kan ook aan het elektriciteitsnet gekoppeld worden. Deze systemen leveren energie aan het net of gebruiken het net als back-up wanneer er geen zonlicht, dus geen energieproductie is.
2.4.2. PV cel De PV cel is een speciaal ontworpen PN-junctie. Wanneer de cel belicht wordt, ontstaan elektron-gat paren bij de interactie van de invallende fotonen met de atomen van de cel. Het elektrische veld gecreëerd door de cel junctie doet de elektron-gat paren splitsen. De elektronen driften in het N-gebied van de cel en de gaten driften in het P-gebied. Zo ontstaat een gelijkstroom. Een zonnecel is in essentie een diode met een groot oppervlak, zo kan een cel elektrisch vereenvoudigd worden tot een stroombron en een diode zoals in Figuur 2.15. De serie- en parallelweerstanden van de cel worden hier verwaarloosd. Met andere woorden de serieweerstand wordt verondersteld oneindig klein te zijn en de parallelweerstand oneindig groot. Voor verdere uitdieping omtrent de weerstanden wordt verwezen naar 2.4.2.1.
24
Figuur 2.15: Equivalent schema PV cel [36]
is de stroom die wordt opgewekt door de inval van het licht. Deze stroom is dus recht evenredig met de totale instraling in de cel. Aangezien de stroom wordt gedefinieerd als de stroom van positieve gaten staat deze naar boven gericht. De elektronen bewegen zich namelijk richting de N-laag en de gaten richting de Plaag. Omdat de zonnecel één grote PN-junctie is, loopt er ook een diodestroom , die te schrijven is als in vergelijking (2.6). ( Met
(2.6)
)
sper- of saturatiestroom [A] diodestroom [A]
Elektrisch is een zonnecel een parallelschakeling van een stroombron en een diode, dus is
in een
ideale situatie te schrijven als vergelijking (2.7). ( Met
stroom door de cellen vanwege de fotonen [A] Lading van een elektron ( Constante van Boltzman ( Celtemperatuur [K] Spanning [V]
De factor
(2.7)
)
wordt ook wel de thermische spanning
) )
genoemd, deze is enkel afhankelijk van de temperatuur
aangezien en constanten zijn. Bij een temperatuur van 298.15K (25°C) is de thermische spanning . Merk op dat de grootte van stroom en spanning afhankelijk zijn van de instraling in de cel. Dit toont ook Figuur 2.16, een I-U karakteristiek van een typische PV cel. De I-U karakteristiek van actuele fotovoltaïsche cellen verschillen van de ideale zonnecel. Vergelijking (2.7) is echter een middel om de limieten van de prestatie van een zonnecel te berekenen. Deze limieten zijn ook af te leiden uit Figuur 2.16. Deze toont dat een PV cel zowel een gelimiteerde stroom als spanning heeft. Vandaar dat de cel niet beschadigd wordt bij werking onder open circuit (stroom nul) of kortgesloten condities (spanning nul). Om de kortsluitstroom ( ) van een zonnecel te bepalen wordt de spanning (V) in de exponent (2.7) gelijkgesteld aan nul, zodat . Naar een zeer goede benadering is de stroom recht evenredig met de instraling van de cel. Indien de stroom gekend is onder standaard test condities (zie 2.2.4. ), dan is de stroom door de cel bij een andere instraling gegeven door formule (2.8).
25
( ) Met
(
)
(
)
(2.8)
Ogenblikkelijke instraling [W/m²] Instraling onder STC [1000 W/m²] Stroom vanwege de fotonen [A]
Figuur 2.16: I-U karakteristiek PV cel [36]
Om de open kring spanning ( ) van de cel te bepalen, wordt de stroom door de cel nul gemaakt in de ideale vergelijking (2.7) en opgelost naar , waardoor de vergelijking kan worden herschreven naar (2.9). (2.9)
De formule is te vereenvoudigen omdat in normale omstandigheden de stroom veroorzaakt door de fotonen veel groter is dan de inverse saturatiestroom . Merk op dat de open kring spanning enkel logaritmisch afhankelijk is van de instraling van de cel, terwijl de kortsluitstroom recht evenredig is met de instraling. Vermenigvuldigen van de stroom door de cel met de spanning over de cel geeft het vermogen van een zonnecel. Met de bedoeling zoveel mogelijk energie te bekomen uit de cel, is het gewenst om de cel te laten werken om maximaal vermogen te produceren. Op Figuur 2.17 is te zien dat er één punt op de I-U karakteristiek is waar de cel maximum vermogen produceert, namelijk het Maximum Power Point of MPP. Dit is het punt dat op dezelfde spanning ligt als de top van de P-U karakteristiek, waar het vermogen werd uitgezet ten opzichte van de spanning. Om zoveel mogelijk energie te produceren is het gewenst om zoveel mogelijk op dit punt te werken.
26
Figuur 2.17: MPP punt [36]
Figuur 2.18: P-U karakteristiek PV cel [32]
In vergelijking (2.10) staat de formule voor het maximale vermogen of het MPP. Het maximale vermogen is gelijk aan het product van spanning en stroom op dit punt, maar dit kan herschreven worden naar het product van de kortsluitstroom, de open kring spanning en de vulfactor. Deze is een maat voor de kwaliteit van de cel. Cellen met een hoge interne weerstand zullen een kleinere vulfactor hebben, terwijl de ideale cel een vulfactor heeft gelijk aan 1. Merk op dat een vulfactor = 1 zorgt voor een rechthoekige I-U karakteristiek. Dit betekent dat de zonnecel werkt als een ideale spannings- of stroombron. In de realiteit is dit zeker niet zo, het MPP ligt op de afronding van de karakteristiek, zie Figuur 2.17. De zonnecel benadert wel deze ideale voedingsbronnen in bepaalde delen van de I-U karakteristiek. (2.10) Met
Stroom door de cel bij MPP [A] Spanning over de cel bij MPP [V] Vulfactor Kortsluitstroom (Short Circuit) [A] Open kring spanning (Open Circuit) [V]
Realistische vulfactoren, afhangend van de technologie, variëren van 0.5 tot 0.82. De vulfactor maximaliseren kan door het maximaliseren van de verhouding van de fotonenstroom tot de inverse saturatiestroom terwijl de serie weerstand minimaal wordt gehouden en de parallelle weerstand in de cel zo groot mogelijk te houden. (Figuur 2.20)
27
2.4.2.1. Temperatuur De I-U karakteristiek van de PV cel is temperatuurgevoelig. Indien de omgevormde formule naar de open kring spanning (2.9) wordt bekeken, is duidelijk dat de spanning recht evenredig is met de absolute temperatuur van de cel. Indien de formule wordt omgevormd naar de inverse saturatiestroom, wordt duidelijk dat deze ook sterk van de temperatuur afhangt (2.11). Aangezien de stroom ten gevolge van de fotonen in normale omstandigheden veel groter is dan deze saturatiestroom zal de impact van de temperatuur op de totale stroom kleiner zijn dan op de spanning. (2.11)
Bij toenemende temperatuur neemt de geleidbaarheid van de halfgeleiders toe waardoor het elektrische evenwicht in de cel verbetert en de opbrengst vermindert. Het elektrisch veld aan de grenslaag valt weg waardoor de spanning tussen de twee lagen daalt. [5] Het netto resultaat is dat de open kring spanning van een silicium PV cel met 2.3mV/°C zakt bij stijgen van de temperatuur, wat neerkomt op ongeveer 0.5%/°C indien er van uitgegaan wordt dat over de zonnecel een spanning van ongeveer 0.5V staat. De kortsluitstroom daarentegen blijft ongeveer gelijk, met als eindresultaat dat het vermogen zakt met 0.5%/°C. Op Figuur 2.19 is de temperatuurafhankelijkheid van de spanning duidelijk te zien.
Figuur 2.19: Temperatuurafhankelijkheid PV cel [37]
Het is belangrijk om aan te geven dat wanneer een cel belicht wordt, ze (tegenwoordig) maximaal 20% van de instraling omzet in elektriciteit. De rest van de energie wordt omgezet in warmte, wat resulteert in opwarming van de cel. Hieruit is te besluiten dat de cel werkt boven de omgevingstemperatuur. Wanneer de cel deel uitmaakt van een concentrating system (zie 2.5.5.2. ), dan zal ze nog meer opwarmen, wat resulteert in extra daling van het omzettingsrendement. In dergelijke systemen zal dus extra koeling noodzakelijk zijn. De fotonenstroom, ontwikkeld in een PV cel, is afhankelijk van de intensiteit van het licht op de cel. Maar de stroom is ook sterk afhankelijk van de golflengte van het invallend licht. Het zonlicht benadert het spectrum van een zwarte straler van 5800K. PV cellen zijn gemaakt van materialen waarvoor de conversie van dit lichtspectrum naar elektriciteit zo efficiënt mogelijk is. Afhankelijk van de technologie moeten sommige cellen dikker uitgevoerd worden dan andere om absorptie te maximaliseren. Cellen zijn dikwijls bedekt met een antireflectie laag om reflectie van zonlicht te minimaliseren. [2]
28
2.4.2.2. Weerstandsverliezen Indien het equivalent schema hernomen wordt, maar nu mét serie- en parallelweerstand ziet het er uit als in Figuur 2.20. De ideale vergelijking van de zonnecel wijzigt hiermee ook. Vergelijking (2.7) kan dan herschreven worden als (2.13) om de invloed van de weerstanden in rekening te brengen.
Figuur 2.20: Equivalent schema met weerstanden [37]
Merk op dat in Figuur 2.20
wordt afgebeeld door
. In de formules wordt verder gewerkt met
zoals
eerder werd gebruikt. (2.12) (
Met
(
)
)
(2.13)
Serieweerstand [Ω] Shuntweerstand of parallelle weerstand [Ω] Diode factor, typisch tussen 1 en 5 (1 voor ideale diode) Stroom vanwege de fotonen [A] Diodestroom [A] Lading van een elektron ( Constante van Boltzman ( Celtemperatuur [K] Spanning [V]
) )
Figuur 2.21 en Figuur 2.22 geven grafisch het effect weer van de weerstanden. Hieruit wordt duidelijk dat hoe kleiner de serieweerstand en hoe groter de parallelle weerstand hoe meer de curve deze benadert van de ideale zonnecel. [2]
29
Figuur 2.21: Invloed serieweerstand [37]
Figuur 2.22: Invloed shuntweerstand [37]
De serieweerstand van een zonnecel is een voorstelling van alle interne verliezen waardoor energie gedissipeerd wordt in de cel. Deze weerstand vervangt alle in de cel verdeelde weerstandselementen in de halfgeleider en de ohmse contacten. De waarde van de weerstand varieert met bijna iedere parameter, zoals de I-U karakteristieken, het verlichtingsniveau, de temperatuur,… Kleine variaties van deze weerstand kunnen een grondige impact hebben op het rendement van de cel. Variaties worden meestal veroorzaakt door het productieproces, maar kunnen ook veroorzaakt worden door blootstelling aan het milieu, zoals temperatuur, vochtigheid, straling van zware deeltjes,… Een deel van de elektrische energie geproduceerd in de cel gaat verloren door interne lekken. Verscheidene ‘lekpaden’ zijn al gekend, ze ontstaan door de PN-junctie (recombinatie stroom), langs de buitenste randen van de cel en door microscopische krassen in het oppervlak. Deze lekpaden zijn niet uniform verdeeld over het celoppervlak, noch uniform in de ene cel ten opzichte van de andere. Algemeen zijn ze niet-lineair, onstabiel en niet reproduceerbaar tijdens testen. Deze paden zijn gecombineerd in de shuntweerstand of de parallelle weerstand. De shuntweerstand wordt tijdens het productieproces niet gecontroleerd. De effecten van deze weerstand zijn meestal te verwaarlozen, maar worden belangrijker wanneer het instralingsniveau daalt. [4]
2.4.3. PV module Om een voldoende hoge uitgangsspanning te verkrijgen, worden PV cellen in serie geplaatst om een paneel te vormen. Het doel is om een bepaald aantal cellen in serie te verbinden om (2.10) binnen een comfortabel bereik te houden onder een gemiddelde instraling. Indien dit gerealiseerd kan worden, kan het vermogen dicht bij het maximum gehouden worden. Wanneer een module in een systeem geconnecteerd wordt, is het belangrijk te weten wat er gebeurt als het paneel niet belicht wordt. Dit kan ’s nachts gebeuren, maar ook tijdens de dag wanneer een cel of een deel van een cel in de schaduw staat. In nachtelijke omstandigheden, wanneer geen enkele cel enige aanvaardbare stroom produceert, is het noodzakelijk het paneel als een serieschakeling van voorwaarts gepolariseerde diodes te zien. Ze worden in doorlaatrichting gepolariseerd door de, in deze situatie, batterijen waaraan ze normaal energie leveren. Wanneer er geen of heel weinig zon is, kan de uitgangsspanning van het paneel lager zijn dan de batterijspanning, waardoor de batterijen niet opladen maar ontladen. Indien een extra diode in serie wordt geplaatst met het paneel wordt voorkomen dat er stroom vloeit in de omgekeerde richting (Figuur 2.23), dit is de blocking diode. Bij normale werking, wanneer het paneel belicht wordt, zal deze diode een voorwaartse spanningsval hebben en een daarbij samengaand vermogen verlies van meer dan 1W. Indien een module 50W verstrekt betekent dit een verlies van 2% van het totale uitgaande
30
vermogen van de module. De conclusie hieruit is dat het efficiënter is om meer cellen in serie te verbinden. Een blocking diode voorkomt dat het ene paneel het andere voedt wanneer er bijvoorbeeld een deel van het andere paneel in de schaduw staat, zoals het rechtse paneel op Figuur 2.23. Zonder blocking diode zou het linkse paneel het rechtse voeden, want door de schaduw zal de opgewekte spanning van dit paneel lager liggen dan het paneel die geen schaduw ondervindt.
Figuur 2.23: Blocking en Bypass diodes in PV-module [38]
Een ander belangrijk gegeven, gekoppeld aan de serieschakeling van PV cellen, is bij schaduw van individuele cellen. Als één van de cellen in een paneel in de schaduw staat, dan zakt het rendement van die cel. De cellen staan allemaal in serie, dus de cel zal voorwaarts gepolariseerd worden wanneer andere panelen in parallel geschakeld zijn, wat resulteert in opwarming van de cel want er wordt een stroom opgedrongen aan de cel. Dit fenomeen kan de oorzaak zijn van vroegtijdig defect zijn van een cel. Om het systeem tegen zo’n defecten te beschermen, zijn panelen in het algemeen beschermd met bypass diodes. Indien de stroom niet door één of meer cellen (bypass diodes staan over één of meer cellen) kan stromen in het paneel, zal het in plaats door de bypass diode stromen. Ook verschillen (stroom en spanning) tussen panelen die in serie geschakeld zijn worden zo gecompenseerd. Zo wordt het paneel beschermd tegen een opgedrongen stroom, tegen opwarming en tegen vroegtijdige defecten. Wanneer PV cellen gemonteerd zijn in een module, kunnen ze gekarakteriseerd worden door een Nominal Operating Cell Temperature (NOCT, terug te vinden in de datasheets van zonnepanelen). De NOCT is de temperatuur die de cellen zullen bereiken wanneer ze werken in open kring in een omgevingstemperatuur van 20°C, een Air Mass van 1.5 instralingsomstandigheden, bij een instraling van 0.8 kW/m² en een wind snelheid van 1 m/s. Voor variaties in omgevingstemperatuur en instraling kan de cel temperatuur redelijk nauwkeurig geschat worden met de lineaire benadering in formule (2.14). ( Met
)
(2.14)
Cel temperatuur [°C] Omgevingstemperatuur [°C] Instraling [kW/m²] Nominal Operating Cell Temperature [°C]
31
De effecten van omgevingstemperatuur en instraling op het cel rendement mogen niet onderschat worden. Verder in dit werk wordt de impact aan de hand van werkelijke waarden bestudeerd. Aangezien de open kring spanning van een silicium cel daalt met 2.3mV/°C, zal de openkring spanning van een paneel dalen met 2.3 n mV/°C, met n het aantal cellen in serie in de module. Om het effect van de cel temperatuur wat duidelijker te maken, werd hieronder een cijfervoorbeeld uitgewerkt. Stel een zonnepaneel met
36 zonnecellen
een NOCT van 40°C
een open kring spanning van 19.4V dan zal bij
een omgevingstemperatuur van 30°C
een instraling van 1kW/m² het paneel een temperatuur van 55°C hebben! (Invullen van (2.14)) (
)
(2.15)
De open kring spanning van het paneel, met een temperatuurstijging van 15°C, wordt dan: (2.16) Dit is een spanningsdaling van 6%. Het is belangrijk op te merken dat het rendement van een module zal bepaald worden door zijn zwakste schakel. Aangezien de cellen in serie geschakeld zijn, is het belangrijk dat de cellen in een module zo dicht mogelijk op elkaar afgestemd zijn. Indien dit niet het geval is werken niet alle cellen aan een optimaal rendement. Als resultaat zal het uitgangsvermogen van het paneel lager zijn dan het product van het aantal cellen en het maximale vermogen van één cel. Figuur 2.25 toont hoe een individuele cel karakteristiek moet gecombineerd worden tot de samengestelde werkingskarakteristiek van een paneel. Merk op dat als door alle cellen dezelfde stroom vloeit, de spanningen van de individuele cellen moeten aangepast worden om te voldoen aan de stroom beperking opgelegd door de externe belasting. De samengestelde I-U karakteristiek voor n cellen in serie wordt dus bekomen door de individuele cel spanningen, die nodig zijn om de gevraagde stroom te kunnen leveren, bij elkaar op te tellen. De maximum stroom beschikbaar van het paneel wordt beïnvloed door de cel met de laagste stroom onder specifieke belastingsomstandigheden bij een bepaalde instraling. Daarom is het gewenst voor alle cellen in de module dat ze identieke I-U-E karakteristieken hebben (zie Figuur 2.16). Om te komen tot de samengestelde I-U curve voor twee cellen in serie, dienen de overeenstemmende spanningen, die nodig zijn om de stroom te produceren, samengeteld te worden zoals in Figuur 2.25. Merk op dat indien één cel een hogere kortsluitstroom ISC heeft dan de andere cel (Figuur 2.24), terwijl de spanning over de combinatie nul is (cellen zijn kortgesloten), de spanning over iedere cel dan niet noodzakelijk nul is. In de figuur heeft cel 2 een lagere ISC dan cel 1, dus zal zijn spanning negatief zijn tot zijn stroom gelijk is aan de stroom door cel 1. Dit wil zeggen dat cel 1 energie produceert en cel 2 deze dissipeert.
32
Figuur 2.24: Zonnecellen in serie
Stel dat een aantal cellen in serie geschakeld zijn en ze hebben geen identieke I-U curves. Wanneer de module wordt kortgesloten, dan zullen enkele cellen energie produceren terwijl er andere zijn die energie zullen verbruiken. Hoe groter de fout tussen de cellen in de module, hoe groter het niveau van energie dat gedissipeerd zal worden in de zwakkere cellen. Indien alle cellen perfect gelijk zijn, zal er geen energie gedissipeerd worden in de module onder kortsluitcondities. [2]
Figuur 2.25: Werkingskarakteristiek PV paneel [2]
2.4.4. PV array Indien hogere spanningen of stromen nodig zijn dan beschikbaar van één enkel paneel, dan moeten panelen geschakeld worden in strings en tot slot in arrays. De benaming ‘string’ wordt gebruikt voor een serieschakeling van zonnepanelen, terwijl een ‘array’ een parallelschakeling van strings is. Op Figuur 2.26 zijn deze termen visueel voorgesteld. Serieschakelingen resulteren in hogere spanningen, terwijl parallelschakelingen resulteren in hogere stromen. Wanneer modules in serie geschakeld staan, is het wenselijk dat iedere module maximaal vermogen produceert bij dezelfde stroom. Wanneer modules in parallel geschakeld staan, is het wenselijk dat de modules maximaal vermogen produceren bij dezelfde spanning. Per string van panelen wordt een zekering in serie geplaatst. Indien een string eruit gaat zal deze zekering de string beschermen tegen stroom die in omgekeerde richting in de string zou vloeien vanwege de andere strings. Per paneel zijn in normale omstandigheden ook enkele bypass diodes voorzien, zoals hoger werd uitgelegd. [2]
33
Figuur 2.26: PV array [39]
34
2.5. Verschillende technologieën 2.5.1. Inleiding Er bestaan in de wereld van de fotovoltaïsche energie verschillende types van halfgeleider technologieën die gebruikt worden voor zonnepanelen. Er zijn er echter (momenteel) maar twee die wereldwijd zijn doorgebroken: kristallijn silicium en dunne film, waarbij de laatste meestal uit meerdere materialen bestaat. Kristallijn silicium is het oudste en meest verspreide materiaal voor de productie van commerciële zonnepanelen maar in de toekomst zullen de meest belovende PV cellen misschien bestaan uit dunne film. [23] Zonne energie wordt belangrijker omdat meer en meer mensen belang hechten aan de herkomst van hun energie. Daarnaast zorgen vorderingen in de technologie ervoor dat zonnepanelen goedkoper kunnen geproduceerd worden. Er zijn echter nogal wat technologieën op de markt. Hieronder worden de voornaamste (commerciële) technologieën besproken met hun voor- en nadelen. Figuur 2.27 toont een grafiek met het verloop van cel rendementen van 1975 tot 2010 in laboratorium omgeving. Er is te zien dat iedere technologie verbetert. Een zonnecel is dus in staat meer en meer straling om te zetten in elektriciteit.
Figuur 2.27: cel rendementen (labo) in de loop der jaren [24]
Het volledige fabricageproces van de technologieën kan hier zonder problemen uit de doeken gedaan worden, maar daar dit niet van meerwaarde is in dit eindwerk, wordt dit achterwege gelaten. Er is hierover heel wat te vinden in andere bronnen. [5]
35
2.5.2. Kristallijn silicium De belangrijkste grondstof voor de productie van zonnecellen en modules is silicium. Deze stof is in ongezuiverde vorm rijkelijk aanwezig in de aardkorst, het is na zuurstof het meest voorkomende element. Daarnaast is silicium al goed ingeburgerd in de productie van micro-elektronica, wat zorgt voor een stevige technologische basis om op verder te bouwen. Het is dan ook niet verrassend dat het overgrote deel van de productie van commerciële zonnecellen gebaseerd is op silicium in één van zijn drie vormen: monokristallijn, polykristallijn of amorf [1]. Echter voor zonnecellen is silicium nodig van een hoge zuiverheidsgraad. Dit zuiveringsproces vereist een aantal dure stappen. Twee types kristallijn silicium worden gebruikt in de industrie. De eerste is monokristallijn, de tweede polykristallijn silicium. De belangrijkste stap in de kristallijn cel evolutie betreft de stap in de richting van de polykristallijn technologie. De grootste uitdaging voor de kristallijn technologie is het verder reduceren van de productiekosten. [33] De kristallijn silicium technologieën hebben een marktaandeel van 80-90% [30]. Dit is te zien op Figuur 2.28, waar volgens deze bron de standaard kristallijn silicium technologie 83% van het marktaandeel inneemt.
Figuur 2.28: Marktaandeel verschillende technologieën [25]
2.5.2.1. Monokristallijn Monokristallijne zonnepanelen zijn jarenlang de meest voor de hand liggende keuze geweest, en zijn de oudste, meest efficiënte en betrouwbaarste technologie. De productie van monokristallijn silicium zonnecellen gebeurt uit één groot monokristal waar siliciumschijven worden afgezaagd. Deze mono kristallijne cellen zijn meestal vierkant met afgeronde hoeken of rond van vorm. De kleur kan variëren van egaal donkergrijs, donkerblauw tot zelfs zwart. Ze zijn efficiënter, maar duurder dan de nieuwe en goedkopere polykristallijne types. Deze technologie brengt zeer efficiënte panelen op de markt, ze halen rendementen van 14 tot 18%. Maar ze vereisen silicium in zijn hoogst zuivere vorm waardoor hun productieproces heel wat energie vergt. Daardoor zijn ze duurder dan de polykristallijne silicium zonnepanelen. Deze meerkost gaat gepaard met een beter rendement. Wanneer plaats een beperkende factor is, is monokristallijn de beste keuze, er is een groter vermogen per oppervlakte mogelijk. De levensduur van monokristallijne zonnepanelen is minstens 25 jaar maar ze kunnen meer dan 50 jaar worden. Dat maakt deze technologie de moeite waard om te installeren. Maar deze panelen zijn heel breekbaar, dus een stevige opstelling is vereist.
36
Monokristallijne zonnepanelen produceren minder wanneer de temperatuur ongeveer 50°C wordt. Dit zou gaan over een vermindering van 12 tot 15%. Deze daling is kleiner dan bij polykristallijne cellen, maar de temperatuur moet nog steeds goed in acht worden genomen voor ieder zonne energie systeem. [26] Op Figuur 2.29 is een monokristallijn zonnepaneel te zien, typisch zijn de vierkante structuren met afgeronde hoeken.
Figuur 2.29: Monokristallijn zonnepaneel [27]
Deze zonnecellen worden alsmaar efficiënter gemaakt en verliezen worden zoveel mogelijk beperkt, volgende twee paragrafen tonen aan hoe op celniveau de verliezen worden geminimaliseerd. Dit zijn technologieën van fabrikant Mitsubishi. HALVE CEL Door de oppervlakte van iedere cel te verkleinen en de cellen te verbinden in een parallelle opstelling, wordt de hoeveelheid elektrische stroom die iedere busbar voert, verminderd met de helft (zie Figuur 2.30). Dit resulteert in een lagere elektrische weerstand binnen de busbars en een stijging van de totale efficiëntie met meer dan 2.5%.
Figuur 2.30: Halve monokristallijne cel [34]
De cellen worden gesneden door middel van een speciaal proces met een hogeprecisielaser om beschadiging van de cel te voorkomen. [34]
37
CEL MET 4 BUSBARS Door in iedere cel vier busbars te integreren in plaats van twee (zie Figuur 2.31), is de elektrische weerstand lager, wat resulteert in een 3% hogere celopbrengst (bij benadering in vergelijking met een standaardcel van twee busbars). Dat komt omdat de afstand tussen de busbars korter is en er dus minder elektrische stroom door de elektrodes gaat, waar de weerstand het hoogst is. [34]
Figuur 2.31: Van 2 naar 4 busbars [34]
Het aantal dwarsverbinders bedraagt nu vier in plaats van twee. Doordat de dwasverbinders echter smaller zijn, blijft er een even grote oppervlakte blootgesteld aan het licht. (Figuur 2.32) Merk op dat op de figuur een polykristallijne cel is afgebeeld.
Figuur 2.32: Nieuwe dwarsverbinders [34]
2.5.2.2. Polykristallijn Polykristallijne zonnepanelen zijn de meest algemeen gebruikte panelen op de markt want ze zijn goedkoper dan monokristallijne, ze hebben een eenvoudiger en goedkoper productieproces. Het rendement van deze panelen ligt iets lager, maar de laatste jaren wordt de prestatiekloof kleiner. Polykristallijne cellen zijn vierkant of rechthoekig en zien er uit als een mozaïek, op Figuur 2.33 is dit duidelijk te zien op het detailbeeld. Dit komt omdat de module vervaardigd is uit meerdere kristallen. De kleur varieert van donkerblauw naar donkerpaars, andere kleuren zijn ook nog mogelijk, zoals goudbruin en groen, maar dit is ten koste van het rendement. Ze halen een rendement van 12 tot 14%, dit ligt dus iets lager dan monokristallijne panelen, maar de duurzaamheid en levensduur zijn vergelijkbaar. Per vierkante meter zonnepaneel wordt er ongeveer een vermogen van 120-125W geproduceerd. Natuurlijk, deze standaardwaarden zijn niet altijd haalbaar in andere omstandigheden waarin de panelen soms geplaatst worden. Deze waarden worden bekomen uit testen onder standaardcondities. Ook deze panelen hebben een negatief gevolg van een temperatuursstijging. Deze panelen zouden 14 tot 23% van hun omzettingsvermogen verliezen (op 50°C). [28]
38
Figuur 2.33: Polykristallijn zonnepaneel [29]
Ook bij polykristallijne zonnecellen werkt Mitsubishi met 4 busbars in plaats van 2. Hiervoor wordt verwezen naar Figuur 2.31.
39
2.5.3. Dunne film De hoge kost van de productie van kristallijn silicium geeft de industrie aangezet om uit minder dure materialen zonnecellen te maken. De materialen zijn sterk licht absorberend en zijn ongeveer 1 micrometer dik, zodat de materiaal kosten aanzienlijk verminderd kunnen worden. Er bestaan verschillende soorten dunne film zonnecellen:
CdTe (Cadmium Tellirium);
CIS/CIGS (Copper Indium (Galuim) Selenide);
GaAs (Gallium Arsenide);
Micromorf;
Amorf silicium;
InP;
AlSb.
Het gebruik van dunnere lagen reduceert de licht absorptie, dunne film zijn dus minder efficiënt dan de kristallijn silicium technologieën en ze hebben lagere materiaalkosten. Dit maakt ze goedkoper ten opzichte van de kristallijn silicium technologie. Deze technologieën komen sterk op door een aanzienlijke vooruitgang, maar de kristallijne technologieën blijven nog steeds domineren. Dunne film technologieën kunnen echter bijzondere ontwerpmogelijkheden bieden voor het bouwen van geïntegreerde toepassingen. Deze technologie heeft momenteel een marktaandeel van ongeveer 10-20%. Dunne film cellen halen het hoogste rendement als er veel diffuus licht aanwezig is. Ze kunnen dus ingezet worden op moeilijkere plaatsen, zoals slechte oriëntatie of schaduwgebieden. De uitdaging voor de dunne film technologie is een verdere rendementstoename. [33]
2.5.3.1. CdTe Deze technologie kent momenteel een sterke industriële speler die de markt voor dunne film modules domineert (het Amerikaanse First Solar). Dit bedrijf boekt met CdTe succes vanwege de lage kosten. Deze lage kosten zijn het rechtstreekse gevolg van het eenvoudige productieproces.
2.5.3.2. CIS/CIGS (CuIn (Ga)Se 2 ) Kenmerkend voor deze technologie is de diversiteit aan materialen en productietechnologieën. In de industrie is standaardapparatuur daardoor beperkt beschikbaar. Momenteel ligt op laboratoriumschaal het rendementsrecord net boven de twintig procent, maar dit is moeilijk te vertalen naar kosteneffectieve massaproductie. Glas wordt veelal als substraat gebruikt, maar ook flexibele folies (staal, koper, titaan, kunststof) worden industrieel geïmplementeerd.
2.5.3.3. Micromorf Deze dunne film module bestaat uit een amorfe en een microkristallijne silicium laag. Deze micromorfe tandemcel absorbeert een bijzonder breed lichtspectrum door de combinatie van de verschillende band-gaps van de amorfe en microkristallijne laag (hoge energieopbrengst per Wp). Ze bezit uitstekende eigenschappen bij diffuse instraling en leent zich zo bijvoorbeeld uitstekend voor vlakke of weinig hellende daken in Oost of West oriëntatie. Dit paneel zou een uitstekende opbrengstverhouding hebben, ook bij gedeeltelijke beschaduwing, diffuus licht en hoge temperaturen. De productie vergt weinig materiaalverbruik en gebeurt bij zeer lage procestemperaturen, wat leidt tot een lage energie terugverdientijd als bijdrage tot duurzaamheid.
40
2.5.3.4. Organische zonnecellen Bij OPV of Organische PV is het de bedoeling om te produceren op plastic folies. Deze technologie is meest aantrekkelijk vanwege de mogelijkheden voor milieuvriendelijke productie en producten. De belangrijkste uitdagingen zijn rendementsverhoging en stabiliteitsverbetering. Op beide fronten is in de afgelopen jaren grote vooruitgang geboekt (op laboratoriumschaal), maar rendement en stabiliteit blijven nog beduidend achter bij andere PV-technologieën. Enkele fabrikanten brengen het echter al op de markt voor consumententoepassingen maar in grootschalige elektriciteitsproductie is dit echter nog niet mogelijk.
2.5.4. Overzicht Om een goed overzicht te krijgen van de voornaamste commerciële PV-technologieën werden de gegevens uit één bron gehaald, zie Figuur 2.34.
Figuur 2.34: Overzicht PV-technologieën [35]
2.5.5. PV in de toekomst en onderzoek 2.5.5.1. Toekomst Onder de verschillende celtechnologieën die toegepast worden door de PV-industrie is er nog geen enkele die zich definitief onderscheidt op basis van de laagste kostprijs per opgewekte hoeveelheid energie. Hoewel CdTe momenteel de laagste productiekosten claimt hebben alle andere technologieën ook nog grote mogelijkheden tot kostenverlaging. De race is daarom nog niet voorbij of gewonnen. In alle gevallen draait het om een combinatie van technologieverbetering en volume(schaal)vergroting. Er zijn internationaal doelstellingen opgesteld voor PV. Deze doelstellingen zijn uitgedrukt in termen van energierendementen en in termen van materiaalverbruik en –verwerking in productieprocessen. De doelstellingen en ontwikkeltrajecten zijn opgenomen in Tabel 2-2, Tabel 2-3 en Tabel 2-4.
41
Tabel 2-2: Kristallijn silicium [33]
Tabel 2-3: Dunne films [33]
Tabel 2-4: Overige technologieën [33]
In wat volgt worden nieuwe concepten of technologieën, waar verder onderzoek op gedaan wordt om het rendement te verbeteren, kort aangehaald. Enkele ervan zijn te vinden op Figuur 2.35, zoals concentrating photovoltaics of solar concentrator en intermediate band gaps.
42
Figuur 2.35: Toekomst zonne energie [33]
2.5.5.2. Solar Concentrator Concentrator PV onderscheidt zich van een optisch systeem voor bundeling van licht op een cel met een oppervlak dat veel kleiner (tot een factor 100) is dan het lichtoogstende oppervlak. GaAs en InP zijn belangrijke voorbeelden van III-V-materialen. Van alle PV-technologieën zijn de rendementen met III-V-materialen het hoogst. Door de hoge kosten komen op dit moment alleen toepassingen in de ruimtevaart en aparte concentrator markt voor. Deze systemen vereisen directe instraling van zonlicht en de noodzaak de zon vrij nauwkeurig te volgen.
Figuur 2.36: Principe solar concentrator [45]
Met deze methode zijn de kosten voor het opwekken van elektriciteit met zonnecellen sterk te reduceren. Er wordt een groot oppervlak licht opgevangen, dat met behulp van lenzen en spiegels wordt gefocusseerd op een kleine zonnecel. Op deze wijze wordt kostbaar halfgeleidermateriaal vervangen door goedkopere componenten van glas en kunststof. De stroomopbrengst neemt evenredig toe met de concentratiefactor van
43
het systeem. Daarnaast gaat ook de spanning van de cel iets omhoog waardoor het geleverde vermogen van een zonnecel meer dan evenredig toeneemt met de concentratiefactor. Dit betekent dat ook het rendement van de cel toeneemt met de concentratiefactor. Dit effect is het grootst bij multi-junctie cellen. Zo wordt onder standaard condities met een triple-junctie cel een rendement van maximaal 32% behaald terwijl hiermee onder hoge concentratie inmiddels de grens van 40% voorbij is. Met een viervoudige zonnecel zou bij een concentratiefactor van 500 maal, of hoger, een rendement van meer dan 55% mogelijk zijn. Omdat dergelijke hoge concentratiefactoren resulteren in zeer hoge elektrische stromen en een hoge warmtebelasting, stelt dit bijzondere eisen aan het ontwerp van de zonnecellen. [46]
Figuur 2.37: Solar concentrator [47]
2.5.5.3. Luminescerende vlakke platen In tegenstelling tot een concentrator system, waarbij lenzen en spiegels gebruikt worden, vangt een luminescerende plaat zonlicht vanuit alle richtingen op. In de plaat wordt het licht geabsorbeerd in optisch actieve deeltjes en vervolgens isotroop weer uitgestraald, zie Figuur 2.38. Zo wordt het licht via interne reflectie naar zonnecellen aan de randen van de plaat gereflecteerd. Het spectrum aan de rand van de plaat is sterk afhankelijk van het type optisch actieve deeltjes dat wordt toegepast. Door absorptieverliezen in de plaat zijn de behaalde concentratiefactoren echter nog erg laag.
Figuur 2.38: Luminescerende plaat [46]
44
2.5.5.4. Intermediate bandgaps Op Figuur 2.39 is het principe van een intermediate band zonnecel afgebeeld. Door de intermediate band wordt naast het blauwe ook het groene en het rode deel van het zonnespectrum geabsorbeerd en op die manier gebruikt.
Figuur 2.39: Principe intermediate band zonnecel [46]
2.5.5.5. Multi-junctie zonnecellen Om rendementen van meer dan 30% te halen is een multi-junctie zonnecel nodig. Dit is in principe een opeenstapeling van meerdere zonnecellen die elk gevoelig zijn voor een andere deel van het zonnespectrum, dit is duidelijk weergegeven in Figuur 2.40. Voor eenzelfde oppervlak kan zo een groter deel van het invallend zonlicht worden omgezet in elektrische energie.
Figuur 2.40: Principe multi-junction zonnecellen [46]
2.6. Besluit In dit hoofdstuk werd de basis omtrent zonnepanelen, die belangrijk is voor het vervolg van dit werk, besproken. De instraling en de ligging zijn van het grootste belang voor de opbrengst van zonnepanelen. De werking werd kort besproken, gevolgd door de opbouw van een zonnepaneel tot het samenstellen van een array. Er werden ook al factoren aangehaald die een invloed hebben op de opbrengst van zonnecellen, bijvoorbeeld temperatuur. Tot slot werden ook de voornaamste technologieën aangehaald en werden enkele technologische nieuwigheden omtrent PV kort toegelicht. Dit alles is belangrijk om het verder onderzoek van dit werk goed te kunnen volgen.
45
3
Installatie HOWEST
3.1. Inleiding In dit hoofdstuk wordt de PV installatie besproken die op het dak van HOWEST is gebouwd. De verschillende technologieën en opstelling worden besproken omdat dit van belang is voor het verder onderzoek. Op het einde wordt de opbouw van een zonnepaneel behandelt omdat het glas een invloed heeft op de opbrengst. Deze invloed is niet dezelfde voor de verschillende opstellingen, vandaar dat dit op het einde van dit hoofdstuk aan bod komt.
3.2. Algemene informatie De installatie van HOWEST werd gebouwd door PerPetum Energy BVBA. Er zijn vier verschillende technologieën geïnstalleerd, namelijk polykristallijn, monokristallijn en twee dunne film modules die elk door een andere fabrikant geproduceerd worden.
Yingli Solar, YL180, 180Wp
-
Polykristallijn
Suntech Power, STP 180s-24/AC, 180Wp
-
Monokristallijn
Sharp NA NA121R, 121Wp
-
Dunne film
Sanyo HIP 230 NKHE1, 230Wp
-
Dunne film
Alle technologieën liggen opgesteld in zowel de open als de gesloten opstelling. De polykristallijne en één dunne film module (Sharp) liggen ook op de tracker. Er zijn dus in totaal 10 strings (4 x open, 4 x gesloten en 2 x tracker) van ongeveer 1 kWp die elk via een omvormer aan het net zijn gekoppeld. De omvormers zijn allemaal gelijk, namelijk SB 1100 van SMA. Op Figuur 3.1 wordt de installatie schematisch weergegeven. Op de figuur staat ook hoeveel panelen van elke technologie geïnstalleerd zijn.
46
Figuur 3.1: Installatie
De datasheets van de zonnepanelen en de omvormer zijn opgenomen in de bijlagen (9.1. ).
3.3. Technologieën Er zijn vier verschillende technologieën geïnstalleerd, twee met kristallijn silicium en twee dunne film panelen. In de rest van het werk worden ze genoemd naar het gebruikte materiaal, namelijk polykristallijn, monokristallijn, micromorf en monomorf. De naam monomorf is een samenstelling van monokristallijn en amorf, de cel bestaat namelijk uit een dunne monokristallijn laag tussen meerdere ultra dunne amorf lagen.
47
Figuur 3.2: Monokristallijn
Figuur 3.3: Polykristallijn
Figuur 3.4: Monomorf
Figuur 3.5: Micromorf
De belangrijkste eigenschappen van de verschillende technologieën staan opgesteld in Tabel 3-1. Dit zijn vooral de eigenschappen die nog van belang zijn in het vervol g van dit werk.
Tabel 3-1: Belangrijkste technische gegevens per paneel
Monokristallijn
Polykristallijn
Micromorf
Monomorf
Suntech
Yingli
Sharp
Sanyo
STP180S-24/Ac
YL 180 P-23b
NA-F121 (G5)
HIP-230HDE1
Pmax [W]
180
180
121
230
module rend. [%]
14,1
13,9
8,5
16,6
Temp. coëff. of Pmax [%/°C]
-0,48
-0,45
-0,24
-0,3
0,808 x 1,580
0,990 x 1,310
1,009 x 1,409
0,861 x 1,610
Oppervlakte [m²]
1,277
1,297
1,422
1,386
Oppervlakte per kWp (m²/kWp]
7,09
7,2
11,74
6,03
NOCT [°C]
45
46
44
45
Massa [kg]
15,5
15,8
19
16,5
72
48
180
X
Fabrikant Type
Afmetingen [m x m]
Aantal cellen in serie
48
3.4. Opstellingen 3.4.1. Open / Gesloten Alle vier de technologieën zijn in zowel de open als de gesloten opstelling geïnstalleerd. Bij de open opstelling kan er nog wind aan de achterkant van de panelen terwijl dit bij de gesloten opstelling niet mogelijk is. Dit zou een effect hebben op de paneeltemperatuur, die dan op zijn beurt een effect heeft op de opbrengst van het paneel. Verder in dit werk wordt duidelijk dat de windfactor een parameter is die zeer moeilijk te voorspellen is. Merk op dat de gesloten opstelling de panelen geforceerd begint te koelen wanneer de paneeltemperatuur boven de 70°C stijgt. Deze opstellingen zijn een simulatie van installaties op een plat dak en van zonnepanelen die worden ingebouwd in het dak.
Figuur 3.6: Gesloten opstelling
Figuur 3.7: Open opstelling
3.4.2. Tracker Op de tracker zijn twee technologieën geïnstalleerd, namelijk polykristallijn en micromorf. Het is een dubbel tracking-systeem. De zonnevolger richt zich volgens 2 assen naar de zon zodat de instraling loodrecht kan invallen.
Figuur 3.8: 2 assen = 2 sensoren
Figuur 3.9: 1 sensor = driehoekige vorm
Om te kunnen richten heeft elke as een sensor die bestaat uit twee kleine zonnecellen. Deze twee kleine zonnecellen zijn in een driehoek geplaatst, elke cel in een andere richting, zie Figuur 3.10. Wanneer voor de twee sensoren op beide cellen evenveel licht invalt (Figuur 3.11), staat de tracker loodrecht op de zon gericht.
49
Figuur 3.10: Opstelling zonnecellen sensor
Figuur 3.11: Evenwicht positie
Wanneer de zon zich verplaatst ontvangt één zonnecel meer licht dan de andere (Figuur 3.12) waardoor over de ene cel een hogere spanning staat dan over de andere. Dit spanningsverschil is een signaal dat zorgt voor de correcte verdraaiing van de as. [48]
Figuur 3.12: Onevenwicht
Een interessant en belangrijk gegeven over de zonnevolger is dat hij zich horizontaal opstelt wanneer de windsnelheid meer dan 6 m/s bedraagt.
Figuur 3.13: Tracker
50
3.5. Opbouw zonnepaneel Zonnepanelen moeten kunnen weerstaan aan allerlei klimaten en weersomstandigheden voor lange periodes, tot 25 jaar. Één van de belangrijke zaken voor deze lange levensduur is het lamineren. De opbouw van een zonnepaneel is afgebeeld in Figuur 3.14. De meeste zonnepanelen worden beschermd met gehard ijzerarm glas. De zonnecellen zelf zijn ingekapseld binnen twee lagen EVA (Ethyl Vinyl Acetaat). Onderaan worden de zonnecellen beschermt door Tedlar, een UV stabiele kunststof die goed vocht weerhoudend is. Eerst wordt de ruimte tussen de EVA-folies, de ruimte van de zonnecellen, vacuüm gezogen. Daarna worden de folies verwarmt en wordt het glas en het Tedlar bevestigt. Deze opbouw zorgt ervoor dat het zonnepaneel lucht- en vochtvrij blijft.
Figuur 3.14: Opbouw zonnepaneel
De glasplaat die de zonnecellen beschermt speelt echter een belangrijke rol indien het aankomt op instraling. Wanneer het zonlicht niet loodrecht invalt (vaste opstellingen) treedt er breking van het licht op doordat het licht overgaat van medium. Breking van het licht gaat gepaard met terugkaatsing of reflectie (Figuur 3.15). Niet alle zonlicht bereikt dus effectief de zonnecellen. Onder een bepaalde invalshoek wordt het licht zelfs volledig gereflecteerd, dit is de grenshoek (Figuur 3.16). De hoeveelheid gereflecteerde straling varieert voortdurend aangezien de stand van de zon gedurende de dag en doorheen het jaar constant wijzigt.
Figuur 3.15: Invloed glasplaat [49]
Figuur 3.16: Grenshoek [50]
51
Op Figuur 3.17 is grafisch de verbetering van de transmissie weergegeven met anti reflectie glas. Dit zorgt voor een gemiddelde meeropbrengst van 2%, in bepaalde gebieden van het spectrum kan de efficiëntie met 4 tot 6% toenemen.
Figuur 3.17: Verbetering transmissie met anti reflectie glas [51]
3.6. Besluit Het inzicht in de installatie en de technische gegevens van de verschillende technologieën zijn van belang in het volgende hoofdstuk. Wanneer technische gegevens nodig zijn, zijn deze te vinden in Tabel 3-1. Voor specifieke gegevens wordt verwezen naar de datasheets in de bijlage van dit werk. De impact van de glasplaat wordt duidelijk in volgende hoofdstuk.
52
4
Dataverwerking
4.1. Inleiding De data waarmee gewerkt wordt beslaat precies één jaar, de periode begint bij 01/09/2010 en eindigt op 31/08/2011. Zo is precies één jaar in de verwerking opgenomen. Onder paragraaf 4.4. is een samenvatting van de klimatologische gegevens van de periode per maand opgenomen, deze zijn nodig wanneer de opbrengst in functie van de zon, wind en temperatuur wordt bestudeerd. Er zijn heel wat gegevens ter beschikking voor de dataverwerking. Zo wordt per technologie ogenblikkelijk de opbrengst en de temperatuur van het paneel gemeten. Algemeen worden nog de omgevingstemperatuur, de windsnelheid en de instraling gemeten. Er zijn twee stralingsmeters voorzien, één staat vast en de andere staat op de tracker. De totale ogenblikkelijke opbrengst is ook terug te vinden. Niet onbelangrijk is de datum en het tijdstip waarop de logging plaats vond. Het totaal geïnstalleerd vermogen per technologie is verschillend van elkaar, waardoor eerst de data moet worden omgezet naar 1 kWp teneinde de technologieën op dezelfde basis te beoordelen. Het geïnstalleerd vermogen wordt namelijk gekozen in functie van de omvormer. Aangezien de omvormers hier een vermogen van 1.1 kW hebben, is het vermogen van de zonnepanelen meestal groter dan 1kWp. De waarden uit het bestand die afkomstig zijn van de stralingsmeters zijn uitgedrukt in Watt per vierkante meter. Deze sensorbox van SMA werkt met een amorfe zonnecel en heeft een bereik van 0 tot 1500 W/m² met een nauwkeurigheid van ±8%. Om verwarring te vermijden zijn in Tabel 4-1 de namen en technologieën nog eens duidelijk gemaakt. Het paneel van Sharp en Sanyo zijn in feite allebei dunne film modules, maar voor Sharp wordt micromorf gebruikt en voor Sanyo monomorf als benaming. Deze benamingen zijn genoemd naar de gebruikte materialen van de technologie. Tabel 4-1: Naamgeving van de verschillende technologieën
Fabrikant Technologie Naam in grafieken
Naamgeving Technologieën Suntech Power Yingli Sharp 1 2 3 mc-Si pc-Si a-Si/𝜇c-Si Monokristallijn Polykristallijn Micromorf
Sanyo 4 mc-Si/a-Si Monomorf
In dit hoofdstuk komt alles aan bod omtrent de studie op de ogenblikkelijke opbrengst en de impact van de technologische en klimatologische parameters. De data wordt bewerkt om zo correct de grafieken voor een jaar te kunnen opstellen. Daarna volgt een samenvatting van de algemene klimatologische gegevens uit Ukkel, de methodische aanpak en een sensitiviteitsanalyse op de ontwikkelde formule. Doorheen dit hoofdstuk wordt slechts één technologie volledig besproken, namelijk polykristallijn. Voor de andere technologieën geldt net dezelfde redenering.
1
Monokristallijn Silicium Polykristallijn Silicium 3 Amorf / microkristallijn Silicium 4 Monokristallijn / amorf Silicium 2
53
4.2. Databewerkingen 4.2.1. Beschikbare data In Tabel 4-2 is een deel data weergegeven die beschikbaar is uit de log-file. Hier wordt nu enkel de polykristallijne technologie gegeven, van fabrikant Yingli. In de werkelijke file worden de kolommen voor het vermogen en de paneeltemperatuur van de andere technologieën per opstelling ook gelogd. Tabel 4-2: Oorspronkelijk beschikbare data ID 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Time P_Yingli _Gesloten T_Yingli _Gesloten P_Yingli _Open T_Yingli _Open P_Tracker_Yingli T_Tracker_Yingli P_Totaal T_Omgeving 31/08/2010 12:36 320 35.38 324 32.88 335 31.43 2967 22.83 31/08/2010 12:45 934 35.47 902 32.75 1090 30.03 8815 26.93 31/08/2010 12:55 283 32.84 291 30.50 314 25.93 2634 21.53 31/08/2010 13:00 266 29.81 269 27.84 291 23.13 2421 20.23 31/08/2010 13:05 277 28.28 283 26.28 295 22.33 2521 21.03 31/08/2010 13:10 315 27.56 324 25.75 341 22.03 3010 19.83 31/08/2010 13:15 316 27.25 322 25.41 337 22.43 2905 20.83 31/08/2010 13:20 317 27.66 331 25.59 336 23.43 2953 21.73 31/08/2010 13:25 329 27.66 340 25.50 348 23.73 3084 21.83 31/08/2010 13:35 675 28.53 632 26.22 804 24.53 7116 23.03 31/08/2010 13:40 1082 33.44 1108 31.22 1107 29.63 10412 25.33 31/08/2010 13:45 949 36.41 932 33.63 984 33.23 8652 26.23 31/08/2010 13:50 1017 41.25 1053 38.13 1109 37.53 10007 29.13 31/08/2010 13:55 889 43.13 905 40.13 1004 39.73 8510 28.53 31/08/2010 14:00 870 46.06 1001 42.72 915 42.13 8666 31.03
Solar_Vast 302 845 267 246 257 307 297 302 320 889 1021 955 1008 909 967
Solar_Tracker Wind 285 1.4 816 0.7 259 3.0 238 3.6 246 2.8 296 4.4 284 5.1 286 6.2 304 1.7 894 0.8 1028 1.9 963 1.1 1016 1.4 901 0.6 977 0.7
De temperatuur is gelogd tot twee decimalen en de wind tot één decimaal nauwkeurig, maar worden gescheiden door een punt. Excel kan niet verder rekenen met dit punt, dus moeten in de file alle punten vervangen worden door een komma. Verder is het ook nodig om datum en tijd te splitsen en om de tijd om te zetten naar decimale waarden, waardoor nog een aantal kolommen toegevoegd worden. Daarvoor dient de ‘Time’ kolom gekopieerd te worden in een nieuwe kolom en moet in de ene kolom gekozen worden voor ‘Datum’ weergave en in de andere kolom voor ‘Tijd’ weergave. Om de tijd van notatie [hh:mm:ss] (in cel C2) om te zetten naar een decimale waarde met als eenheid uur wordt volgende excel-functie gebruikt. = UUR(C2) + MINUUT(C2)/60 + SECONDE(C2)/3600 Met deze functies worden uren, minuten en seconden als geheel getal geschreven, er dient dus nog gedeeld te worden door 60 en 3600 om tot één decimaal getal te komen die het aantal uren uitdrukt. Merk op dat de cel een decimaal getal weergeeft.
4.2.2. Data-omzetting naar 1kWp In Tabel 4-3 worden de gegevens weergegeven die nodig zijn om de factoren te berekenen waarmee de waarden moeten vermenigvuldigd worden om ze allemaal te relateren naar een geïnstalleerd vermogen van 1kWp. Voor iedere technologie ligt er ongeveer 1kWp geïnstalleerd, maar omdat niet ieder paneel hetzelfde maximaal vermogen heeft bij standaard testcondities (Watt-Piek) kan er niet perfect 1kWp gehaald worden. De oppervlakte wordt buiten beschouwing gelaten, de oppervlakte van de ene technologie is namelijk groter dan voor de andere voor eenzelfde vermogen. Door de ogenblikkelijke opbrengst te vermenigvuldigen met de berekende factoren kan iedere technologie op een correcte manier worden vergeleken.
54
Tabel 4-3: Data omzetting naar 1kWp
1 paneel Aantal [Wp] stuks
Totaal vermogen [Wp]
Factor naar 1kWp
Yingli Solar, YL180, 180Wp
180
7
1260
0,793651
Suntech Power, STP 180s-24/Ac, 180Wp
180
6
1080
0,925926
Sharp NA NA121R
121
10
1210
0,826446
Sanyo HIP 230 NKHE1
230
5
1150
0,869565
Merk wel op dat deze factoren ook gebruikt worden om de oppervlakte per kWp te berekenen. Deze oppervlakte is van belang in de uiteindelijke formule.
4.2.3. Naar kWh/kWp Alle waarden worden ogenblikkelijk gelogd waardoor het vermogen in Watt uitgedrukt is. Om te weten hoeveel kilowattuur (kWh) iedere technologie opwekt moet met de tijd gerekend worden. Iedere logging heeft een datum en een tijdstip, er kan dus berekend worden hoe lang de installatie het vermogen levert. Dit is uiteraard een benadering omdat tussen twee tijdstippen niet geweten is wat de opbrengst is. Op Figuur 4.1 wordt een voorbeeld van een aantal gelogde vermogens afgebeeld, het zijn allemaal fictieve waarden.
Figuur 4.1: Voorbeeld loggegevens
Het tijdstip waarop de logging gebeurd is, wordt omgezet naar een decimale waarde voor het aantal uur dat een bepaald vermogen geproduceerd wordt. De totale tijd waarbij het vermogen dat gelogd werd op tijdstip 1 (7:30:09 op Figuur 4.1) geproduceerd wordt is het gelogd vermogen vermenigvuldigd met het tijdsverschil tussen 1 en 2 (7:35:09 op Figuur 4.1). De formule staat voor de duidelijkheid opgesteld onder vergelijking (4.1). Indien deze berekende waarden van heel het jaar opgeteld worden, wordt het totaal aantal kWh per jaar bekomen. [
]
[ ]
[ ]
(4.1)
Deze omzetting is niet meteen van belang bij de verdere studie, daar er opnieuw met de ogenblikkelijke waarden gewerkt wordt. Met deze gegevens worden de grafieken opgesteld per technologie die per maand de productie zullen weergeven samen met de andere gelogde parameters.
55
4.3. Jaarverloop data per maand 4.3.1. Alle log-gegevens Indien alle gelogde gegevens op één grafiek worden geplaatst voor de volledige periode moeten gemiddelden per maand worden berekend. Van de temperatuur- en windgegevens wordt het gemiddelde over de hele maand berekend, maar voor de instraling en opbrengst gebeurt dit anders. De gemiddelde instraling wordt berekend van de gegevens wanneer er effectief instraling is. Instraling nul wordt niet meegerekend omdat dit zou leiden tot een verkeerde gemiddelde waarde. De berekening van de opbrengst per maand werd in 4.2.3. uitgelegd. Figuur 4.2 toont alle gegevens voor de polykristallijne technologie in open opstelling. De opbrengstcurve volgt duidelijk de vorm van de instralingscurve, wat logisch is aangezien de instraling de enige bron van opbrengst is bij een zonnepaneel. Gemiddeld gezien stijgt tijdens de zomermaanden de paneeltemperatuur boven de omgevingstemperatuur, terwijl tijdens de wintermaanden het omgekeerde te zien is. Hier wordt duidelijk dat de temperatuur van het paneel zeker invloed ondervindt van de instraling. De gemiddelde windsnelheid blijft over de volledige periode zo goed als gelijk. Deze parameter is niet seizoen afhankelijk, wat het uiteindelijk moeilijk zal maken om deze parameter te gebruiken in een voorspellingsformule.
Polykristallijn Open (Sept. 2010 [1] - Aug. 2011 [12]) 350,00
25,00
300,00 20,00
15,00 200,00
150,00 10,00
Temperatuur / Windsnelheid
Opbrengst / Instraling
250,00
100,00 5,00 50,00
0,00
0,00 1
3
5
7
9
11
Maand Opbrengst [kWh/kWp]
Instraling [W/m²]
Omgevingstemperatuur [°C]
Windsnelheid [m/s]
Paneeltemperatuur [°C]
Figuur 4.2: Jaarverloop Polykristallijn Open
In Figuur 4.3 worden dezelfde parameters afgebeeld, maar dit keer voor de gesloten opstelling van de polykristallijne technologie. De vorm van de curves blijft ongeveer gelijk, enkel het verschil tussen de omgevings- en de paneeltemperatuur wordt tijdens de zomermaanden iets groter dan hiervoor. De achterzijde van de zonnepanelen staat hier niet rechtstreeks in contact met de lucht, waardoor het koelen moeilijker is.
56
Polykristallijn Gesloten (Sept. 2010 [1] - Aug. 2011 [12]) 350,00
25,00
300,00 20,00
15,00 200,00
150,00 10,00
Temperatuur / Windsnelheid
Opbengst / Instraling
250,00
100,00 5,00 50,00
0,00
0,00 1
3
5
7
9
11
Maand Opbrengst [kWh/kWp]
Instraling [W/m²]
Omgevingstemperatuur [°C]
Windsnelheid [m/s]
Paneeltemperatuur [°C]
Figuur 4.3: Jaarverloop Polykristallijn Gesloten
Gelijkaardige grafieken kunnen van elke technologie gemaakt worden, maar de conclusies zijn telkens gelijk.
4.3.2. Opbrengst per opstelling Per technologie kunnen ook de verschillende opstellingen met elkaar vergeleken worden, dit vooral naar opbrengst. In Figuur 4.4 zijn de opbrengstcurves en temperatuurcurves voor de polykristallijne technologie weergegeven. Het wordt duidelijk dat de open en de gesloten opstelling qua opbrengst zeer dicht bij elkaar blijven gedurende de volledige periode. Enkel in de zomermaanden, wanneer de temperatuur een grotere rol speelt, is er een verschil tussen de twee curves zichtbaar. De tracker ligt gedurende heel het jaar duidelijk boven de twee andere curves. Gedurende de wintermaanden is het verschil kleiner, terwijl het tijdens de zomermaanden duidelijk groter wordt. Dit is logisch aangezien er in de wintermaanden minder instraling is, waardoor het voordeel van de tracker niet zo groot is als in de zomer. Ook aan de temperatuurcurves is het verschil tussen zomer en winter duidelijk. Opmerkelijk is dat de tracker een hogere temperatuur heeft dan de open opstelling. Dit komt omdat de tracker meer instraling kan omzetten in elektriciteit, de hogere omzetting zorgt voor de hogere temperatuur.
57
200,00
20,00
150,00
15,00
100,00
10,00
50,00
5,00
kWh/kWp
25,00
0,00
Temperatuur [°C]
Verschillende opstellingen - Polykristallijn (Sept. 2010 [1] - Aug. 2011 [12]) 250,00
0,00 1
3
5
7
9
11
Maand Pgesloten
Popen
Ptracker
Tgesloten
Topen
Ttracker
Figuur 4.4: Jaarverloop opstellingen polykristallijn
4.3.3. Opbrengst per technologie Wanneer de opbrengst per technologie voor één opstelling op één grafiek wordt geplaatst kan de vergelijking tussen de technologieën in één beeld gebracht worden. Merk op dat dit opbrengsten per maand zijn. Het verloop tussen twee maanden is slechts een verbinding van twee punten. Figuur 4.5 geeft de maandopbrengsten weer van alle technologieën voor de open opstelling. Opmerkelijk is het verschil tussen de monokristallijne en polykristallijne technologie tijdens de zomermaanden. In theorie heeft de monokristallijne technologie een rendement die net iets beter is dan de polykristallijne. Uit de datasheets blijkt dat het MPP (Maximum Power Point) vermogen bij de monokristallijne technologie gevoeliger is aan temperatuur.
58
Opbrengst kWh/kWp per maand - Open opstelling 160,00
140,00
120,00
kWh/kWp
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 1
3
5
7
9
11
Maand Monomorf
Monokristallijn
Micromorf
Polykristallijn
Figuur 4.5: Jaarverloop opbrengst - open opstelling - alle technologieën
4.3.4. Totale opbrengst per technologie over de volledige periode In Tabel 4-4 zijn de opbrengsten in kWh per kWp per maand, per technologie en per opstelling opgenomen. Dit zijn de opbrengsten die ook in de grafieken hierboven worden gebruikt. Onderaan de tabel staat de totale opbrengst van iedere technologie. Daaruit wordt het verschil tussen de open en gesloten opstellingen duidelijk. Het verschil is bij geen enkele technologie opvallend groot. Wat wel opvalt is dat de gesloten micromorfe opstelling meer opbrengt dan de open opstelling op jaarbasis. Dit verschil is echter te klein om een gegronde reden te zoeken. Deze technologie is minder gevoelig aan hogere temperaturen dan kristallijne technologieën. In de literatuur wordt als referentie voor een zonne-installatie 850kWh per kWp genomen. Uit de gegevens van deze periode is duidelijk dat dit een minimum opbrengst is, alle technologieën brengen meer op dan deze referentie. De micromorfe (sharp) open opstelling komt het meest in de buurt. Tabel 4-4: Maandopbrengst per technologie per opstelling Opbrengst per maand [kWh/kWp] Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug Totaal
Sanyo Gesl 88,36 67,94 19,31 7,79 24,63 29,03 95,68 131,34 152,66 122,16 109,22 102,70 950,81
Sanyo Open Suntech Gesl Suntech Open Sharp Gesl 95,34 89,01 90,05 86,66 73,55 67,78 69,19 62,46 19,98 19,03 18,30 16,59 13,00 12,77 12,07 10,69 26,79 24,47 25,10 19,62 30,11 27,32 27,98 24,01 105,89 97,71 100,26 86,81 137,31 127,49 130,11 121,19 154,17 143,88 145,25 136,74 121,82 114,77 115,18 112,95 109,14 102,48 102,49 101,33 103,99 98,55 98,45 95,94 991,08 925,27 934,44 874,98
Sharp Open 86,41 62,39 16,79 11,94 19,75 23,82 86,75 119,10 136,47 109,39 97,46 93,32 863,59
Yingli Gesl 91,68 68,44 18,77 9,05 23,41 28,55 99,51 131,30 148,74 119,89 107,40 101,95 948,69
Yingli Open Yingli Tracker Sharp Tracker 94,55 124,50 109,08 70,51 96,60 79,98 19,08 26,37 19,92 9,77 24,96 16,90 24,68 37,57 26,04 29,32 39,51 29,81 103,37 144,65 113,29 136,09 181,19 152,36 153,44 207,87 180,61 123,43 169,48 146,86 110,22 151,11 131,16 104,63 135,99 118,85 979,08 1339,81 1124,83
59
4.4. Samenvatting klimatologische gegevens (Ukkel) In wat volgt worden de voornaamste klimatologische gegevens samengevat. Het gaat over de gegevens die relevant zijn voor het onderzoek naar de impact van de verschillende factoren. Voor deze factoren wordt dezelfde manier van beoordelen gebruikt zoals in de volledige klimatologische gegevens [40]. De jaaraantallen geven aan in hoeveel jaar het fenomeen bereikt of overtroffen wordt. Normaal Abnormaal Zeer abnormaal Uitzonderlijk Zeer uitzonderlijk
-
6 jaar 10 jaar 30 jaar 100 jaar
September 2010 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = normaal = geen
Oktober 2010 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = normaal = geen
November 2010 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= uitzonderlijk lage zonneschijnduur = normaal = 6, meer dan normaal (2.4)
December 2010 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = zeer abnormaal laag = 23, veel meer dan normaal (4.6)
Januari 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = normaal = 4, normaal (4.2)
Februari 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = normaal = 1, minder dan normaal (5.1)
Maart 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= uitzonderlijk hoog = normaal = 1, minder dan normaal (3.2)
60
April 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= uitzonderlijk hoog = zeer uitzonderlijk hoog = geen
Mei 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= zeer abnormaal hoog = normaal = geen
Juni 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= normaal = normaal = geen
Juli 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= zeer abnormaal laag = uitzonderlijk laag = geen
Augustus 2011 o Zonneschijnduur o Gemiddelde temperatuur o Aantal sneeuwdagen
= zeer abnormaal laag = normaal = geen
61
4.5. Methode dataverwerking 4.5.1. Inleiding Het is de bedoeling om een formule op te stellen die de ogenblikkelijke opbrengst voorspelt in functie van technologische en klimatologische parameters. De technologische parameters zijn te vinden in de datasheet per technologie, de klimatologische parameters zijn deze die gelogd worden samen met het ogenblikkelijk vermogen en de paneeltemperatuur. Dit gaat over de omgevingstemperatuur, de instraling en de windsnelheid. Eerst wordt een vergelijking gezocht die de paneeltemperatuur in functie van de omgevingstemperatuur, de instraling en de windsnelheid uitdrukt. Deze factoren hebben via de temperatuur van het paneel een invloed op de opbrengst van het paneel. Daarna wordt een algemene formule opgesteld die de ogenblikkelijke opbrengst zou moeten kunnen voorspellen in functie van onder andere deze parameters. De formule wordt ingevuld met alle factoren, zowel uit de datasheets als uit de gelogde data, en wordt daarna vergeleken met de werkelijke waarden van de opbrengst die gelogd werden. De formules worden opgesteld per maand. De gegevens die hier gebruikt worden om de methode te verduidelijken zijn van de maand september 2010 van de polykristallijne technologie in open opstelling. Eerst wordt een formule gezocht voor de paneeltemperatuur, daarna wordt deze formule gebruikt om in te vullen in de formule voor de opbrengst.
4.5.2. Opstellen formule paneeltemperatuur Omdat de paneeltemperatuur ook gelogd wordt kan er eerst een formule opgesteld worden die deze temperatuur in functie van de omgevingstemperatuur, de instraling en de windsnelheid beschrijft. Dit zijn parameters die telkens samen gelogd werden en die een invloed hebben op de tempartuur van het paneel. Er zijn verschillende mogelijkheden voor een formule die de paneeltemperatuur berekend. Er kan zelf een formule opgesteld worden aan de hand van de data die ter beschikking is of er kan een bestaande formule gebruikt worden.
4.5.2.1. Opstellen formule a.d.h.v. data selectie Aan de hand van de data die ter beschikking is wordt geprobeerd de impact van iedere factor op de paneeltemperatuur te achterhalen. Zo wordt gestreefd naar een formule die de temperatuur van het paneel in functie van de omgevingstemperatuur, de instraling en de windsnelheid uitdrukt.
4.5.2.1.1. Impact omgevingstemperatuur De omgevingstemperatuur zorgt voor de basistemperatuur van het paneel. Wanneer er ’s nachts geen instraling is hangt de temperatuur enkel af van de omgevingstemperatuur. Met deze data kan dus de invloed van de omgevingstemperatuur achterhaald worden. Enkel de data van de maand waarvoor de instraling nul is wordt gebruikt. Op Figuur 4.6 wordt 3 september 2010 afgebeeld. Op de afbeelding wordt duidelijk dat de paneeltemperatuur ’s nachts onder de omgevingstemperatuur daalt en dat de temperatuur snel daalt eens de instraling te weinig wordt.
62
Het kader is een gebied waarin het paneel afkoelt, wanneer er geen instraling meer is en de temperatuur van het paneel hoger is dan de omgevingstemperatuur. Deze waarden zijn onbruikbaar om de impact van de omgevingstemperatuur op het paneel te achterhalen. Wanneer de instraling nul is én de temperatuur van het paneel hoger is dan de omgeving wordt de waarde verwijderd. Zo blijven de correcte waarden over. Door eerst de waarden met instraling nul te selecteren en daarna te filteren op de temperatuur zullen er geen onbruikbare waarden meegerekend worden.
Figuur 4.6: 3 september 2010 [41]
De gelogde waarden van de omgevingstemperatuur en de paneeltemperatuur worden omgezet naar Kelvin. Dit om in de wintermaanden geen probleem te hebben met negatieve temperaturen. Om de invloed van de omgevingstemperatuur te karakteriseren in een factor zijn negatieve en positieve temperaturen tegenstrijdig waardoor er in principe twee factoren zouden moeten gebruikt worden. Op Figuur 4.6 is duidelijk te zien dat de temperatuur van het paneel net iets lager is dan de omgevingstemperatuur, indien er geen instraling is. Bij positieve temperaturen is de invloedfactor van de omgevingstemperatuur bijgevolg kleiner dan 1. Bij negatieve temperatuur wordt de invloedfactor groter dan 1, want de paneeltemperatuur is in absolute waarde groter dan de omgevingstemperatuur. Indien in de bestudeerde maand positieve én negatieve temperaturen voorkomen, is het niet mogelijk om op een correcte manier één factor aan de invloed van de omgevingstemperatuur toe te kennen. Van de geselecteerde data (instraling nul) wordt de paneeltemperatuur uitgezet in functie van de omgevingstemperatuur, uitgedrukt in Kelvin. Het resultaat is te zien in Figuur 4.7.
63
Paneeltemperatuur i.f.v. Omgevingstemperatuur - Polykristallijn Open (Sept.) 300
295 y = 1,0168x - 6,5793 R² = 0,827
290
Tpaneel [K]
y = -0,0104x2 + 6,9904x - 865,91 R² = 0,8277
285
280
275 278
280
282
284
286
288
290
292
294
296
298
300
Tomgeving [K] Tpan ifv Tomg
Lineaire
Lineair (Tpan ifv Tomg)
Poly. (Tpan ifv Tomg)
Figuur 4.7: Paneeltemperatuur i.f.v. omgevingstemperatuur
De rode lijn op de grafiek stelt een lineaire rechte voor met vergelijking , dit is de grens. Het paneel kan immers nooit warmer worden dan de omgeving wanneer er geen instraling is. Dit geeft aan dat de selectie van de data goed is, er ligt geen enkel punt boven deze grens. Om nu een factor toe te kennen aan de impact van de omgevingstemperatuur wordt gebruik gemaakt van de vergelijking van een trendlijn door de geselecteerde puntenkoppels. Dit is namelijk de beste benadering van het verband. Er wordt zowel een lineaire als een polynoom getekend. Grafisch is te zien dat het verschil tussen deze twee trendlijnen miniem is. De correlatiecoëfficiënten bevestigen, 0.827 en 0.8277 is een zeer klein verschil. Wegens dit klein verschil in correlatie kan zonder probleem de vergelijking van de lineaire trendlijn gebruikt worden (4.2). Op Figuur 4.8 staan cijfers die de werkwijze verduidelijken. (4.2) Eerst worden de maximale en de minimale omgevingstemperatuur uit de data gezocht. Deze worden op de lineaire ‘geplaatst’, dit zijn punten 1 en 2. Warmer dan deze lijn kan het paneel onder invloed van de omgeving niet worden. Deze waarden worden ingevuld in de trendlijn met algemene vergelijking waarin de omgevingstemperatuur voorstelt. De uitkomst van deze berekening van punt 1 en 2 zijn respectievelijk punt 3 en 4. Daarna wordt van punt 1 en 2 het gemiddelde berekend, alsook van punt 3 en 4, dit zijn (bij benadering) respectievelijk punt 6 en 5 op de figuur. De invloedfactor van de omgevingstemperatuur wordt nu berekend door de verhouding 5 op 6 te nemen.
64
Figuur 4.8: Paneeltemperatuur i.f.v. omgevingstemperatuur – methode
In Tabel 4-5 zijn de invloedfactoren opgenomen alsook de correlatiecoëfficiënten van de lineaire benaderingen zoals uit Figuur 4.8. De verhouding bedraagt 0.9940 voor de maand september voor deze open opstelling van de polykristallijne technologie. Wanneer dit voor alle maanden van deze opstelling wordt gedaan is het gemiddelde 0.9928 met een standaardafwijking 0.0017. De factor voor de omgevingstemperatuur zal uiteindelijk afgerond worden op 1. Dit is analoog aan de waarde in de formule die gevonden werd in de literatuur, zie vergelijking (2.14) op pagina 31 en verder in dit hoofdstuk vergelijking (4.4) op pagina 71. Tabel 4-5: Impact omgevingstemperatuur
Impact Tomgeving Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Factor 0,9940 0,9936 0,9951 0,9934 0,9951 0,9940 0,9909 0,9907 0,9905 0,9935 0,9922 0,9909
R² 0,8270 0,9560 0,9597 0,9234 0,9482 0,9218 0,8901 0,8954 0,8910 0,9342 0,7862 0,8903
Gem. Stdev
0,9928 0,0017
0,9019 0,0520
65
4.5.2.1.2. Impact instraling Om de impact van de instraling op de temperatuur van het paneel te evalueren wordt opnieuw een selectie van data gemaakt. Alle punten waarop er geen opbrengst is hebben nu geen invloed, deze worden verwijderd. De instraling heeft een dubbele invloed: de warmte door het deel van het spectrum dat niet geabsorbeerd wordt door de zonnecellen (vb. infrarood) zorgt voor opwarming van de cel, samen met de stroom die door de cel vloeit doordat er geproduceerd wordt. (Figuur 4.9)
Figuur 4.9: Gevoeligheid spectrum
Van deze selectie wordt de paneeltemperatuur uitgezet in functie van de instraling. Er wordt geëvalueerd voor een lineaire benadering en een polynoom. De correlatie van deze data is niet goed, de correlatiecoëfficiënten die te zien zijn op Figuur 4.10 zijn bij de betere van het jaar. Het gemiddelde van de correlatie van de lineaire benadering is 0.5424 met een standaardafwijking van 0.18 en voor de polynoom bedraagt deze 0.5645 met een standaardafwijking van 0.18, wat zeker niet schitterend is. Tabel 4-6: Impact instraling
Impact Instraling R² Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Lineair 0,6516 0,5432 0,2716 0,2457 0,2376 0,6125 0,7168 0,6821 0,6733 0,608 0,6373 0,6295
Polynoom 0,6757 0,5546 0,2748 0,3237 0,2444 0,6133 0,7181 0,7019 0,6976 0,6309 0,6746 0,6639
Gem. Verschil Stdev
0,5424 0,5645 0,0220 0,1807 0,1773
Factor Lineair 0,0241 0,0233 0,0260 0,0202 0,0158 0,0298 0,0311 0,0308 0,0258 0,0259 0,0252 0,0256 0,0253 0,0043
66
Het verschil in correlatie tussen de lineaire en de polynoom trendlijn is 0.022, er kan met de lineaire benadering verder gewerkt worden. Uit de algemene vergelijking is enkel de richtingscoëfficiënt belangrijk, de verschuivingsfactor is de oorzaak van de omgevingstemperatuur, die zorgt voor een basistemperatuur van het paneel. Voor de technologie en opstelling uit de figuur is de richtingscoëfficiënt 0.0241, deze factor geeft weer hoeveel de temperatuur van het paneel stijgt per W/m² instraling. Voor een instraling van 1000 W/m² is de temperatuur onder invloed van de zon dus 24°C bovenop de omgevingstemperatuur.
Paneeltemperatuur i.f.v. Instraling - Polykristallijn Open (Sept.) 325
320 y = 0,0241x + 289,72 R² = 0,6516 315
310 y = -2E-05x2 + 0,0409x + 287,75 R² = 0,6757
Tpaneel [K]
305
300
295
290
285
280
275 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Instraling [W/m²] Tpan ifv Instr
Lineair (Tpan ifv Instr)
Poly. (Tpan ifv Instr)
Figuur 4.10: Paneeltemperatuur i.f.v. instraling
In feite wordt bij het bepalen van de factor voor instraling een fout gemaakt, er wordt namelijk geen rekening gehouden met de omgevingstemperatuur. Uit Tabel 4-5 blijkt dat de basistemperatuur van het paneel zo goed als gelijk is aan de omgevingstemperatuur. Logisch gezien zal over het algemeen de omgevingstemperatuur hoger zijn wanneer er veel instraling is (mooi weer), dan wanneer er niet veel instraling is (slecht weer). De omgevingstemperatuur wordt in Figuur 4.10 niet in acht genomen waardoor de factor niet helemaal correct is. Figuur 4.11 geeft de omgevingstemperatuur weer in functie van de instraling. De correlatiecoëfficiënt (0.2476) geeft aan dat het verband niet geloofwaardig is, maar er zit toch een stijgende lijn in. Om de omgevingstemperatuur niet zomaar te negeren bij het bepalen van de impact van de instraling wordt de geselecteerde data gesorteerd volgens de omgevingstemperatuur van klein naar groot. De temperatuur van het paneel wordt opnieuw uitgezet in functie van de instraling, maar voor intervallen van 5K van de omgevingstemperatuur. Zo wordt in verschillende grafieken, voor verschillende intervallen van omgevingstemperatuur, de impact van de instraling op de paneeltemperatuur bepaald. Op die manier wordt de impact van de omgevingstemperatuur minder meegerekend.
67
Het eerste en het laatste interval zijn meestal iets groter of kleiner omdat het aantal data anders te weinig is om een betrouwbare grafiek te bekomen. De verschillende grafieken zijn te zien in Figuur 4.12.
Omgevingstemperatuur i.f.v. Instraling (Sept.) 40
35
30 y = 0,0088x + 16,475 R² = 0,2476
Tomgeving [K]
25
20
15
10
5
0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Instraling [W/m²] Tomg ifv Instr
Lineair (Tomg ifv Instr)
Figuur 4.11: Omgevingstemperatuur i.f.v. instraling
Impact Instraling: Tomgeving 283 - 288K
Impact Instraling: Tomgeving 288 - 293K
310
50
y = 0,0205x + 285,32 R² = 0,5852
305
45
y = 0,0167x + 17,835 R² = 0,6013
40
35
30 295
Tpaneel [K]
Tpaneel [K]
300
290
25
20
15
285
10 280
5
275
0 0
200
400
600
800
1000
1200
0
200
400
600
Instraling [W/m²] Impact Instr: Tomg 283-288K
800
1000
1200
1400
Instraling [W/m²]
Lineair (Impact Instr: Tomg 283-288K)
Impact Instr: Tomg 288-293K
Impact Instraling: Tomgeving 293 - 298K
Lineair (Impact Instr: Tomg 288-293K)
Impact Instraling: Tomgeving 298 - 310K
325
325
320
y = 0,0186x + 297,94 R² = 0,6393
y = 0,0179x + 294,5 R² = 0,6786
315
320
315
Tpaneel [K]
Tpaneel [K]
310
305
300
295
310
305
300
290 295 285 0
200
400
600
800
1000
Instraling [W/m²] Impact Instr: Tomg 293-298K
Lineair (Impact Instr: Tomg 293-298K)
1200
1400 290 0
200
400
600
800
1000
1200
Instraling [W/m²]
Figuur 4.12: Impact instraling - intervallen T omgeving
68
Uit de vergelijkingen van de lineaire trendlijnen blijkt dat de impact van de instraling ongeveer gelijk is, het gemiddelde van de richtingscoëfficiënten voor september (0.0205; 0.0167; 0.0179; 0.0186) bedraagt 0.01843. Het ligt lager dan de factor bepaald zonder intervallen voor de omgevingstemperatuur. Wat logisch te verklaren is aangezien de impact van de omgevingstemperatuur nu deels weg is. Bij de controle van de formule voor paneeltemperatuur worden beide factoren afgetoetst aan de werkelijk gelogde paneeltemperatuur. De formule wordt ingevuld met de factor die bepaald werd voor die maand. Later zal namelijk blijken dat in de instralingsfactoren een zeker patroon doorheen het jaar merkbaar is. Vandaar dat geen gemiddelde voor de volledige periode wordt gebruikt. Wanneer meer data ter beschikking is kan dit patroon verder onderzocht worden.
4.5.2.1.3. Impact windsnelheid In het gegevensbestand van de installatie wordt ook de windsnelheid gelogd. De impact van de snelheid van de wind is een moeilijke taak, alsook de selectie van data om dit te achterhalen. Omdat er geen gegevens zijn over de temperatuur, de vochtigheid en de richting van de wind wordt een dataselectie gemaakt van data van de totale onderzochte periode, over een volledig jaar. In Figuur 4.2 bleek immers al dat windsnelheid geen seizoenafhankelijke factor is. De data wordt zodanig geselecteerd dat de omgevingstemperatuur 25 tot 30°C bedraagt en de instraling vanaf 900 W/m² tot 1000 W/m². Dit zijn hoge waarden, dit is bewust omdat de impact van de windsnelheid zo sneller merkbaar zou zijn. Na deze selectie is er uiteindelijk weinig data over om de paneeltemperatuur in functie van de windsnelheid uit te zetten. Het resultaat is te zien op Figuur 4.13, het is meteen duidelijk dat er geen enkel verband is. De correlatie van de twee trendlijnen bevestigt dit.
Paneeltemperatuur i.f.v. Windsnelheid - Polykristallijn Open(Sept.'10-Aug.'11) 330
325
320
Tpaneel [K]
y = 0,1645x2 - 1,5479x + 316,9 R² = 0,0388 315 y = -0,3491x + 315,35 R² = 0,0168 310
305
300
295 0
2
4
6
8
10
12
Windsnelheid [m/s] Tpan ifv Windsnlhd
Lineair (Tpan ifv Windsnlhd)
Poly. (Tpan ifv Windsnlhd)
Figuur 4.13: Paneeltemperatuur i.f.v. windsnelheid
69
Aangezien uit de gelogde data geen enkel verband te halen valt, wordt in de literatuur naar een waarde gezocht die de impact van de windsnelheid uitdrukt. Uit paper [42] wordt gevonden dat de wind het paneel per meter per seconde zou afkoelen met 1.45°C. Deze waarde wordt bevestigd in een andere bron ([43]) en is te zien op Figuur 4.14. Deze figuur beeldt punten af die ook werden gemeten bij een instraling van 900-1000 W/m². De richtingscoëfficiënt van de trendlijn bedraagt -1.43, wat ook betekent dat de paneeltemperatuur 1.43°C daalt bij een windsnelheid van 1 m/s.
Figuur 4.14: Paneeltemperatuur i.f.v. windsnelheid [43]
Er wordt gekozen om een factor 1.45 in de eigen ontwikkelde formule in te vullen. Bij de vergelijking van de voorspelde resultaten en de werkelijke waarden wordt deze waarde geëvalueerd.
4.5.2.2. Formule met factoren bepaald uit data De waarden die bepaald werden uit de gelogde data, zoals hierboven wordt uitgelegd, worden gebruikt om één formule op te stellen. In vergelijking (4.3) wordt de instralingsfactor per maand ingevuld. Er worden hierbij twee factoren gecontroleerd, deze bepaald zonder intervallen en deze bepaald met intervallen voor de omgevingstemperatuur. De impact van de omgevingstemperatuur wordt afgerond naar 1. (4.3) Met
Paneeltemperatuur [K] Omgevingstemperatuur [K] Instraling [W/m²] Windsnelheid [m/s] Factor omgevingstemperatuur Factor instraling [K/(W/m²)] Factor windsnelheid [K/(m/s)]
Vergelijking (4.3) wordt gebruikt om de paneeltemperatuur te voorspellen in functie van de drie parameters die gelogd worden. De gelogde (actuele) waarden worden in functie van de voorspelde waarden uitgezet. Op die manier wordt een algemene vergelijking voor de voorspelling van de paneeltemperatuur bepaald die dan zal gebruikt worden in de algemene formule voor het vermogen.
70
4.5.2.3. Bestaande formule Zoals reeds vermeld bestaat er ook een formule die de celtemperatuur in functie van de omgevingstemperatuur, de NOCT en de instraling uitdrukt. De windsnelheid wordt hier niet meegerekend. Vergelijking (4.4) geeft deze formule weer. De NOCT is een parameter die technologie afhankelijk is en is te vinden in de datasheet van het betreffende zonnepaneel. (
Met
)
(4.4)
Cel temperatuur [K] Omgevingstemperatuur [K] Nominal Operating Cell Temperature [°C] Instraling [W/m²]
Merk op dat de NOCT op de datasheet is uitgedrukt in graden Celsius maar dat dit er in de formule niet toe doet aangezien het om een verschil gaat. De paneel- en omgevingstemperatuur worden in Kelvin uitgedrukt. In deze formule is de factor voor de omgevingstemperatuur ook gelijk aan 1.
4.5.3. Formule paneeltemperatuur Er zijn twee formules mogelijk om de temperatuur van het paneel te voorspellen. De formule met de factoren die uit de data afgeleid werden, waarbij de windimpact en de instralingsfactor nog gecontroleerd moeten worden, en de formule met de NOCT. In principe zijn de formules totaal verschillend, de ene wordt opgesteld op basis van reële data en de andere gebruikt een technologische parameter. Er worden telkens drie grafieken opgesteld, één zonder de windinvloed, één mét de windinvloed en één met de NOCT. Om te controleren welke formule de beste voorspelling doet worden de actuele waarden in functie van de voorspelde waarden uitgezet. Uit deze wolk van punten wordt het verband gezocht door middel van trendlijnen. Er worden drie trendlijnen geëvalueerd op basis van de correlatie. Het verwerkingsproces wordt hier stap voor stap uitgelegd met bijhorende grafieken en tabellen. Uiteraard zijn niet alle grafieken opgenomen, maar slechts enkele om de methode aan te geven. De vergelijking van alle factoren en correlatiecoëfficiënten wordt algemeen besproken voor de polykristallijne technologie in open opstelling van de maand september.
71
4.5.3.1. Controle formules (impact instraling zonder intervallen T o m g e v i n g ) In Figuur 4.15 wordt de actuele temperatuur in functie van de voorspelde paneeltemperatuur uitgezet. Er worden hierbij 3 trendlijnen geëvalueerd om te zien welk verband de beste oplossing is. Deze grafiek bevat gegevens die bepaald zijn enkel voor de maand september. De factor voor de omgevingstemperatuur ( ) is afgerond naar 1 (Tabel 4-5) en de factor voor de instraling ( ) 0.0241 (Tabel 4-6). De windfactor ( ) bedraagt hier 0 (zie vergelijking (4.3)). De gegevens van de trendlijnen van deze grafieken van de volledige periode staan verder in Tabel 4-7. Om tot deze gegevens te komen werd per maand de vergelijking gecontroleerd, de instralingsfactoren die gebruikt worden zijn opgenomen in Tabel 4-6.
act. Tpan vs voorsp. Tpan - ZONDER wind - Polykristallijn Open (Sept.) 340 y = 0,9916x R² = 0,8385
330
y = 0,8058x + 55,253 R² = 0,8856
Actuele Tpaneel [K]
320 y = -0,0097x2 + 6,6843x - 831,01 R² = 0,9029
310
300
290
280
270 280
290
300
310
320
330
340
Voorspelde Tpaneel [K] act. Tpan vs voorsp. Tpan - ZONDER wind
Poly. (act. Tpan vs voorsp. Tpan - ZONDER wind)
Lineair (act. Tpan vs voorsp. Tpan - ZONDER wind)
Lineair (act. Tpan vs voorsp. Tpan - ZONDER wind)
Figuur 4.15: Actuele T paneel i.f.v. voorspelde T pan eel - Zonder wind
Figuur 4.16 geeft het verband weer mét windfactor. De factoren voor omgevingstemperatuur en instraling zijn gelijk aan deze zoals in Figuur 4.15, nu wordt echter ook de windfactor ingevuld (zie vergelijking (4.3)). Hier wordt duidelijk dat de correlatie in elk geval lager is dan wanneer deze factor niet wordt meegerekend. Alle resultaten van deze grafieken van de volledige periode staan verder in Tabel 4-8.
72
act. Tpan vs voorsp. Tpan - MET wind - Polykristallijn Open (Sept. 2010) 340 y = 1,0012x R² = 0,7657
330
y = 0,8074x + 57,07 R² = 0,8126
Actuele Tpaneel [K]
320 y = -0,0065x2 + 4,6769x - 521,12 R² = 0,8202 310
300
290
280
270 270
280
290
300
310
320
330
340
Voorspelde Tpaneel [K] act. Tpan vs voorsp. Tpan - MET wind
Poly. (act. Tpan vs voorsp. Tpan - MET wind)
Lineair (act. Tpan vs voorsp. Tpan - MET wind)
Lineair (act. Tpan vs voorsp. Tpan - MET wind)
Figuur 4.16: Actuele T paneel i.f.v. voorspelde T pan eel - Met wind
Bij gebruik van de formule met de technologische factor NOCT is het verband weergegeven in Figuur 4.17. Hier is de correlatie voor de trendlijn door de oorsprong heel wat minder dan de vorige formules, maar de lineaire benadering die niet door de oorsprong gaat en de polynoom zijn evenwaardig aan de correlaties bij de formule zonder wind. Alle gegevens van deze grafieken van de volledige periode staan verder in Tabel 4-9.
act. Tpan vs voorsp. Tpan - NOCT- Polykristallijn Open (Sept. 2010) 340 y = 0,9846x R² = 0,6644 330 y = 0,6618x + 96,676 R² = 0,8722
Actuele Tpaneel [K]
320
310
y = -0,008x2 + 5,5659x - 650,47 R² = 0,8954
300
290
280
270 270
280
290
300
310
320
330
340
350
Voorspelde Tpaneel [K] act. Tpan vs voorsp. Tpan - NOCT
Lineair (Reeks1)
Lineair (act. Tpan vs voorsp. Tpan - NOCT)
Poly. (act. Tpan vs voorsp. Tpan - NOCT)
Figuur 4.17: Actuele T paneel i.f.v. voorspelde T pan eel – NOCT
73
De trendlijnen die onderzocht worden beschrijven elk het verband op een andere manier. Om te weten welke trend nu het best de formule uitdrukt om de paneeltemperatuur te voorspellen werd voor deze technologie in de open opstelling de volledige periode onderzocht. Alle resultaten zijn terug te vinden in de volgende tabellen. In de tabel staan de belangrijkste gegevens van de drie trendlijnen. De algemene vergelijkingen worden meegegeven om de tabellen vlotter te kunnen lezen. Tussen de haken staat de subtitel waaronder ze staan in de tabel gevolgd door de gegevens die opgenomen zijn in de tabellen.
(Door oorsprong – a en R²)
(Niet door oorsprong – a, b en R²)
(Niet door oorsprong – R²)
Van alle factoren wordt het gemiddelde en de standaardafwijking berekend over de volledige periode. Op basis van die gemiddelden en standaardafwijkingen worden beslissingen genomen. Van de polynoom werd enkel de correlatiecoëfficiënt opgenomen, anders wordt de tabel te druk. De correlatiecoëfficiënten van de drie verschillende trendlijnen zijn telkens in een andere kleur aangeduid. Dit om het vergelijken met andere tabellen sneller en eenvoudiger te maken.
74
Tabel 4-7: Gegevens trendlijnen - zonder windfactor Zonder wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9916 0,8385 0,9910 0,8725 0,9935 0,9127 0,9928 0,8510 0,9948 0,9320 0,9917 0,8635 0,9816 0,8371 0,9816 0,8503 0,9880 0,8606 0,9896 0,8321 0,9900 0,7870 0,9923 0,8476
a 0,8058 0,8279 0,9559 1,0142 1,0854 0,8066 0,7453 0,7611 0,8205 0,7842 0,7726 0,8360
Niet door oorsprong b R² 55,2530 0,8856 47,6670 0,9078 10,6610 0,9141 -5,9070 0,8514 -25,4240 0,9386 52,5890 0,9115 69,1660 0,9308 66,4480 0,9285 50,1660 0,8981 61,5990 0,8935 64,9940 0,8548 46,8940 0,8783
Gem. Stdev
0,9899 0,0043
0,8513 0,1079
41,1755 30,8576
0,8571 0,0375
0,8994 0,0282
R² polynoom 0,9029 0,9172 0,9260 0,8533 0,9471 0,9295 0,9390 0,9382 0,9145 0,9117 0,8760 0,9001 0,9130 0,0272
Tabel 4-8: Gegevens trendlijnen - met windfactor Met wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 1,0012 0,7657 1,0009 0,8071 1,0028 0,6070 1,0011 0,5281 1,0064 0,5617 1,0036 0,4485 0,9926 0,7038 0,9907 0,8307 0,9997 0,7962 1,0016 0,7464 1,0009 0,6793 1,0026 0,7462
a 0,8074 0,8251 0,7923 0,7278 0,8693 0,6330 0,6994 0,7752 0,7990 0,7625 0,7360 0,8019
Niet door oorsprong b R² 57,0700 0,8126 50,8740 0,8455 59,1720 0,6531 74,8990 0,6148 38,0210 0,5761 104,0500 0,6826 84,8780 0,8542 64,3360 0,9004 59,3800 0,8499 70,8420 0,8280 78,3440 0,7806 59,6020 0,7962
Gem. Stdev
1,0003 0,0044
0,7691 0,0628
66,7890 17,2607
0,6851 0,1224
0,7662 0,1066
R² polynoom 0,8202 0,8457 0,6589 0,6616 0,5789 0,6943 0,8544 0,9061 0,8547 0,8314 0,7813 0,8002 0,7740 0,1009
Tabel 4-9: Gegevens trendlijnen - NOCT NOCT
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9846 0,6644 0,9863 0,7748 0,9917 0,8646 0,9902 0,7244 0,9897 0,7360 0,9908 0,8253 0,9805 0,8155 0,9799 0,8263 0,9813 0,7510 0,9838 0,7119 0,9841 0,6340 0,9866 0,7385
a 0,6618 0,7093 0,8663 0,7848 0,7548 0,7656 0,7265 0,7372 0,7032 0,6836 0,6563 0,7129
Niet door oorsprong b R² 96,6760 0,8722 80,8190 0,9145 35,6480 0,8831 56,9310 0,7777 66,2380 0,8149 64,0370 0,9035 74,4580 0,9294 73,2570 0,9270 83,8660 0,8906 90,5890 0,8825 98,6210 0,8452 82,6330 0,8665
Gem. Stdev
0,9858 0,0041
0,7302 0,0582
75,3144 17,8777
0,7556 0,0690
0,8756 0,0452
R² polynoom 0,8954 0,9284 0,9079 0,7892 0,8822 0,6249 0,9380 0,9372 0,9112 0,9032 0,8713 0,8943 0,8736 0,0877
75
Uit deze tabellen wordt duidelijk dat de correlatiecoëfficiënt voor iedere trendlijn in Tabel 4-8 (met windfactor) beduidend lager is dan in de andere twee tabellen. Een belangrijke conclusie is dat meenemen van de windsnelheid in de formule zorgt voor minder betrouwbare waarden. In de algemene formule zal deze factor dan ook niet ingevuld worden. De correlatiecoëfficiënten voor de formule zonder windfactor en deze met de NOCT zijn voor de lineaire trendlijn niet door de oorsprong en de polynoom gelijkaardig. Enkel deze van de lineaire trendlijn door de oorsprong vertoont een groter verschil. Er wordt een diepgaander onderzoek uitgevoerd tussen vergelijking (4.3) zonder windinvloed, en (4.4) met NOCT. Voor de lineaire trendlijn die niet door de oorsprong gaat wordt de gemiddelde verschuivingsfactor gebruikt, met andere woorden het snijpunt met de y-as wordt op een vaste waarde geforceerd. In feite moet de richtingscoëfficiënt van de trendlijn ook naar de gemiddelde waarde geforceerd worden, maar dit is niet mogelijk. Uit de resultaten in Tabel 4-10, Tabel 4-11 en Tabel 4-12 blijkt wel dat de standaardafwijking tussen alle richtingscoëfficiënten zodanig klein is dat het gemiddelde uiteindelijk een zeer goede benadering zou zijn. De resultaten van de lineaire trendlijn door de oorsprong en de polynoom zijn dezelfde als hierboven in de tabellen. Deze vaste waarden voor de richtingscoëfficiënt en de verschuivingsfactor kunnen gebruikt worden om het verband tussen de voorspelde en de actuele paneeltemperaturen uit te drukken. Deze factoren zullen hoogstwaarschijnlijk verschillend zijn per technologie en opstelling. Tabel 4-10: Gegevens trendlijnen - Zonder windfactor – vaste b Zonder wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9916 0,8385 0,9910 0,8725 0,9935 0,9127 0,9928 0,8510 0,9948 0,9320 0,9917 0,8635 0,9816 0,8371 0,9816 0,8503 0,9880 0,8606 0,9896 0,8321 0,9900 0,7870 0,9923 0,8476
a 0,8531 0,8501 0,8484 0,8438 0,8480 0,8468 0,8409 0,8449 0,8505 0,8523 0,8523 0,8551
Niet door oorsprong b R² 41,1755 0,8826 41,1755 0,9071 41,1755 0,9025 41,1755 0,8273 41,1755 0,8936 41,1755 0,9093 41,1755 0,9154 41,1755 0,9172 41,1755 0,8969 41,1755 0,8867 41,1755 0,8457 41,1755 0,8779
Gem. Stdev
0,9899 0,0043
0,8489 0,0042
0,8885 0,0275
0,8571 0,0375
R² polynoom 0,9029 0,9172 0,9260 0,8533 0,9471 0,9295 0,9390 0,9382 0,9145 0,9117 0,8760 0,9001 0,9130 0,0272
Uit Tabel 4-7 blijkt dat de verschuivingsfactor van de lineaire trendlijn voor december en januari als enige van de volledig periode negatief zijn. Het gemiddelde, gebruikt bij de berekening van Tabel 4-10, is berekend voor de volledige periode. In Tabel 4-11 wordt het gemiddelde berekend zonder deze maanden, zodat de invloed ervan niet meegerekend wordt.
76
Tabel 4-11: Gegevens trendlijnen - zonder windfactor (zonder dec en jan) Zonder wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9916 0,8385 0,9910 0,8725 0,9935 0,9127 0,9928 0,8510 0,9948 0,9320 0,9917 0,8635 0,9816 0,8371 0,9816 0,8503 0,9880 0,8606 0,9896 0,8321 0,9900 0,7870 0,9923 0,8476
a 0,8149 0,8112 0,8083 0,8027 0,8075 0,8068 0,8021 0,8072 0,8126 0,8144 0,8142 0,8172
Niet door oorsprong b R² 52,5437 0,8855 52,5437 0,9074 52,5437 0,8923 52,5437 0,8143 52,5437 0,8770 52,5437 0,9115 52,5437 0,9254 52,5437 0,8251 52,5437 0,8980 52,5437 0,8921 52,5437 0,8523 52,5437 0,8779
Gem. Stdev
0,9899 0,0043
0,8099 0,0049
0,8799 0,0338
0,8571 0,0375
R² polynoom 0,9029 0,9172 0,9260 0,8533 0,9471 0,9295 0,9390 0,9382 0,9145 0,9117 0,8760 0,9001 0,9130 0,0272
Tabel 4-12: Gegevens trendlijnen - NOCT NOCT
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9846 0,6644 0,9863 0,7748 0,9917 0,8646 0,9902 0,7244 0,9897 0,7360 0,9908 0,8253 0,9805 0,8155 0,9799 0,8263 0,9813 0,7510 0,9838 0,7119 0,9841 0,6340 0,9866 0,7385
a 0,7331 0,7282 0,7268 0,7185 0,7227 0,7260 0,7235 0,7304 0,7315 0,7342 0,7338 0,7371
Niet door oorsprong b R² 75,3144 0,8621 75,3144 0,9183 75,3144 0,8602 75,3144 0,7721 75,3144 0,8135 75,3144 0,9011 75,3144 0,9294 75,3144 0,9270 75,3144 0,8891 75,3144 0,8777 75,3144 0,8334 75,3144 0,8655
Gem. Stdev
0,9858 0,0041
0,7288 0,0055
0,8708 0,0475
0,7556 0,0690
R² polynoom 0,8954 0,9284 0,9079 0,7892 0,8822 0,9249 0,9380 0,9372 0,9112 0,9032 0,8713 0,8943 0,8986 0,0403
Uit deze tabellen blijkt dat de formule waarbij de factor voor instraling zelf bepaald werd een beter resultaat oplevert ten opzichte van de formule met de NOCT. Vooral de trendlijn die door de oorsprong gaat geeft een opmerkelijk beter resultaat. De waarden staan samengevat in Tabel 4-13. De formule waarbij de factor van de windsnelheid wordt ingevuld met de waarde uit de literatuur blijkt een negatieve invloed te hebben op de resultaten, waardoor de windsnelheid niet kan gebruikt worden. De formule zonder windsnelheid geeft de betere resultaten voor de lineaire trendlijn door de oorsprong in vergelijking met de formule met de NOCT, voor de andere twee zijn de resultaten gelijkaardig. De polynoom geeft de beste correlatie, maar het verschil met de lineaire trendlijn (niet door de oorsprong) is niet zo groot. Om de formule niet nodeloos moeilijk te maken zou in deze situatie de keuze gemaakt worden tussen de twee lineaire benaderingen. Uit de tabel wordt ook duidelijk dat bij gebruik van een gemiddelde (vaste) verschuivingsfactor de correlatie zo goed als gelijk blijft in beide gevallen.
77
Tabel 4-13: Samenvatting correlatiecoëfficiënten
R² Met windfactor Zonder windfactor Zonder windfactor NOCT NOCT
b = 41,1755 b = 52,5437 b = 75,3144
lineair (0) 0,685 0,857 0,857 0,857 0,756 0,756
lineair 0,766 0,899 0,889 0,880 0,876 0,871
polynoom 0,774 0,913 0,913 0,913 0,899 0,899
Uit een aantal steekproeven met andere technologieën in verschillende opstellingen blijkt, dat gemiddeld het verschil in correlatie tussen de twee lineaire trendlijnen ongeveer 0.05 bedraagt. Indien bij gebruik van de andere instralingsfactoren geen betere correlaties gevonden worden moet hier de keuze gemaakt worden of dit verschil groot genoeg is om te kiezen voor twee extra factoren in de algemene formule.
4.5.3.2. Controle formule (impact instraling met intervallen T o m g e v i n g ) Er moet nu nog één ding onderzocht worden, namelijk de factor (instraling) die met de methode met intervallen van omgevingstemperatuur bepaald wordt. Enkel vergelijking (4.3) verandert hierdoor, er wordt enkel nog onderzocht of dit tot betere correlaties leidt voor de formule zonder windfactor aangezien al bleek dat deze formule de betere resultaten gaf. De intervallen bestrijken telkens 5K van de omgevingstemperatuur. Eerst wordt voor iedere maand de factor per interval bepaald, van de factoren van alle intervallen wordt dan het gemiddelde berekend per maand. Merk op dat niet voor iedere maand evenveel intervallen mogelijk zijn daar het temperatuurbereik nooit even groot is. Opvallend is dat de gemiddelde factor over het jaar lager is dan de vorige, namelijk 0.0195 in vergelijking met 0.0253 (Tabel 4-6). Alle resultaten staan in Tabel 4-14. Tabel 4-14: Factor instraling met intervallen T omgev ing
y Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug Gem. Stdev
Interval 1 0,0205 0,0180 0,0207 0,0130 0,0200 0,0206 0,0432 0,0331 0,0340 0,0276 0,0261 0,0233
Interval 2 0,0167 0,0170 0,0176 0,0083 0,0127 0,0214 0,0262 0,0243 0,0271 0,0185 0,0212 0,0216
Interval 3 0,0179 0,0118 0,0161 0,0206 0,0144 0,0199 0,0183 0,0178 0,0193 0,0157 0,0158 0,0173
Interval 4 0,0186 0,0167 0,0193
0,0254 0,0195 0,0214 0,0173 0,0169 0,0159 0,0178
Interval 5
Interval 6
0,0191
0,0230 0,0197 0,0202 0,0145 0,0162 0,0205
0,0255 0,0194 0,0189 0,0167
Gem. 0,0184 0,0165 0,0184 0,0140 0,0157 0,0218 0,0260 0,0226 0,0228 0,0183 0,0190 0,0201 0,0195 0,0034
Ook de totale gemiddelde correlatiecoëfficiënt bij deze bepaling wordt vergeleken met de vorige en deze blijkt iets hoger te liggen dan hiervoor, namelijk 0.5769 tegenover 0.5424. Dit is af te leiden uit Tabel 4-6 en Tabel 4-15.
78
Tabel 4-15: R²-waarden factor instraling met intervallen T omgeving
R² Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Interval 1 0,5852 0,2517 0,3138 0,2515 0,4113 0,1976 0,7221 0,6458 0,8575 0,7210 0,6223 0,6647
Interval 2 0,6013 0,5914 0,4197 0,0719 0,4803 0,5574 0,7199 0,7075 0,7981 0,6220 0,6440 0,6691
Interval 3 0,6786 0,4828 0,4749 0,6471 0,6158 0,7442 0,6650 0,5581 0,6693 0,6074 0,5038 0,5809
Interval 4 0,6393 0,6452 0,7727
0,8331 0,6403 0,7445 0,6514 0,6182 0,5351 0,6110
Interval 5
Gem.
Interval 6
0,6261 0,5250 0,4953 0,3235 0,5025 0,5831 0,7264 0,6489 0,6777 0,6066 0,5516 0,6564
0,6541
0,8017 0,7343 0,6766 0,5926 0,4530 0,7561
0,8095 0,5033 0,4133 0,4786
Gem. Stdev
0,5769 0,1075
De factor voor instraling die per maand werd bepaald wordt in de algemene formule ingevuld. Concreet wordt vergelijking (4.3) ingevuld tot vergelijking (4.5) voor de maand september. (4.5) De resultaten voor deze formule zijn in Tabel 4-16 weergegeven. Opvallend is dat de correlatiecoëfficiënt van de trendlijn door de oorsprong zeer dicht komt bij deze niet door de oorsprong. Eerder werd al vermeld dat het verschil met de polynoom te klein is om te kiezen voor deze benadering. De eenvoudigste benadering ( ) geeft hier vergelijkbare resultaten. De correlatie bedraagt voor deze technologie (open) 0.8992 met een standaardafwijking van 0.0283 en de richtingscoëfficiënt heeft een waarde van 0.9938 met een standaardafwijking van 0.0017. Dit wil zeggen dat de formule (4.5) een zeer goede voorspelling doet van de paneeltemperatuur op basis van de omgevingstemperatuur en de instraling. Tabel 4-16: Gegevens met instralingsfactor uit intervallen T omgeving Zonder wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 0,9964 0,8861 0,9956 0,9180 0,9956 0,9358 0,9941 0,8613 0,9948 0,9322 0,9945 0,9291 0,9856 0,8973 0,9897 0,9205 0,9910 0,8868 0,9962 0,8927 0,9949 0,8486 0,9968 0,8821
a 0,9360 0,9694 1,0650 1,1498 1,0876 0,9487 0,8216 0,8954 0,8843 0,9101 0,9002 0,9610
Niet door oorsprong b R² 17,8570 0,8898 7,6231 0,9186 -19,6530 0,9398 -42,9770 0,8774 -26,0300 0,9391 13,0010 0,9313 47,8090 0,9346 28,1650 0,9308 31,8520 0,8999 19,6900 0,8972 28,1700 0,8581 10,6760 0,8834
Gem. Stdev
0,9938 0,0033
0,9608 0,0950
9,6819 26,4930
0,8992 0,0283
0,9083 0,0276
R² polynoom 0,9026 0,9241 0,9419 0,8774 0,9473 0,9388 0,9413 0,9383 0,9144 0,9135 0,8752 0,9002 0,9179 0,0251
79
4.5.3.3. Besluit De eigen opgestelde formule (4.3), waarbij de factor voor de instraling bepaald wordt aan de hand van intervallen voor de omgevingstemperatuur en de windfactor niet wordt meegerekend, geeft de beste resultaten. De verbetering van de factoren is samengevat in Tabel 4-17, het verschil tussen de lineaire trendlijnen is miniem, waardoor gekozen wordt voor deze door de oorsprong. Tabel 4-17: Verbeterde resultaten (intervallen T omgev ing )
R² Zonder intervallen zonder windfactor Met intervallen
lineair (0) 0,860 0,899
lineair 0,891 0,908
polynoom 0,900 0,918
De formule dient niet meer aangepast te worden met extra parameters aangezien de benadering met trendlijn zeer goede resultaten geeft, waarbij naar 1 wordt afgerond. Stel dat een andere trendlijn tot een opvallend beter resultaat leidde, dan zouden extra factoren toegevoegd moeten worden, die hoogstwaarschijnlijk technologie en/of opstelling afhankelijk zouden zijn. In Tabel 4-13 werd duidelijk dat het verschil met de formule met de NOCT redelijk groot is bij gebruik van deze trendlijn. Maar het zijn twee verschillende formules die gebruik maken van andere gegevens om de impact van de instraling te voorspellen. Indien er geen data ter beschikking is waarmee de factor bepaald kan worden is deze formule een goede benadering.
80
4.5.4. Formule vermogen 4.5.4.1. Formules en resultaten Om nu het vermogen te voorspellen aan de hand van technologische en klimatologische gegevens wordt in de literatuur vergelijking (4.6) gevonden. [44] Merk op dat de paneeltemperatuur hier in graden Celsius wordt uitgedrukt en niet meer in Kelvin. Dit heeft te maken met de sensitiviteitsanalyse, waar de procentuele veranderingen niet correct zouden zijn bij gebruik van Kelvin (zie 4.6. ). ( Met
)
[
(
)]
(4.6)
Ogenblikkelijk DC-vermogen [W] Rendement zonnepaneel [%] Oppervlakte per kWp [m²] Transmissie-absorptie coëfficiënt Ogenblikkelijke instraling [W/m²] Temperatuurcoëfficiënt op PMPP [%/°C] Ogenblikkelijke paneeltemperatuur [°C] Referentietemperatuur paneel bij STC [°C]
Deze formule wordt aangepast met de formule die bepaald werd voor de paneeltemperatuur. De uiteindelijke formule die zal geëvalueerd worden met de beschikbare data wordt opgesteld in vergelijking (4.7). ( Met
)
[
((
)
)]
(4.7)
Ogenblikkelijke omgevingstemperatuur [°C] Impact instraling [°C/(W/m²)]
De formule met de NOCT wordt ook ingevuld in de formule van het vermogen. Indien geen specifieke data ter beschikking is moet immers met deze formule gewerkt worden. Formule (4.8) omvat de totale vergelijking voor het vermogen, met de paneeltemperatuur in functie van de NOCT.
(
Met
)
[
((
(
)
)
)]
(4.8)
Nominal Operating Cell Temperature [°C] Referentietemperatuur NOCT [°C] Referentie-instraling NOCT [W/m²]
De technologische parameters van de polykristallijne technologie staan in Tabel 4-18 (zie ook Tabel 3-1). Belangrijk is dat de temperatuurcoëfficiënt van het MPP vermogen als een negatief getal in de formule wordt ingevuld. Per technologie dienen de specifieke technologische factoren ingevuld te worden. De factoren voor instraling zijn deze die per maand werden bepaald via de methode van intervallen voor de omgevingstemperatuur. Verder worden de ogenblikkelijke waarden ingevuld in de formule.
81
Tabel 4-18: Technologische gegevens polykristallijn open
Parameter [%] [ ]
Waarde 13.9 7.2 0.9 -0.0045 46
[ ⁄ ] NOCT
Merk op dat de transmissie-absorptie factor een standaardwaarde is. Er werd bij één fabrikant (Sanyo) een waarde verkregen voor de transmissiefactor van de gebruikte glasplaat. Deze had een waarde van 92%. Omdat van de andere fabrikanten geen waarden bekend zijn, wordt algemeen met deze standaardwaarde gewerkt van 90%. Verder wordt verwezen naar paragraaf 3.5. voor meer informatie. Deze formules worden op dezelfde manier onderzocht als de formule voor de paneeltemperatuur. De actuele waarden worden uitgezet in functie van de voorspelde waarden. Door deze punten worden opnieuw drie trendlijnen geplot. Figuur 4.18 en Figuur 4.19 geven respectievelijk de resultaten voor vergelijking (4.7) en (4.8). Grafisch ziet het resultaat er goed uit. De punten liggen lineair met slechts enkele uitschieters ten opzichte van het totaal aantal punten. Er staan namelijk exact 3564 punten op deze grafieken.
Act. P vs voorsp. P - ZONDER wind - Polykristallijn Open (Sept. 2010) 1200 y = 1,0286x R² = 0,9541 1000 y = 1,0639x - 16,523 R² = 0,9559 800
Actueel P [W]
y = -0,0002x2 + 1,1839x - 28,788 R² = 0,9568 600
400
200
0 0
200
400
-200
600
800
1000
1200
Voorspeld P [W] Act. P ifv voorsp. P - ZONDER wind
Lineair (Act. P ifv voorsp. P - ZONDER wind)
Lineair (Act. P ifv voorsp. P - ZONDER wind)
Poly. (Act. P ifv voorsp. P - ZONDER wind)
Figuur 4.18: Actueel P i.f.v. voorspeld P - Zonder windfactor
82
Act. P vs voorsp. P - NOCT - Polykristallijn Open (Sept. 2010) 1200 y = 1,0781x R² = 0,9531 1000
800
Actueel P [W]
y = 1,1321x - 23,904 R² = 0,9567
600 y = -6E-05x2 + 1,1755x - 28,155 R² = 0,9568 400
200
0 0
100
200
300
-200
400
500
600
700
800
900
1000
Voorspeld P [W] Act. P ifv Voorsp. P - NOCT
Lineair (Act. P ifv Voorsp. P - NOCT)
Lineair (Act. P ifv Voorsp. P - NOCT)
Poly. (Act. P ifv Voorsp. P - NOCT)
Figuur 4.19: Actueel P i.f.v. voorspeld P – NOCT
Tabel 4-19 en Tabel 4-20 geven alle resultaten weer voor de volledige periode. Ook hier valt uit de correlatiecoëfficiënten en de richtingsfactor van de lineaire trendlijn door de oorsprong op te maken dat deze benadering zeker even goed is als de andere twee. Aan de hand van de richtingscoëfficiënt is makkelijk te zien hoeveel de fout van de trendlijn bedraagt. Ideaal zou deze waarde 1 moeten zijn. Dan wordt de vergelijking van de trendlijn , met andere woorden dan zijn voorspelde waarde en actuele waarde volgens de trendlijn perfect gelijk. Deze trendlijn is slechts een benadering van alle punten samen, maar is zeker een goede maatstaf. Tabel 4-19: Resultaten formule vermogen - zonder windfactor Zonder wind
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 1,0286 0,9541 1,0602 0,9120 0,9336 0,8610 0,6089 0,5144 1,0781 0,9325 1,0515 0,9542 1,1217 0,9676 1,0896 0,9799 1,0442 0,9623 1,0159 0,9589 1,0043 0,9508 1,0046 0,9533
a 1,0639 1,0913 1,0420 0,6792 1,1806 1,1539 1,1713 1,1173 1,0638 1,0369 1,0306 1,0287
Niet door oorsprong b R² -16,5230 0,9559 -12,9540 0,9133 -22,6520 0,8805 -15,1980 0,5262 -27,3360 0,9489 -27,7240 0,9707 -22,1470 0,9704 -13,8280 0,9808 -10,3630 0,9629 -10,2800 0,9596 -11,8780 0,9519 -10,8460 0,9542
Gem. Stdev
1,0034 0,1320
1,0550 0,1306
-16,8108 4,5168
0,9084 0,1223
0,9146 0,1210
R² polynoom 0,9568 0,9133 0,8882 0,5660 0,9542 0,9717 0,9707 0,9818 0,9341 0,9613 0,9531 0,9557 0,9172 0,1099
83
Tabel 4-20: Resultaten formule vermogen - NOCT NOCT
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Door oorpsrong a R² 1,0781 0,9531 1,108 0,9104 0,9522 0,8565 0,6228 0,5094 1,1087 0,9285 1,074 0,9511 1,1435 0,9671 1,1271 0,9796 1,0825 0,9624 1,0701 0,9586 1,0529 0,9499 1,0482 0,953
a 1,1321 1,1546 1,071 0,6996 1,2233 1,1874 1,2004 1,1672 1,1146 1,1099 1,0984 1,0897
Gem. Stdev
1,0390 0,1398
1,1040 0,1358
0,9066 0,1271
Niet door oorsprong b R² -23,904 0,9567 -18,349 0,913 -24,104 0,8782 -16,046 0,5223 ,29-39 0,9473 -29,814 0,97 -24,894 0,9707 -19,218 0,9814 -16,253 0,9636 -18,305 0,9607 -19,329 0,9528 -17,467 0,9553 -20,6985 6894,1037
0,9143 0,1256
R² polynoom 0,9568 0,9134 0,8879 0,5635 0,9542 0,9718 0,9707 0,9817 0,9641 0,961 0,9529 0,9557 0,9195 0,1135
Voor de formule die met de NOCT rekent bedraagt de gemiddelde richtingscoëfficiënt 1.0390 (Tabel 4-20), wat wil zeggen dat volgens de trendlijn de voorspelde waarden 3.9% lager zijn dan de actuele waarden. Bij de andere formule bedraagt deze 1.0034 (Tabel 4-19), waardoor de voorspelde waarden volgens de trendlijn 0.34% lager liggen dan de actuele waarden. Merk op dat hier de waarden voor de maand december zijn meegerekend voor het jaargemiddelde en de standaardafwijking over de volledige periode. Later zullen deze waarden niet meegerekend worden omdat ze te veel afwijken.
4.5.4.2. Besluit De berekende waarden zijn enkel geldig voor de polykristallijne technologie in vaste open opstelling. Voor de andere technologieën/opstellingen zullen deze waarden anders zijn. In Tabel 4-21 staan de resultaten van de correlatiecoëfficiënten en de standaardafwijkingen nog eens samengevat van de lineaire trendlijnen. Het is duidelijk dat de lineaire trendlijn door de oorsprong even goede resultaten geeft als de andere. Tabel 4-21: Resultaten correlatie formule vermogen
Gem. Stdev
Zonder wind lineair (0) lineair 0,9084 0,9146 0,1223 0,1210
NOCT lineair (0) lineair 0,9066 0,9143 0,1271 0,1256
De formule met de NOCT geeft uiteindelijk goede resultaten voor het vermogen, de gemiddelde correlaties zijn zo goed als gelijk aan die van de formule zonder wind. Dit is logisch aangezien de paneeltemperatuur geen gigantisch grote impact heeft op het opgewekt vermogen. Hiervoor wordt verwezen naar de sensitiviteitsanalyse op de formule in 4.6.
84
4.6. Sensitiviteitsanalyse 4.6.1. Inleiding De algemene formule voor het voorspellen van de ogenblikkelijke opbrengst hangt af van een aantal factoren. Deze factoren hebben elk hun impact op het uiteindelijke vermogen. Wanneer een factor een andere waarde aanneemt zal bijgevolg het vermogen ook een andere waarde aannemen. Om de invloed van iedere factor te kennen wordt een sensitiviteitsanalyse op de formule toegepast. Aangezien de windinvloed niet wordt meegerekend in de voorspellingen, wordt deze weggelaten uit de formule. Vergelijking (4.9) is de algemene formule waarop de analyse gedaan werd. (
)
[
({
}
)]
(4.9)
Elke parameter wordt één voor één variabel gemaakt in deze formule, de andere factoren worden constant gehouden. De constante waarden van de factoren zijn af te lezen in Tabel 4-22. Tabel 4-22: Constante waarden parameters
Parameter
[
Constante waarde 0.15 10 0.9 135 -0.0035 1 20 0.025
]
[W/m²] [ ⁄ ] [°C]
De analyse wordt opgesplitst in drie delen:
,
en
hebben dezelfde impact, de instraling
heeft een
dubbele impact en tot slot wordt de paneeltemperatuur geanalyseerd. De variabele factor wordt meestal onderzocht van nul (-100%) tot het dubbele van zijn constante waarde (+100%). Vandaar dat de temperatuur hier opnieuw in graden Celsius wordt ingevuld, indien in Kelvin gewerkt wordt kloppen de procentuele waarden niet.
85
4.6.2. Impact , De impact van ,
en
en is gelijk, deze hebben een directe invloed op het vermogen (zie vergelijking (4.9)).
De verandering van deze factoren zorgt voor een gelijke verandering van het vermogen. Voor de volledigheid werd in Figuur 4.20 grafisch de impact van de factoren afgebeeld. De procentuele verandering van een van deze factoren zorgt voor een identieke procentuele verandering van het ogenblikkelijke vermogen.
Impact η, AkWp en τα op P 100%
80%
60%
% verandering P
40%
-100%
20%
0%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-20%
-40%
-60%
-80%
-100%
% verandering Factor
Figuur 4.20: Impact ,
en
op P
4.6.3. Impact Zoals uit de formule is af te leiden heeft de instraling een dubbele impact, namelijk een rechtstreekse impact op de opbrengst, maar ook via de temperatuur van het paneel. Op Figuur 4.21 is de procentuele verandering van de opbrengst ten opzichte van de verandering van de instraling weergegeven. De constante waarde voor de instraling is 135W/m², dit is een richtwaarde voor de gemiddelde instraling voor de kuststreek in België [5]. De impact van de instraling wordt op de x-as uitgezet van 0 tot 1000 W/m². De verandering van de instraling wordt hier niet procentueel uitgedrukt omdat deze factor eigenlijk geen echte constante waarde heeft. De curve buigt af naarmate de instraling hoger wordt, dit is de impact op de paneeltemperatuur die belangrijker wordt.
86
Impact E op P 600%
500%
% verandering P
400%
300%
200%
100%
0% 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-100%
E [W/m²]
Figuur 4.21: Impact E op P
4.6.4. Impact paneeltemperatuur De paneeltemperatuur wordt eerst algemeen geanalyseerd, vergelijking (4.9) wordt daartoe vereenvoudigd naar (4.10). De procentuele waarden worden berekend ten opzichte van 25°C, deze paneeltemperatuur heeft namelijk geen impact op de opbrengst in deze formule aangezien de referentietemperatuur 25°C is. (
)
[
(
)]
(4.10)
Voor de grafische weergave van de paneeltemperatuur wordt een uitzondering gemaakt, nu wordt de factor weergegeven voor een procentuele daling tot 140% (-10°C) en een procentuele stijging tot 160% (65°C). Dit omdat in de werkelijke metingen de minimale en de maximale paneeltemperatuur maar net onder deze grenzen vallen. Uit Figuur 4.22 wordt duidelijk dat de worst-case gevallen, een verandering van de paneeltemperatuur van -140% en +160%, respectievelijk een impact hebben op de opbrengst van +12% en -14%. De technologische factor is voor één bepaalde technologie een constante, deze curve geeft in feite het verschil in opbrengst tussen technologieën die een verschillende temperatuurcoëfficiënt hebben.
87
Impact Gamma, Tpan op P 15%
10%
% verandering P
5%
-170%
0% -120%
-70%
-20%
30%
80%
130%
180%
-5%
-10%
-15%
% verandering factor Tpaneel
Gamma
Figuur 4.22: Impact , Tpan op P
88
Vervolgens wordt de invloed van de factoren , de omgevingstemperatuur bepaalt,
apart geanalyseerd.
is de factor die de impact van
is de omgevingstemperatuur zelf en
en
is de factor die de impact van
de instraling op de paneeltemperatuur bepaalt. Bemerk dat de factor op 1 werd geplaatst.
gedurende de dataverwerking constant
Impact x, Tomg en y op P 15%
% verandering P
10%
-150%
5% x Tomg y 0% -100%
-50%
0%
50%
100%
150%
-5%
-10%
% verandering Factor
Figuur 4.23: Impact ,
en
op P
De curve voor de impact van de omgevingstemperatuur en de omgevingstemperatuur zelf zijn volledig gelijkaardig. Dit is logisch aangezien ze samen een product van factoren vormen. Indien de ene factor bijvoorbeeld 50% van zijn constante waarde bedraagt, geeft het product van de twee dezelfde uitkomst wanneer de andere factor 50% van zijn constante waarde bedraagt. Merk op dat er telkens maar één factor variabel is. De impact van de instralingsfactor is sterk afhankelijk van de instraling. De impact van deze factor varieert met de instraling. Hoe hoger de instraling hoe meer impact deze factor zal hebben. Voor deze grafiek is de waarde voor de instraling 135 W/m², het gemiddelde voor de kuststreek in België.
89
4.6.5. Formule paneeltemperatuur De paneeltemperatuur is een formule op zich met een aantal factoren. De impact van die factoren op de paneeltemperatuur wordt weergegeven in Figuur 4.24. Er dient opnieuw opgemerkt te worden dat de impact van de instralingsfactor afhangt van de instraling zelf. Op de grafiek zijn maar twee curves te zien voor vier factoren, aangezien de factoren samen in een product staan is de procentuele impact namelijk gelijk. Merk op dat de impact van de instraling veel groter kan worden aangezien hier maar met een waarde van 135 W/m² wordt gewerkt.
Impact x, y, Tomg en E op Tpaneel (%) 100%
80%
60%
% verandering Tpaneel
40%
-100%
20%
0% -80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-20%
-40%
-60%
-80%
-100%
% verandering factor x (en Tomg)
y (en E)
Figuur 4.24: Impact x, y, T omg en E op T paneel
4.6.6. Besluit Op Figuur 4.25 wordt de impact van alle factoren op de opbrengst afgebeeld. Zo wordt extra duidelijk welke factoren de grootste invloed hebben. Duidelijk is dat de oppervlakte, het rendement en de transmissieabsorptie factor de grootste impact hebben. Merk op dat deze factoren normaal constanten zijn en dus eigenlijk niet variëren. Het geeft wel duidelijk aan dat technologieën met een beter rendement een grotere opbrengst hebben. Ook het gebruik van anti reflectie glas kan overwogen worden aangezien dit een evenredige invloed heeft op de opbrengst. De impact van de factoren die de paneeltemperatuur bepalen hebben een kleine impact. De paneeltemperatuur op zich heeft ook niet zo’n grote invloed, de impact wordt echt voelbaar bij zeer hoge temperaturen.
90
Impact factoren op P (%) 100%
80%
60%
% verandering P
40%
-100%
20%
0% -80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-20%
-40%
-60%
-80%
-100%
% verandering factor Rendement + Opp. / kWp + ta
Instraling
y
Tomgeving (en x)
Figuur 4.25: Impact alle factoren
4.7. Besluit In dit hoofdstuk werd het volledige proces van de dataverwerking algemeen besproken voor één technologie en één opstelling. Deze verwerkingsmethode werd echter voor elke technologie in iedere opstelling, voor elke maand herhaald. Van iedere verwerking werden de voornaamste gegevens in tabellen samengevat die te vinden zijn in het volgende hoofdstuk. De sensitiviteitsanalyse geeft een beeld van de gevoeligheid van iedere factor in de opgestelde formule. De impact van de verschillende parameters is hiermee grafisch in beeld gebracht waardoor snelle schattingen kunnen gemaakt worden van de impact van iedere factor voor een technologie in een bepaalde klimatologische situatie.
91
5
Resultaten
5.1. Inleiding Hieronder zijn alle tabellen weergegeven met de uiteindelijke resultaten van alle technologieën van iedere maand die bekomen werden door de beschreven methode in 4.5. Met deze resultaten worden enkele grafieken opgesteld die beter weergeven hoe de instralingsfactoren veranderen doorheen het jaar of hoe ze zich tot elkaar verhouden (t.o.v. andere technologieën). Het gemiddelde (Gem.) en de standaardafwijking (Stdev) worden per opstelling berekend, voor de instralingsfactoren zijn dit de waarden die gebruikt kunnen worden voor die bepaalde technologie en opstelling om een willekeurige voorspelling te doen. Deze waarde is namelijk een gemiddelde van alle factoren per maand van de volledige periode. De standaardafwijking geeft de spreiding van deze waarden aan. Hoe kleiner deze waarde, hoe beter. Voor de controle van de formules zijn het gemiddelde en de standaardafwijking de maatstaf om de correctheid van de voorspellingen te controleren.
5.2. Instralingsfactor In Tabel 5-1 zijn alle instralingsfactoren weergegeven per maand, per technologie en per opstelling. De eenheid van deze factoren is ⁄[
]. Dit is het aantal Kelvin waarmee de paneeltemperatuur toeneemt per eenheid
van instraling. Uit de gemiddelde waarden van de volledige periode wordt duidelijk dat micromorf en monokristallijn hetzelfde gedrag hebben qua open en gesloten opstelling. Merkwaardig hierbij is dat de opwarming van de open opstelling onder invloed van de instraling hoger is dan op de gesloten opstelling. Voor dezelfde opstellingen zijn polykristallijn en monomorf ook gelijkaardig daar de gesloten opstelling hier het meest invloed ondervindt. Polykristallijn wordt volgens deze resultaten het warmst ten opzichte van de andere technologieën bij dezelfde instraling. Tabel 5-1: Instralingsfactoren
y
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open
Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
0,0160 0,0136 0,0176 0,0184 0,0149 0,0206 0,0209 0,0207 0,0191 0,0162 0,0166 0,0185
0,0122 0,0096 0,0152 0,0152 0,0060 0,0144 0,0173 0,0148 0,0144 0,0111 0,0135 0,0139
0,0151 0,0128 0,0171 0,0134 0,0131 0,0189 0,0205 0,0183 0,0171 0,0140 0,0178 0,0184
0,0176 0,0165 0,0196 0,0199 0,0156 0,0206 0,0259 0,0222 0,0194 0,0182 0,0185 0,0191
0,0143 0,0142 0,0197 0,0266 0,0164 0,0209 0,0204 0,0184 0,0154 0,0135 0,0152 0,0153
0,0151 0,0127 0,0117 0,0103 0,0119 0,0150 0,0186 0,0202 0,0151 0,0132 0,0139 0,0145
0,0183 0,0162 0,0193 0,0174 0,0152 0,0208 0,0271 0,0236 0,0203 0,0187 0,0184 0,0187
0,0221 0,0204 0,0216 0,0139 0,0202 0,0265 0,0319 0,0277 0,0261 0,0231 0,0230 0,0242
0,0184 0,0165 0,0184 0,0140 0,0157 0,0218 0,0260 0,0226 0,0228 0,0183 0,0190 0,0201
0,0148 0,0138 0,0212 0,0289 0,0147 0,0212 0,0202 0,0177 0,0132 0,0124 0,0142 0,0168
Gem. Stdev
0,0178 0,0023
0,0139 0,0028
0,0157 0,0032
0,0204 0,0038
0,0187 0,0061
0,0143 0,0035
0,0204 0,0045
0,0227 0,0073
0,0192 0,0050
0,0191 0,0073
Op Figuur 5.1 zijn deze factoren grafisch uitgezet van de open opstelling per maand en per technologie. Opvallend is de curve van de monomorfe zonnepanelen die onder de andere drie curves ligt. Uit de data bleek echter dat de temperatuursensor van de open opstelling van de monomorfe panelen geen correcte data geeft. Er kunnen dus geen betrouwbare conclusies getrokken worden hieruit. Uitgezonderd de ligging hebben de vier curves ongeveer dezelfde vorm, wat aangeeft dat de waarden dezelfde trend vertonen doorheen het jaar voor alle technologieën. Merk op dat deze redelijk gelijkaardig is aan deze van het aantal uur zonneschijn [40], die de vorm van de gemiddelde instraling per maand volgt (zie 4.3.1. ).
92
300
0,025
250
0,020
200
0,015
150
0,010
100
0,005
50
0,000
Uur / maand zonneschijn
K / [W/m²]
Impact instraling y - OPEN opstelling (Sept. 2010 - Aug. 2011) 0,030
0 Sept
Okt
Nov Monomorf
Dec
Jan
Micromorf
Feb
Mrt
Monokristallijn
Apr
Mei
Polykristallijn
Juni
Juli
Aug
Zonneschijnduur
Figuur 5.1: Impact instraling - open opstelling
De curves van de instralingsfactoren vertonen allemaal een piek in de maand maart. In maart 2010 was het aantal uur zonneschijn uitzonderlijk hoog bij een normale gemiddelde (omgevings)temperatuur (Tabel 5-2). In april was de zonneschijnduur ook uitzonderlijk hoog, maar ook de gemiddelde temperatuur. Een verband tussen de instraling en de omgevingstemperatuur is hiermee niet gedefinieerd, maar deze resultaten doen het wel vermoeden. Tabel 5-2: Beoordeling KMI zonneschijnduur
Maand Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
Beoordeling Normaal Normaal Uitzonderlijk laag Normaal Normaal Normaal Uitzonderlijk hoog Uitzonderlijk hoog Zeer abnormaal hoog Normaal Zeer abnormaal laag Zeer abnormaal laag
Op Figuur 5.2 zijn de instralingsfactoren van de gesloten opstellingen te zien. Opvallend is dat de polykristallijne technologie boven de rest uitsteekt. Deze technologie blijkt in gesloten toestand sneller op te warmen dan andere technologieën.
93
Impact instraling y - GESLOTEN opstelling (Sept. 2010 - Aug. 2011) 0,035
300
0,030
250
K / [W/m²]
200
0,020 150 0,015
100
Uur / maand zonneschijn
0,025
0,010
50
0,005
0,000
0 Sept
Okt
Nov
Dec
Monomorf
Jan
Micromorf
Feb
Mrt
Monokristallijn
Apr
Mei
Polykristallijn
Juni
Juli
Aug
Zonneschijnduur
Figuur 5.2: Impact instraling - gesloten opstelling
5.3. Paneeltemperatuur Uit het onderzoek werd duidelijk dat er in de formule geen extra coëfficiënten moeten toegevoegd worden vanwege de verschillende trendlijnen. In Tabel 5-3 zijn de richtingscoëfficiënten opgenomen van de trendlijn die het verband tussen de voorspelde en de actuele waarden uitdrukt, namelijk . Deze waarde is een indicatie voor de correctheid van de voorspelling, samen met de correlatiecoëfficiënt (Tabel 5-4). Tabel 5-3: Richtingscoëfficiënten formule paneeltemperatuur
a-Tpan
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open
Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
1,0016 1,0010 1,0020 1,0004 1,0007 0,9999 0,9939 0,9960 1,0015 1,0007 0,9999 1,0017
0,9966 0,9966 0,9961 0,9956 1,0018 1,0057 1,0023 1,0011 1,0083 1,0147 1,0113 1,0112
1,0016 0,9990 0,9972 0,9964 0,9968 0,9973 0,9930 0,9982 1,0015 1,0040 0,9983 1,0011
0,9964 0,9964 0,9974 0,9963 0,9975 0,9971 0,9865 0,9890 0,9927 0,9954 0,9947 0,9965
0,9958 0,9961 0,9950 0,9932 0,9954 0,9946 0,9891 0,9909 0,9944 0,9973 0,9950 0,9956
1,0008 1,0005 0,9984 0,9970 0,9974 0,9979 0,9940 0,9949 1,0004 1,0016 1,0007 1,0016
0,9965 0,9966 0,9970 0,9954 0,9967 0,9963 0,9862 0,9891 0,9944 0,9965 0,9953 0,9975
0,9987 0,9974 0,9966 0,9952 0,9954 0,9956 0,9876 0,9923 0,9951 0,9979 0,9971 0,9991
0,9964 0,9956 0,9956 0,9941 0,9948 0,9945 0,9856 0,9897 0,9910 0,9962 0,9949 0,9968
0,9976 0,9975 0,9954 0,9924 0,9954 0,9947 0,9892 0,9937 1,0002 1,0004 0,9982 0,9980
Gem. Stdev
0,9999 0,0025
1,0023 0,0088
0,9988 0,0050
0,9937 0,0048
0,9939 0,0036
0,9984 0,0035
0,9937 0,0050
0,9949 0,0051
0,9931 0,0051
0,9949 0,0050
94
Tabel 5-4: Correlatiecoëfficiënten formule paneeltemperatuur
R²-Tpan
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open
Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
0,8845 0,9158 0,9297 0,8526 0,9431 0,9234 0,9216 0,9151 0,8915 0,8919 0,8458 0,8714
0,8560 0,8929 0,9368 0,7536 0,8328 0,9129 0,6213 0,6776 0,7755 0,6972 0,5968 0,7481
0,8785 0,9054 0,9278 0,8722 0,9445 0,9325 0,9062 0,9156 0,8850 0,8654 0,8262 0,8696
0,8696 0,9018 0,9340 0,8845 0,9393 0,9246 0,8502 0,8982 0,8801 0,8726 0,8285 0,8641
0,8666 0,9178 0,9260 0,8320 0,9338 0,9313 0,8749 0,8612 0,8074 0,8336 0,7943 0,8656
0,8965 0,9329 0,9443 0,8849 0,9504 0,9364 0,9221 0,9091 0,9088 0,9081 0,8767 0,8880
0,8764 0,9134 0,9405 0,8803 0,9430 0,9276 0,8639 0,8959 0,8738 0,8563 0,8363 0,8725
0,8868 0,9190 0,9252 0,8438 0,9419 0,9333 0,9201 0,9259 0,8999 0,8917 0,8529 0,8765
0,8861 0,9180 0,9358 0,8613 0,9322 0,9291 0,8973 0,9205 0,8868 0,8927 0,8486 0,8821
0,8677 0,8986 0,9108 0,8460 0,9226 0,9167 0,8439 0,8651 0,8121 0,8379 0,8119 0,8710
Gem. Stdev
0,8877 0,0283
0,7320 0,0988
0,8806 0,0179
0,8692 0,0142
0,8518 0,0222
0,9029 0,0159
0,8692 0,0111
0,8856 0,0315
0,8844 0,0160
0,8489 0,0130
De richtingscoëfficiënten zijn voor iedere opstelling en voor iedere technologie gelijk aan 1, mits afronding. De correlatiecoëfficiënten variëren tussen de 0.84 en 0.90, uitgezonderd de open monomorfe opstelling, maar deze temperatuursensor geeft geen juiste waarden meer. De correlatie is zeker niet slecht voor dergelijke benadering.
5.4. Vermogen Uit de klimatologische gegevens (zie 4.4. ) blijkt dat er in december heel veel sneeuwdagen waren. Sneeuw op een zonnepaneel houdt alle instraling tegen. Uit de resultaten voor het vermogen wordt dit duidelijk daar de voorspelde waarden heel wat hoger zijn dan de werkelijke waarden. Ook de correlatie van de waarden is te klein ten opzichte van de andere maanden om deze data te kunnen gebruiken. Enkel de tracker opstelling geeft geloofwaardige waarden, aangezien deze recht kan komen te staan waardoor de sneeuw er makkelijker afglijdt. Bij de vaste opstellingen blijft de sneeuw veel langer liggen. De maand december wordt niet gebruikt bij het berekenen van gemiddelden en standaardafwijkingen van de resultaten over de volledige periode. Dit zou deze berekeningen negatief beïnvloeden, de maand is in de tabellen telkens cursief geplaatst om dit te benadrukken. Een extra factor aan de formule toevoegen die de sneeuwdagen in rekening brengt is in dit stadium van het onderzoek nog niet mogelijk. Er is namelijk nog maar één maand waaruit conclusies kunnen worden getrokken. Wanneer meerdere jaren zullen worden bestudeerd kan de impact van het aantal sneeuwdagen misschien uitgedrukt worden in een extra factor in functie van het aantal sneeuwdagen in de maand.
5.4.1. Zonder windfactor De richtingscoëfficiënten van de evaluatie van de formule voor het ogenblikkelijk vermogen zijn te vinden in Tabel 5-5. Dit zijn belangrijke waarden in verband met de correctheid van de voorspelling. Aangezien de actuele waarden in functie van de voorspelde waarden worden uitgezet betekent een richtingscoëfficiënt groter dan 1 dat de voorspelling te laag is. Omgekeerd betekent een richtingscoëfficiënt kleiner dan 1 dat de voorspelling te hoog is. Op basis hiervan kan het dus nodig zijn per technologie een factor toe te voegen. De conclusies worden gedaan op basis van de jaargemiddelden, de standaardafwijkingen zijn nooit ontoelaatbaar groot waardoor dit een goede referentie waarde is voor de volledige periode. Er wordt algemeen aangenomen dat afwijkingen die binnen 5% foutmarge liggen aanvaard worden. Voor de
95
richtingscoëfficiënt betekent dit concreet dat deze tussen 0.95 en 1.05 moet liggen om als correct te worden aanzien. De gemiddelde correlatiecoëfficiënten van de volledige periode zijn gemiddeld 0.94, wat duidt op een goede correlatie tussen de actuele en de voorspelde waarden van het DC-vermogen. Ook de standaardafwijking is niet groot waardoor kan geconcludeerd worden dat de correlatie over de volledige periode stabiel blijft. Tabel 5-5: Richtingscoëfficiënten formule vermogen zonder wind factor
a-Pzw
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
0,930 1,074 0,954 0,527 1,071 1,033 1,033 1,036 1,005 0,990 0,984 0,973
1,019 1,078 1,006 0,866 1,183 1,083 1,115 1,069 1,027 0,990 0,986 0,984
0,919 0,933 0,833 0,685 0,872 0,870 0,931 0,954 0,928 0,928 0,926 0,918
0,941 0,942 0,846 0,765 0,888 0,874 0,941 0,937 0,920 0,906 0,894 0,898
0,867 0,859 0,798 0,769 0,820 0,821 0,851 0,867 0,855 0,846 0,841 0,837
0,973 1,002 0,955 0,829 1,078 0,987 1,043 1,026 0,970 0,949 0,941 0,949
0,983 1,043 0,932 0,810 1,118 1,022 1,101 1,065 1,005 0,982 0,963 0,966
1,009 1,027 0,915 0,547 1,019 1,015 1,087 1,065 1,022 1,000 0,987 0,988
1,029 1,060 0,934 0,609 1,078 1,052 1,122 1,090 1,044 1,016 1,004 1,005
0,972 1,006 1,025 1,094 1,127 1,051 1,059 0,991 0,961 0,954 0,922 0,973
Gem. Stdev
1,008 0,046
1,049 0,063
0,910 0,036
0,908 0,032
0,842 0,022
0,988 0,044
1,016 0,060
1,012 0,044
1,039 0,051
1,004 0,058
Tabel 5-6: Correlatiecoëfficiënten formule vermogen zonder wind factor
R²-Pzw
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
0,872 0,919 0,876 0,408 0,932 0,948 0,942 0,965 0,967 0,964 0,926 0,959
0,952 0,915 0,877 0,668 0,958 0,935 0,972 0,986 0,958 0,966 0,961 0,966
0,950 0,923 0,935 0,788 0,970 0,954 0,971 0,986 0,938 0,970 0,959 0,960
0,949 0,913 0,931 0,854 0,956 0,941 0,967 0,973 0,953 0,945 0,935 0,940
0,979 0,982 0,967 0,920 0,987 0,986 0,991 0,990 0,974 0,969 0,967 0,972
0,964 0,905 0,907 0,683 0,947 0,925 0,963 0,977 0,959 0,960 0,954 0,960
0,926 0,901 0,851 0,643 0,943 0,914 0,957 0,975 0,957 0,956 0,947 0,952
0,958 0,910 0,870 0,478 0,935 0,952 0,967 0,981 0,963 0,959 0,954 0,957
0,954 0,912 0,861 0,514 0,933 0,954 0,968 0,980 0,962 0,959 0,951 0,953
0,956 0,957 0,947 0,899 0,968 0,968 0,967 0,962 0,946 0,940 0,939 0,944
Gem. Stdev
0,9335 0,0337
0,9495 0,0306
0,9559 0,0185
0,9457 0,0168
0,9786 0,0091
0,9474 0,0241
0,9344 0,0350
0,9459 0,0310
0,9442 0,0328
0,9540 0,0112
Op basis van de jaargemiddelden uit Tabel 5-5 wordt de procentuele afwijking (t.o.v. het ideaal 1) berekend van de richtingscoëfficiënten (Tabel 5-7). Daaruit wordt duidelijk dat enkel de micromorfe technologie buiten de vooropgestelde marge valt. Voor de andere drie technologieën is de formule een goede benadering van het geproduceerde DC-vermogen. Tabel 5-7: Procentuele fouten Technologie/Opstelling gesloten Monomorf open gesloten Monokristallijn open gesloten Polykristallijn open tracker gesloten Micromorf open tracker
a-Pzw 1,008 1,049 0,988 1,016 1,012 1,039 1,004 0,910 0,908 0,842
% fout 0,76% 4,89% -1,17% 1,62% 1,22% 3,93% 0,37% -8,98% -9,21% -15,80%
96
De voorspelde waarden voor de micromorfe technologie in vaste opstelling liggen ongeveer 9% te hoog, of de werkelijke waarden zijn 9% lager dan voorspeld. Bij de tracker opstelling zijn de voorspellingen ongeveer 15% te hoog ten opzichte van de actuele waarden. Technologisch is gekend over micromorfe zonnepanelen dat ze minder gevoelig zijn voor directe straling. In de formule wordt gewerkt met directe instraling, aangezien deze opgemeten wordt met de instralingsmeter. Deze 9% is dus hoogstwaarschijnlijk toe te schrijven aan de mindere gevoeligheid aan directe instraling. Voor de tracker opstelling is de transmissie-absorptie factor gelijk aan 1 omdat de instraling loodrecht invalt op de zonnepanelen. Blijkbaar is een loodrechte instraling van licht bij deze technologie van ondergeschikt belang. De voorspelling ligt hierdoor nog ongeveer 6% hoger dan de werkelijke waarde. Zo is de voorspelling in totaal ongeveer 15% te hoog.
5.4.2. NOCT In Tabel 5-8 zijn de richtingscoëfficiënten van de voorspellingen voor het vermogen af te lezen. De paneeltemperatuur is in deze formule ingevuld met de vergelijking die de NOCT gebruikt voor de voorspelling van de paneeltemperatuur. Tabel 5-8: Richtingscoëfficiënten formule vermogen NOCT
a-Pnoct
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Gesloten
Polykristallijn Open Tracker
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
1,001 1,051 0,967 0,533 1,091 1,048 1,054 1,061 1,042 1,026 1,014 1,001
1,070 1,122 1,021 0,879 1,217 1,107 1,148 1,108 1,064 1,038 1,027 1,022
0,969 0,959 0,842 0,694 0,885 0,880 0,949 0,973 0,951 0,961 0,947 0,937
0,965 0,960 0,855 0,772 0,900 0,882 0,951 0,960 0,939 0,930 0,913 0,915
0,896 0,883 0,807 0,772 0,835 0,832 0,866 0,886 0,880 0,875 0,867 0,860
1,030 1,066 0,983 0,852 1,116 1,021 1,085 1,068 1,033 1,015 1,003 0,996
1,046 1,090 0,948 0,825 1,150 1,045 1,116 1,095 1,049 1,029 1,010 1,011
1,064 0,912 0,929 0,559 1,040 1,028 1,089 1,083 1,050 1,035 1,021 1,017
1,078 1,108 0,952 0,623 1,109 1,074 1,144 1,127 1,083 1,070 1,053 1,048
1,034 1,068 1,049 1,102 1,178 1,083 1,106 1,048 1,037 1,031 1,011 1,006
Gem. Stdev
1,032 0,035
1,086 0,062
0,932 0,043
0,925 0,035
0,862 0,027
1,038 0,041
1,053 0,057
1,024 0,057
1,077 0,051
1,059 0,049
Gesloten
Polykristallijn Open
Tracker
Tabel 5-9: Correlatiecoëfficiënten formule vermogen NOCT
R²-Pnoct
Monomorf Gesloten Open
Gesloten
Micromorf Open
Tracker
Monokristallijn Gesloten Open
Sept Okt Nov Dec Jan Feb Mrt Apr Mei Juni Juli Aug
0,928 0,918 0,874 0,406 0,930 0,946 0,940 0,965 0,967 0,964 0,954 0,959
0,969 0,914 0,874 0,665 0,956 0,932 0,972 0,985 0,969 0,964 0,959 0,965
0,969 0,959 0,934 0,785 0,968 0,953 0,975 0,985 0,938 0,968 0,958 0,959
0,947 0,912 0,929 0,852 0,955 0,940 0,966 0,972 0,953 0,944 0,934 0,939
0,978 0,981 0,965 0,920 0,986 0,985 0,990 0,989 0,974 0,968 0,966 0,971
0,961 0,903 0,900 0,676 0,944 0,920 0,962 0,976 0,958 0,957 0,951 0,946
0,954 0,899 0,847 0,638 0,939 0,910 0,957 0,974 0,955 0,952 0,943 0,949
0,958 0,909 0,867 0,474 0,932 0,950 0,967 0,981 0,952 0,959 0,954 0,957
0,953 0,910 0,857 0,509 0,929 0,951 0,967 0,980 0,962 0,959 0,950 0,953
0,959 0,958 0,945 0,898 0,968 0,967 0,969 0,967 0,952 0,945 0,915 0,952
Gem. Stdev
0,940 0,028
0,951 0,032
0,961 0,015
0,945 0,017
0,978 0,009
0,943 0,025
0,934 0,036
0,944 0,032
0,943 0,034
0,954 0,016
97
In Tabel 5-10 zijn de procentuele fouten weergegeven. Deze liggen opmerkelijk hoger in vergelijking met Tabel 5-7. Aangezien de richtingscoëfficiënten hoger zijn, zijn de voorspellingen lager. Dit valt logisch te verklaren. De waarde van de NOCT is een vaste waarde waardoor de impact van de instraling over het volledig jaar gelijk wordt. Door deze hogere impact van de instraling wordt de paneeltemperatuur groter, waardoor het voorspeld vermogen daalt. Deze afwijking kan in feite gecontroleerd worden met de opgestelde formule, maar dit is een moeilijke taak aangezien de instraling geen constante waarde is. In Tabel 5-11 wordt de impact van de instraling berekend aan de hand van de NOCT en vergelijking (4.4)(2.14). Op Figuur 5.3 worden deze samen uitgezet met de berekende instralingsfactoren voor de open opstellingen. Tabel 5-10: Procentuele fouten Technologie/Opstelling gesloten Monomorf open gesloten Monokristallijn open gesloten Polykristallijn open tracker gesloten Micromorf open tracker
a-Pnoct 1,032 1,086 1,038 1,053 1,024 1,077 1,059 0,932 0,925 0,862
% fout 3,22% 8,58% 3,77% 5,34% 2,43% 7,67% 5,91% -6,81% -7,54% -13,76%
Tabel 5-11: Instralingfactoren bij NOCT
Monomorf 45 0,031
NOCT y (NOCT)
Micromorf 44 0,030
Monokristallijn Polykristallijn 45 46 0,031 0,033
Impact instraling y - OPEN opstelling (Sept. 2010 - Aug. 2011) 0,035
0,030
K / [W/m²]
0,025
0,020
0,015
0,010
0,005
0,000 Sept Monomorf
Okt Micromorf
Nov
Dec
Monokristallijn
Jan Polykristallijn
Feb
Mrt
Apr
NOCT-monomorf/monokristallijn
Mei
Juni
NOCT-micromorf
Juli
Aug
NOCT-polykristallijn
Figuur 5.3: Impact instraling - verschil NOCT
98
5.5. Besluit De resultaten van de instralingsfactoren hebben een bepaald patroon doorheen het jaar. Per maand is de instralingsfactor anders, maar iedere technologie volgt hetzelfde patroon. Dit doet vermoeden dat er andere factoren zijn die een invloed hebben. Dit werd in dit werk echter niet verder onderzocht. De resultaten voor de correctheid van de opgestelde formules worden geëvalueerd op basis van de jaargemiddelden. Aan de eigenaardigheden die aan het licht kwamen bij de formule voor het vermogen, namelijk bij de micromorfe technologie, werd een eerste verklaring gegeven. Deze oorzaken werden echter nog niet bevestigd door fabrikanten.
99
6
Besluit
De doelstellingen die opgesteld werden aan het begin van het academiejaar zijn gedurende het verloop van de masterproef gewijzigd. Een echte vergelijking tussen de verschillende technologieën is er niet echt gebeurd en ook de omvormer werd niet in het onderzoek opgenomen. Wat wel initieel in de scope stond en effectief is volbracht is de impact van klimatologische en technologische factoren. De literatuurstudie benadrukte al enkele verbanden met klimatologische gegevens in theorie. Verder in het werk is de impact van die factoren bepaald door de opgestelde formule. De formules die zijn opgesteld werden gecontroleerd met de werkelijke gelogde waarden en bleken goede resultaten te produceren. De voorspellingen klopten voor drie van de vier technologieën. Voor de afwijkingen van de micromorfe technologie is er een (nog niet bevestigede) aanvaardbare verklaring. In de uiteindelijke formule, die het ogenblikkelijk DC-vermogen van zonnepanelen voorspelt zijn een aantal factoren opgenomen die een impact hebben hierop. Deze factoren zijn:
rendement van het paneel;
oppervlakte per kWp;
transmissie-absorptie factor (richtwaarde);
instraling;
temperatuurcoëfficiënt van het MPP vermogen;
omgevingstemperatuur;
impactsfactor van de instraling op de paneeltemperatuur;
NOCT.
Sommige factoren werden per maand bepaald uit de beschikbare data. Om de impact van bepaalde factoren meer in detail te bestuderen zal de impact echter per dag geëvalueerd moeten worden. Er zijn nog heel wat factoren die een, weliswaar kleinere, impact hebben op het vermogen van zonnepanelen. Voorbeelden hiervan zijn: vervuiling, schaduw, luchtvervuiling, degradatie… Deze werden niet in de formule opgenomen omdat er (nog) geen gegevens van zijn. Er wordt bij de voorspelling van het vermogen enkel gerekend met het geproduceerde DC-vermogen van de zonnepanelen. Echter, de omvormer, die de omzetting maakt van DC naar AC doet, heeft ook een rendementsverlies die hier niet in rekening genomen wordt. Om de totale opbrengst van een zonne-installatie te kennen moet dit vermogensverlies ook in rekening gebracht worden. De energie die telt bij groene stroomcertificaten is namelijk het opgewekte AC-vermogen.
100
7
Verder onderzoek
Op basis van de gegevens die uit dit onderzoek voortkomen is er nog mogelijkheid om zaken verder te onderzoeken. Zo is er een vermoeden naar een verband tussen de impact van de instraling en de omgevingstemperatuur. Dit zou tot een verklaring kunnen leiden van het patroon van de factoren die de impact van de instraling uitdrukken. De formule kan nog gevoelig uitgebreid worden met vooral omgevingsfactoren. Zo kan met gegevens van meerdere jaren de impact van het aantal sneeuwdagen in een factor vervat worden. Ook de impact van wind, vervuiling, degradatie, schaduw en luchtvervuiling kan nog onderzocht worden. Daarvoor zal echter de methode verfijnd moeten worden aangezien nu een afwijking van 5% werd getolereerd. Indien meerdere factoren met een kleinere impact worden opgenomen in de formule zal preciezer gewerkt moeten worden. Indien in de toekomst gelijkaardige analyses gedaan worden, kan het interessant zijn software te ontwikkelen die de verwerking op een overzichtelijke manier mogelijk maakt. Deze software kan gebaseerd worden op de macro’s die voor dit werk werden gebruikt.
101
8
Bronnen
[1] [2]
Jeffrey, G. (Ed.). Solar Energy - The state of the art, London: James&James, 2001, p.706 Messenger, R. A., & Jerry, V. Photovoltaic Systems Engineering, second edition, United States of America: Bocan Raton CRC Press LLC, 2003, p.47 -56/p.373-410 Ouwehand, J., Papa, T.J.G., de Geus, J., Gilijamse, W., Toegepaste Energietechniek Deel 2: ste Duurzame energie, 1 ed. Den Haag: Sdu Uitgevers, 2008, p 13 -28/p 105-138 H.S. Rauschenbach, Solar Cell Array Design Handbook: The Principles and Technology of Photovoltaic Energy Conversion, United States of America: Van Nostrand Reinhold company, p 52-56/p 168-170 Dr.ir.ing. J. Desmet, ing. C. Debruyne, ir. J. Vanalme, ing. B.Verhelst, BIR. Implementatie van innovatieve duurzame energiebronnen en hun interactie op het distributienet. Kortrijk: HowestLemcko, 2010, p.35, 39; ISBN 9789081549806 LSP (2011). Kernuitstap: onmogelijk in België? [online]. http://www.socialisme.be/lsp/archief/2011/05/22/kern.html (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Temperatuurverschillen op aarde [online]. http://aardrijkskunde.hlz.nl/portaal%20BTNL1%20H2/BTNL1%20H2%20par%2003.htm (datum van opzoeking: 07/12/2011) Berrentec , fotovoltaïsche zonnepanelen. Instralingsdiagram [online]. http://www.berrentec.be/nl/veelgestelde-vragen/instralingsdiagram (Datum van opzoeking: 23/03/2012) TU Delft (2010). Zonnestralingsrichting [online] http://wiki.bk.tudelft.nl/bk-wiki/Zonnestralingsrichting (Datum van opzoeking: 23/03/2010) ODE Vlaanderen. Elektriciteit uit zonlicht [online]. http://www2.vlaanderen.be/economie/energiesparen/doc/brochure_pv_zonlicht.pdf (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Scossa Nucleare: La rivoluzione delle fonti rinnovabili? [online]. http://intermarketandmore.finanza.com/scossa -nucleare-la-rivoluzione-delle-fontirinnovabili-27055.html (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Lemcko (2009). [online]. www.lemcko.be (Datum van opzoeking: 20/09/2011) FT Exploring (2010). Science and technology [on line] . http://www.ftexploring.com/solarenergy/direct-and-diffuse-radiation.htm (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (2011). Handboek waarnemingen [online]. http://knmi.nl/samenw/hawa/pdf/Handboek_H07.pdf (Datum van opzoeking: 20/09/2011) PV Education.org (2010). Air Mass [on line]. http://www.pveducation.org/pvcdrom/properties -of-sunlight/air-mass (Datum van opzoeking: 21/09/2011) PV Education.org (2010). Standard Solar Spectra [online]. http://www.pveducation.org/pvcdrom/appendicies/standard -solar-spectra (Datum van opzoeking: 21/09/2011) Solarlux. Technical Information [online]. http://www.eyesolarlux.com/solar-simulationenergy.htm (Datum van opzoeking: 21/09/2011) LaserFocusWorld (2011). Photovoltaics: Measuring the ‘Sun’ [online] . http://www.laserfocusworld.com/articles/2009/05/photovoltaics -measuring-the-sun.html (Datum van opzoeking: 21/09/2011)
[3] [4] [5]
[6]
[7]
[8]
[9] [10]
[11]
[12] [13] [14] [15]
[16]
[17] [18]
102
[19]
[20]
[21]
[22] [23]
[24] [25] [26]
[27] [28]
[29]
[30] [31] [32] [33]
[34] [35]
[36] [37]
The encyclopedia of alternative energy and sustainable living. Air mass [on line] . http://www.daviddarling.info/encyclopedia/A/AE_air_mass.html (Datum van opzoeking: 21/09/2011) GreenCheck.nl (2011) . Wat is een (Wp) Watt Piek? [online]. http://www.greencheck.nl/index.php?/archives/740 -Wat-is-een-Wp-Watt-Piek.html (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Natuurkunde.nl . Welke cel is het beste? [online] . http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=452700 (Datum van opzoeking: 19/09/2011) SamlexSolar (2011). Solar (PV) Cell [online]. http://www.samlexsolar.com/learningcenter/solar-cell-module-array (Datum van opzoeking: 19/09/2011) First Solar (2011). PV Technology Comparison [online] . http://www.firstsolar.com/Downloads/pdf/Technology_Comparison_PV_NA.pdf (Datum van opzoeking: 22/09/2011) Greenblog (2011). Solar power will take over soon [on line]. http://www.greenblog.org/2010/03/09/solar-power-will-take-over-soon/ (Datum van opzoeking: 23/09/2011) Solar Markets. PV Solar Growth [online]. http://solarcellcentral.com/markets_page.html (Datum van opzoeking: 23/09/2011) How to Build a Solar Panel (2011). Adavantages and disadvantages of monocrystalline Solar Panels [online]. http://www.solarpowerfast.com/build-solar-panel/monocrystalline-solarpanels/ (Datum van opzoeking: 22/09/2011) Tootoo (2008). Mono Crystalline Silicon Panel [online]. http://www.tootoo.com/buymono_crystalline_silicon_panel/ (Datum van opzoeking: 22/09/2011) How to Build a Solar Panel (2011). Adavantages and disadvantages of polycrystalline Solar Panels [online]. http://www.solarpowerfast.com/build-solar-panel/polycrystalline-solarpanels/ (Datum van opzoeking: 22/09/2011) Twinergy Sun Tile (2010). De onderdelen van een PV -installatie – Polykristallijne cellen [online]. http://twinergy.be/index.php?p=on&wat=poly (Datum van opzoeking: 22/09/2011) SolarBuzz (2011). Technologies [online]. http://www.solarbuzz.com/goingsolar/understanding/technologies (Datum van opzoeking: 23/11/2011) Werking van de zonnecel [online]. http://www.infinitynrg.nl/werking.htm (Datum van opzoeking: 20/09/2011) Denis Lenardic (2001-2011). Photovoltaic Modules [online]. http://www.pvresources.com/BalanceofSystem/Modules.aspx (Datum van opzoeking: 07/12/2011) Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) (maart 2011). Roadmap Zon op Nederland [online]. http://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/corp/Nieuws/2011/Roadmap_Zon_op_het_Zuiden.pdf (Datum van opzoeking: 07/12/2011) Mitsubishi Electric Solarmodules brochure EPIA European Photovoltaic Industry Association. PV Solar: PV technologies, cells en modules [online]. http://www.epia.org/solar-pv/pv-technologies-cells-and-modules.html (Datum van opzoeking: 23/11/2011) AMRITA (2011). Solar Panel Experiment (Remote trigger) [online]. http://amrita.vlab.co.in/?sub=1&brch=195&sim=360&cnt=1 (Datum van opzoeking: 24/11/2011) New World Encyclopedia (2009). Solar Cell [online]. http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Solar_cell#The_p-n_junction (Datum van opzoeking: 24/11/2011)
103
[38] [39]
[40] [41] [42]
[43]
[44]
[45]
[46]
[47] [48]
[49] [50] [51] [52]
PVeducation.org (2010). Module [online]. http://pvcdrom.pveducation.org/MODULE/Array.htm (Datum van opzoeking: 07/12/2011) OEZ (2011). General connection diagrom of photovoltaic source [online]. http://www.oez.com/news/general-connection-diagram-of-photovoltaic-source (Datum van opzoeking: 01/12/2011) KMI (2011). Klimaat [online]. http://www.kmi.be/meteo/view/nl/65657-Klimaat.html (Datum van opzoeking: 03/11/2011) ARGUS Technologies (2010-2012). ARGUS Powermonitor [online]. https://argus.powermonitor.be/home.php (Datum van opzoeking: 11/04/2012) Govindasamy TamizhMani, Liang Ji, Yingtang Tang and Luis Petacci, “Photovoltaic module thermal/wind performance: Long-term monitoring and model development for energy rating” (http://www.nrel.gov/docs/fy03osti/35645.pdf) Hedzlin Zainuddin, Sulaiman Shaari, Ahmad Maliki Omar, Zainazlan Md Zain, Jonson Soumin and zainizam Surat, “Preliminary Investigations on the Effect of Humidity on the Reception of Visible Solar Radiation and the Effect of Humidity and Wind speed on PV module Output”, AIP Conf. Proc. 1250, pp. 55-58 E. Skoplaki, J.A. Palyvos, “On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations”, Solar Energy, Volume 83, Issue 5, May 2009, Pages 614-624, ISSN 0038-092X, 10.1016/j.solener.2008.10.008. Dr Chong Kok Keong. (2012), Cost effective solar power plant using indigenous technology of nonimaging focusing on heliostat & concentrator photovoltaic [online]. http://www.utar.edu.my/contentRandD.jsp?catid=9&contentid=417&2ndcontentid=1980 (Datum van opzoeking: 03/05/2012) Nederlands Onderzoeksplatform Duurzame Energievoorziening. Nieuwe concepten [online]. http://www.energieplatform.nl/energieopties/zonnecellen/onderzoek/ru-nijmegen/nieuweconcepten/ (Datum van opzoeking: 1/05/2012) Central Solar. [online]. http://www.centralsolar.ca/ (Datum van opzoeking: 1/05/2012) J. Rizk, and Y. Chaiko, “Solar tracking system: More efficient use of solar panels”,, Engineering and technology 41 2008 (http://waset.org/journals/waset/v41/v41-55.pdf) http://www.erdasys.be/dua-rr/forum/uploads/post-842-1182619494.jpg (afbeelding) http://www.erdasys.be/dua-rr/forum/uploads/post-842-1182619472.jpg (afbeelding) Targray (2012). Solar Glass [online]. http://www.targray.com/solar/module-materials/solar-glass.php (datum van opzoeking: 05/05/2012) EPIA (2012). Global Market Outlook For Photovoltaics Until 2016 [online] http://files.epia.org/files/Global-Market-Outlook-2016.pdf (Datum van opzoeking: 27/05/2012)
104
9
Bijlagen
9.1. Bijlage 1: Datasheets PV-technologieën
105
HIT photovoltaic module
HIP-230HDE1 HIP-225HDE1 HIP-220HDE1
T he SA N YO HI T (H eterojunc tion with I ntrinsic T hin layer) solar cell is made of a thin mono cr yst alline silicon wafer surrounded by ultra - thin amorphous silicon layers . T his produc t provides the industr y ‘s leading per formance and value using st ate - of - the - ar t manufac turing techniques .
Benefit in Terms of Per formance T he H I T cell and module have ver y high conversion ef ficiency in mass produc tion. Model
Cell Efficiency
Module Efficiency
HIP-230HDE1
19.2%
16.6%
HIP-225HDE1
18.8%
16.2%
HIP-220HDE1
18.3%
15.9%
H igh per formanc e at high te mperatu res Even at high temperatures , the H I T solar cell c an maint ain higher ef ficiency than a conventional cr yst alline silicon solar cell. [Changes in generated power daytime]
normalized output power
Module temp. 75 °C
approx. 10% up
Kobe (Japan), 24. July 2007, faced to south, tilt angle 30°. tim e
Environmentally - Friendly Solar Cell More C lean E nerg y H I T c an generate more c lean Energy than other conventional cr yst alline solar cells .
HIT Solar Cell Struc ture p -type/i-type (Ultra-thin amorphous silicon layer)
Rear-side electrode
n
Thin mono crystalline silicon wafer
i-type/n-type (Ultra-thin amorphous silicon layer)
Development of HI T solar cell was suppor ted in par t by the New Energy and Industrial Technology Development O rganization (N EDO).
A module that uses silicon resources effectively T h e n e w l y d eve l o p e d “ H o n eyc o m b D e s i g n” H D c e l l a l l ow s t h e m a x i m u m n u m b e r o f r o u n d - t y p e , h i g h - p owe r c e l l s t o b e a r r aye d i n a s i n g l e m o d u l e .
HD - HIT High power, round shape cell
12.5 cm
(Silicon raw material) area: 216 cm2
12.5 cm
Front-side electrode
existing- HIT
Electrical and Mechanical Characteristics HIP-230HDE1, HIP-225HDE1, HIP-220HDE1 Electrical data
230
225
220
Maximum power (Pmax) [W]
230
225
220
Max. power voltage (Vpm) [V]
34.3
33.9
33.5
Max. power current (lpm) [A]
6.71
6.64
6.57
Open circuit voltage (Voc) [V]
42.3
41.8
41.4
Short circuit current (Isc) [A]
7.22
7.14
7.07
Warranted min. power (Pmin) [W]
218.5
213.8
209.0
Maximum over current rating [A]
15
Output power tolerance [%]
+10/-5
Max. system voltage [Vdc]
1000
Temperature coeff. of Pmax [%/˚C]
Reference data for model HIP-230HDE1 Dependence on irradiance Cell temperature: 25°C
Current [A]
Models HIP-xxxHDE1
-0.3
Temperature coeff. of Voc [V/˚C]
-0.106
-0.105
-0.104
Temperature coeff. of Isc [mA/˚C]
2.17
2.14
2.12
Voltage [V]
Note 1: Standard test conditions: Air mass 1.5, Irradiance = 1000 W/m2, Cell temperature = 25˚C. Note 2: The values in the above table are nominal.
Dependence on temperature
label
Current [A]
Dimensions and weight
junction box
Voltage [V]
Certificates
Front
side
IEC 61730
IEC 61215
Backside
Please consult your local dealer for more information. Weight: 16.5 kg Unit: mm Section A-A
Section B-B
Guarantee Power output: 20 years (80% of minimum output power) Product workmanship: 2 years (Based on contract terms) CAUTION! Please read the operating instructions carefully before using the products. Due to our policy of continual improvement the products covered by this brochure may be changed without notice.
SANYO Component Europe GmbH Solar Division
Solar Division
http://www.sanyo.com/solar email:
[email protected]
05/08
Stahlgruberring 4 81829 Munich, Germany Tel.+49-(0)89-460095-0 Fax.+49-(0)89-460095-170 http://www.sanyo-solar.eu email:
[email protected]
Sharp SG2R NA-F121(G5) 121Wp EN
NA Series (1.42 m , 60 V) 128 W | 121 W | 115 W 2
Delive r third q able in uarter 2009
Microamorphous silicon thin-film photovoltaic modules
say yes to solar power ! Because it protects the climate. Innovations from a photovoltaic pioneer As a solar specialist with 50 years' experience in photovoltaics (PV), Sharp makes significant contributions to groundbreaking progress in solar technology. The NA series of thin-film photovoltaic modules consists of an amorphous and a microcrystalline silicon layer. This microamorphous tandem structure not only absorbs visible light but also the invisible portion of the solar spectrum. This makes especially efficient use of solar energy. All module types of the Sharp NA Series offer optimum system integration, in terms of both technology and economy, and are suitable for installations in gridconnected PV systems. Brief details for the installer I
Product features I I I
I I I
4 bypass diodes
I
180 cells in series
I
2,400 N/m2 mechanical load-bearing capacity (245 kg/m2)
I
1,000 V DC maximum system voltage
I
IEC/EN 61646, IEC/EN 61730, Class II (VDE: 40023069)
Optimised for grid-connected roof mounting PV systems. Use of white glass, EVA plastic and weather protection film as well as a anodised aluminium frame for long-term use. This guarantees simple and safe installation. Module can be operated and installed by one person (1.42 m2, frame width 1 m, weight 19 kg). Higher energy yields per watt, at both high temperatures and with diffuse light. Output: connection cable with waterproof plug connector.
Quality from Sharp Benchmarks are set by the quality standards of Sharp Solar. Continual checks guarantee a consistently high level of quality. Every module undergoes visual, mechanical, and electrical inspection. This is recognisable by means of the original Sharp label, the serial number, and the Sharp guarantee: I
2 year product guarantee
I
10 year performance guarantee for a power output of 90 %
I
25 year performance guarantee for a power output of 80 %
Tandem structure comprising of an amorphous and a microcrystalline silicon layer
I
Tandem structure with an amorphous and a microcrystalline silicon layer offering a stabilised module efficiency of up to 9.0 %.
The detailed guarantee conditions and additional information can be found at www.sharp.eu. I
End users are required to register the modules with Sharp in order for the product and service warranty to be effective. The registration documents will be handed out by the installation staff or supplied directly by Sharp.
SolarAccess B.V. Mr. H.F. de Boerlaan 40 • 7417 DB Deventer Tel: 0570 504150 • Fax: 0570 504159 www.SolarAccess.nl •
[email protected] Ondernemingsnummer: 08135793 • BTW nr: NL8147.24.309.B01
1/2
Mechanical data
Limit values
Cell
Tandem cell of amorphous (␣-Si) and microcrystalline (c-Si) silicon
Storage air humidity (relative)
up to 90
%
Connection
180 in series
Operating temperature (cell)
– 40 to + 90
°C °C
Dimensions
1,409 x 1,009 x 46 mm (1.42 m2)
Storage temperature
– 40 to + 90
Weight
19 kg
Maximum system voltage
1,000
V DC
Connection type
Cable with plug connector (MC-3)
Maximum mechanical load
2,400
N/m2
Bypass diodes
4
Over-current Protection
5
A
Electrical data Initial values
Nominal values
Made in Japan
NA-F128 (G5)
NA-F121 (G5)
NA-F115 (G5)
NA-F128 (G5)
NA-F121 (G5)
NA-F115 (G5)
Maximum power
150.6 Wp
142.4 Wp
135.4 Wp
128 Wp
121 Wp
115 Wp
Open-circuit voltage
Voc
60.8
60.2
59.6
59.8
59.2
58.6
V
Short-circuit current
Isc
3.54
3.43
3.34
3.45
3.35
3.26
A
Voltage at point of maximum power
Vpm
48.6
48.2
47.7
45.4
45
44.5
V
Current at point of maximum power
Ipm
3.10
2.96
2.85
2.82
2.69
2.59
A
Module efficiency
m
9.0
8.5
8.1
%
44
44
44
°C
NOCT Temperature coefficient – open-circuit voltage ␣Voc
– 0.30
– 0.30
– 0.30
– 0.30
– 0.30
– 0.30
% / °C
Temperature coefficient – short-circuit voltage
␣lsc
+ 0.07
+ 0.07
+ 0.07
+ 0.07
+ 0.07
+ 0.07
% / °C
Temperature coefficient – power
␣Pm
– 0.24
– 0.24
– 0.24
– 0.24
– 0.24
– 0.24
% / °C
The electrical data applies under standard test conditions (STCs): irradiation 1,000 W/m2 with light spectrum AM 1.5 and a cell temperature of 25 °C. The rated electrical characteristics are subject to a manufacturing tolerance of – 5 % / +10 %. NOCT conditions: irradiation of 800 W/m2, ambient temperature of 20 °C and wind speed of 1 m/sec.
120
1,000 (W/m2) 3.0
100
800 (W/m2)
80 2.0 600 (W/m2) 60 1.5 400 (W/m2)
Power (W)
Current (A)
2.5
40
1.0 200 (W/m2)
20
0.5 10
20
30
40
50
0 60
Characteristic curves: normalised values Isc / Voc / Pm vs. cell temperature
120
Normalised values Isc , Voc , Pm (%)
3.5
Characteristic curves: open-circuit voltage / shortcircuit current and maximum power vs. irradiation (cell temperature: 25°C) Open-circuit voltage Voc , Isc , Pmax (%)
Characteristic curves: current / power vs. voltage (cell temperature: 25 °C)
Applications
NA-F121 (G5)
110 100 90
Voc
80 70 60
Pmax
50 40
Isc
30 20
Current vs. voltage Power vs. voltage
10
Pm Voc
Cell temperature (°C)
Exterior dimensions Rear view
Cross-section A-A’ Glass
1,409
Solar cell 704.5 8.0
1,009
1,009
504.5 8.0
Side seal
Junction box
Plastic
Solar cell Back cover
Frame
Cross-section B-B’ C C
C C
Support rail Junction box
On-roof PV systems
I
Ground-mounted PV systems
Note
1,409 Frame
I
Please read our detailed installation manual carefully before installing the photovoltaic modules. The instructions in the installation manual must always be observed (e.g. max. of 13 modules in series, minus pole must be grounded, protection with blocking diodes/fuses). A generator box with approved blocking diodes is available from your Sharp dealer.
0
Irradiance (W/m 2)
On-grid PV systems
Isc
,
Voltage (V)
I
Screw
Connection cable
Cross-section C-C’
900 ± 30
Sharp Energy Solution Europe a division of Sharp Electronics (Europe) GmbH Sonninstrasse 3, 20097 Hamburg, Germany Tel: + 49 (0) 40 / 23 76 - 0 · Fax: + 49 (0) 40 / 23 76 - 21 93 www.sharp.eu
The specifications may deviate slightly and are not guaranteed. Installation and operating instructions are to be found in the corresponding handbooks, or can be downloaded from www.sharp.eu. This module should not be directly connected to a load.
74
46 Plug connector
Technical data is subject to change without prior notice. Before using Sharp products, please request the latest data sheets from Sharp. Sharp accepts no responsibility for damage to devices which have been equipped with Sharp products on the basis of unverified information.
900 ± 30 173
Local responsibility: Austria
[email protected] Benelux
[email protected] Central & Eastern Europe
[email protected]
Denmark
[email protected] France
[email protected] Germany
[email protected]
SolarAccess B.V. Mr. H.F. de Boerlaan 40 • 7417 DB Deventer Tel: 0570 504150 • Fax: 0570 504159 www.SolarAccess.nl •
[email protected] Ondernemingsnummer: 08135793 • BTW nr: NL8147.24.309.B01
Scandinavia
[email protected] Spain & Portugal
[email protected] Switzerland
[email protected] United Kingdom
[email protected]
SolarNA_142_3E0509
Characteristic curves
The photo on the front page shows a 340 MWp-capacity thin film system on the roof at commercial vehicle manufacturer Fliegl’s production facilities near Gera, Germany. Photo: AEP Energie-Consult GmbH
Sharp SG2R NA-F121(G5) 121Wp EN
2/2
STP180S - 24/Ab -1 STP175S - 24/Ab -1 STP170S - 24/Ab -1 STP165S - 24/Ab -1 STP160S - 24/Ab -1
175 Watt
SOLAR PANEL
Features • High conversion efficiency based on innovative photovoltaic technologies • High reliability with guaranteed +/-3% power output tolerance • Withstands high wind-pressure and snow load, and extreme temperature variations
Quality and Safety • 25-year power output transferable warranty • Rigorous quality control meeting the highest international standards • ISO 9001:2000 (Quality Management System) and ISO 14001:2004 (Environmental Management System) certified factories manufacturing world class products • UL listings: UL1703, cULus, Class C fire rating, conformity to CE
Recommended Applications • Residential roof top systems • On-grid utility systems • On-grid commercial systems
Suntech’s technology yields improvements to BSF structure and anti-reflective coating to increase conversion efficiency
The panel provides more field power output through an advanced cell texturing and isolation process, which improves low irradiance performance
www.suntech-power.com | E-mail:
[email protected] STP is a trademark of Suntech Power Holdings Co., Ltd. All rights reserved
Unique design on drainage holes and rigid construction prevents frame from deforming or breaking due to freezing weather and other forces
Suntech was named Frost and Sullivan’s 2008 Solar Energy Development Company of the Year
STP-DS-STD-N01.01 Rev 2008 © Copyright 2008 Suntech Power
STP180S - 24/Ab -1 STP175S - 24/Ab -1 STP170S - 24/Ab -1 STP165S - 24/Ab -1 STP160S - 24/Ab -1
Electrical Characteristics Characteristics
STP180S-24/Ab-1
STP175S-24/Ab-1
STP170S-24/Ab-1
STP165S-24/Ab-1
STP160S-24/Ab-1
Open - Circuit Voltage (Voc)
44.4V
44.2V
43.8V
43.6V
43.2V
Optimum Operating Voltage (Vmp)
35.6V
35.2V
35.2V
34.8V
34.4V
Short - Circuit Current (Isc)
5.4A
5.2A
5.14A
5.04A
5A
Optimum Operating Current (Imp)
5.05A
4.95A
4.83A
4.74A
4.65A
Maximum Power at STC (Pmax)
180Wp
175Wp
170Wp
165Wp
160Wp
-40ºC to +85ºC
-40ºC to +85ºC
-40ºC to +85ºC
-40ºC to +85ºC
Operating Temperature
-40ºC to +85ºC
Maximum System Voltage
600V DC
600V DC
600V DC
600V DC
600V DC
Maximum Series Fuse Rating
15 AMPS
15 AMPS
15 AMPS
15 AMPS
15 AMPS
±3 %
±3 %
±3 %
±3 %
±3 %
Power Tolerance
STC: lrradiance 1000W/m , Module temperature 25ºC, AM=1.5 2
Mechanical Characteristics 758 [29.8] Junction box Drainage holes 14×9 [0.55×0.35] Mounting slots 8 places
A
BACK VIEW 2-ø5.1 [ø0.2] Ground holes 2 places
800 [31.5] 1300 [51.2] 1580 [62.2]
A
Solar Cell
Mono-crystalline 125×125mm (5inch)
No. of Cells
72 (6×12)
Dimensions
1580×808×35mm (62.2×31.8×1.4inch)
Weight
15.5kg (34.1lbs.)
Front Glass
3.2 mm (0.13inch) tempered glass
Frame
Anodized aluminium alloy
Junction Box
IP65 rated
Output Cables
AIW (12AWG), asymmetrical lengths (-) 1200mm (47.2inch) and (+) 800mm (31.5inch), MC Plug Type IV connectors
Temperature C 35
Note: mm [inch]
45ºC±2ºC
Nominal Operating Cell Temperature (NOCT)
Section A-A 11
-0.48 %/ºC
Front View
1.5 35
-0.34 %/ºC
808 [31.8]
0.017 %/ºC Temperature Dependence of Isc, Voc, Pmax
Current-Voltage & Power-Voltage Curve (170W) 6
140
180
1000W/m
2
5
120
150
120
600W/m
2
3
90
2
60
1
30
0
0 0
5
10
15
20
25
30
35
Voltage(V)
www.suntech-power.com | E-mail:
[email protected]
40
45
Power(W)
Current(A)
4
Normalized Isc, Voc, Pmax (%)
Isc
800W/m
2
100
Voc 80
Pmax 60
40
20
-50
-25
0
25
50
75
100
Cell Temperature (ºC)
STP-DS-STD-N01.01 Rev 2008
YL 185 P-23b / 1310x990 SERIES YL 165 P-23b . YL 170 P-23b . YL 175 P-23b YL 180 P-23b . YL 185 P-23b
About Yingli solar Yingli Solar is a vertically integrated manufacturer of solar photovoltaic modules. Under one roof we manufacture our ingots, wafers, cells and modules. This ensures that we can tightly control our material and production quality, offering our customers leading product durability and sustainable performance backed by our 25 year limited power warranty*. PERFORMANCE >> High efficiency, polycrystalline solar cells with high transmission and textured glass delivering a module series efficiency of up to 14.3%, minimising installation costs and maximising the kWh output of your system per unit area. >> Power tolerance of +/-3% minimising PV system mismatch losses. QUALITY & RELIABILITY >> Robust, corrosion resistant aluminium frame independently tested to withstand wind loads of 2.4KPa and snow loads of 5.4KPa ensuring a stable mechanical life for your modules. >> Take confidence in our modules with a 5 year limited product warranty and a 25 year limited power warranty*. >> Modules protected by box during transportation and with 20 modules in a box on-site waste is minimised. >> Modules independently tested to ensure conformance with certification and regulatory standards. >> Manufacturing facility certified to ISO 9001 Quality Management System standards.
Warranties 5-year limited product warranty* Limited power warranty*: 10 years at 90% of the minimal rated power output, 25 years at 80% of the minimal rated power output
Qualifications and Certificates IEC 61215 Edition 2, IEC 61730 Class A, CE, ISO 9001
* In compliance with our Warranty Terms and Conditions
www.yinglisolar.com
YL 185 P-23b / 1310x990 SERIES IV curves
Electrical parameters current [A]
Electrical parameters at STC (1,000 W/m2, 25°C, AM 1.5 according to EN 60904-3) Module type
YL 165 P-23b
YL 170 P-23b
YL 175 P-23b
YL 180 P-23b
YL 185 P-23b
9 8 7 6 5
Power output
[W]
165.0
170.0
175.0
180.0
185.0
4
Power output tolerances
[%]
+/- 3
+/- 3
+/- 3
+/- 3
+/- 3
2
Module Efficiency
[%]
12.7
13.1
13.5
13.9
14.3
0
Voltage at Pmax, Vmpp
[V]
23.0
23.0
23.0
23.0
23.5
Current at Pmax, Impp
[A]
7.17
7.39
7.61
7.83
7.87
Open circuit voltage Voc
[V]
29.0
29.0
29.0
29.5
29.5
Short circuit current Isc
[A]
7.90
8.10
8.20
8.30
8.45
Max. system Voltage
[V]
3
1 0
5
10
15
1000W/m2 800W/m2
20
25
600W/m2 400W/m2
30
35
voltage [V]
200W/m2
1,000 VDC 990 mm
[1/K]
+ 0.0006
Temperature coefficient alpha of Voc
[1/K]
- 0.0037
Temperature coefficient gamma of Pmpp
[1/K]
- 0.0045
Ground holes 2-ø6 mm
MECHANICAL PARAMETERS 1,310 / 990 / 50
Thickness with junction box [mm]
50
Weight [kg]
15.8
Junction box (manufacturer / protection degree / number of diodes)
CIXI / IP65 / 6
Junction box dimensions (length / width / thickness [mm])
151 / 122 / 25
Positive cable & negative cable (manufacturer / length [mm] / cable cross-section [mm2])
CIXI / 900 (1,200) / 4.0 MC4 / UV resistance and self-locking / IP67
DS-YL185P-23b-EU-EN-200908-A143-v01
Front cover (material / thickness [mm]) Cell type (quantity / technology) Encapsulation materials
Tempered Glass, 3.6mm
Le – PET – PVDF / 0.287 robust anodized aluminum alloy
Operating temperature [°C]
- 40 to + 85
Max. wind load / Max. snow load [Pa]
2.4K / 5.4K
© Yingli Green Energy Holding Co. Ltd.
Packaging Number of modules per box
20
Box size (length [mm] / width [mm] / depth [mm])
1,380 / 1,140 / 1,165
Box Gross weight in kg
365
Boxes per pallet
1
*T he data does not refer to a single module and they are not part of the offer, they serve for comparison only to different module types.
www.yinglisolar.com
A
A
A
12 mm
Ethylene Vinyl Acetate (EVA)
OPERATING CONDITIONS
Yingli Green Energy Holding Co. Ltd.
[email protected] 0086 - (0)312 - 8929802
Drainage holes A 8-ø4 mm
48 / polycrystalline / 156 x 156
Rear cover (material / thickness [mm]) Frame (material)
Mounting slots 4-6.5x8 mm 50 mm
Dimensions (length [mm] / width [mm] / thickness [mm])
680 mm
Temperature coefficient beta of Isc
1,310 mm
46 +/- 2
900(1,200) mm
[°C]
50 mm
NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)
Plug connector (manufacturer / type / protection degree)
50 mm
946 mm
Subject to modifications and errors
32 mm
SECTION A—A
Electrical equipment, check with your installer
1,310 mm
Parameters of the thermal characteristics
