Egen beräkning energi(kWh/år) för solcellsanläggn.

[Arne]

Hej!

I stort sett varje växelriktarfabrikant tillhandahåller gratis ett beräkningsprogram för energiberäkning för solcellsanläggning. T.ex. SMA  ”sunnyDesignweb.com” och SolarEdges ”Site Designer 2”, med flera. Dock vet man inte riktigt hur de bär sig åt i dessa program. Programmen är en så kallad svart låda.

Om man gör ett eget beräkningsprogram, så vet man hur det räknar. Därför så gjorde jag ett eget beräkningsprogram. Som tar hänsyn till bl.a.:
a) Taklutning
b) Takets väderstrecksriktning.
c) Solens gång över himmeln för hela året.
d) Uppmätt globalstrålning från solen enl. SMHI-mätstation, som anges som momentana timvärden för varje timma under året uppmätta på en horisontal platta. Jag valde data från en station, som ligger närmast uppställningsplats för solcellsanläggningen.
e) Antal solcellsmodul, dess STC värden.
f) Olika strängar.
g) Direktstrålning, diffusstrålning
h) och även reflekterande strålning från marken genom Albedo-värden.

Vad jag inte tar hänsyn till är:
-ev. skuggning.
-växelriktarverkningsgradens beroende av effekten.
-ev. försmutsning av solcellsmoduler.
-ev. effektförlust pga åldring av solcellsmoduler.
-solcellsmodulens verkningsgrad beroende på bestrålningsstyrkan. (avtar med minskad bestrålningsstyrka)
-ev. resistiva förluster(effektförluster) i DC-och AC-ledningar.
Kanske något mer som jag här glömt att ta med.
(dock kan man säga att jag tar hänsyn till detta genom att jag sätter performance-faktorn= 0,80 och inte till 1,0).

Att ta hänsyn till skuggning är enormt mycket uppmätningsjobb och beräknande. (Inte heller växelriktarfabrikanternas program tar hänsyn till skuggning. Det är programanvändaren som måste tillhandahålla skuggningsdata.)

Med hjälp av boken ”Regenerative Energisysteme”, Prof. Dr. Volker Quaschning, 8:e utgåvan, 2013,
så får man ekvationer för solens strålstyrka(W/m2) och gång över himmeln för hela året. Även ekvationer för beräkning av direktstrålning och diffusstrålning ur uppmätta data från globalstrålningen. Ekvationer för uppvinklad platta(taket) i olika azimuter finns där också. Kanske tittade jag i någon annan bok också.

Jag kan beräkna  producerad energi(kWh) för viss period under året, för t.ex. perioden kl. 08:00 2 april till kl. 16:00 den 8 april. Även momentana solströmeffekten(kW) för valfritt vald timma på året, kan jag beräkna.

För en solcellsanläggning på 9,2 kWp bestående av 40 st 230 Wp moduler monterad på 3 olika tak, med 3 olika taklutningar och tittandes i 3 olika  väderstreck ger mitt program för 1 helt år: 7979 kWh.
SolarEdges program för 1 st växelriktare ger: 7931 kWh(om i 1 sträng) och 7980 kWh( om i 2 strängar)
I min beräkning satte jag performance-faktorn till 0,80. (Vad SolarEdge har som performance-faktor vet jag ej. De använder troligen uppmätta performance-faktorer från deras kunders växelriktare på deras portal, som de kontinuerligt samlar in.)

Med SMAs program "sunnydesignweb.com" försökte jag göra samma beräkning för 1 st växelriktare, men det går inte pga SMA endast har 2 oberoende MPP-ingångar. Jag tvingades med SMA program sammanföra 2 olika tak, som har olika taklutning(de har emellertid samma väderstreck) i en PV-generator. De övriga 2 taken kan dock vara egna PV-generatorer. Det behövs för SMA då minst 2 st växelriktare. SMAs beräkningsprogram ger 7868 kWh/år. SMA anger faktiskt vilken performance-faktor de använder, ca 0,847.

Mitt program tycks alltså stämma ganska bra överens med SolarEdges och SMAs program.

Performance-faktorn tar hänsyn till:
-verkningsgradsminskning pga moduluppvärmning.
-verkningsgradsminskning pga dellast.
-missmatch olika moduler och celler.
-reflektionsförluster pga snett infallande solljus.
-verkningsgradsändring vid annan spektralsammansättning(än AM1,5g)
-förluster pga försmutsning och snö.
-lednings- och diodförluster.
-förluster pga skuggning.
-MPP-anpassnigsfel MPP-tracker.
-spänningsomvandlingsförluster och egenförbrukning växelriktare.
-modul- och växelriktaravbrott.

Jag använder SMHIs timvärden för år 2013. Men jag såg att SMHIs timvärden för år 2013, totalt 8759 timvärden, fanns värden som var negativa(timvärden på natten), vilket är omöjligt. SMHI förklarade att det var brus. Sådana har jag satt till = 0, annars blir det tok. Egentligen skulle jag ha tagit timvärdena för flera år och gjort medelvärden av dem. Ett år är nämligen egentligen för litet. Men gäller beräkningen för hela året, så jämnar det ut sig. Dock vid beräkning av kort period, säg 1 vecka eller ett par timmar, så kan det vara så att det var enbart solsken, eller kanske enbart molning just den perioden, och beräkningsresultaten kan bli felvisande. Jag hade egentligen velat använda SMHIs uppmätta timvärden även för år 2014 också, men där saknas märkligt nog 269 tidsstämpel och timvärden för den mätstationen. Haveri? Det skall finna 8759 värden för ett år, om ej skottår. Egentligen hade jag velat göra medelvärden för uppmätta timvärden för en 10-årsperiod, men jag hittar inte så mycket data. Det märkliga med SMHIs timvärden är att mätdata börjar först 1 jan. 2013. Det finns inga tidigare värden. Kanske har de då satt dit en ny mätgivare(och kastat de gamla mätvärdena?). SMHI anger sina timvärden vara "historiska granskade", men det kan de inte vara då de har tagit med negativa värden och att det saknas värden för vissa timmar på året.

På SMHIs hemsida hittar man globalstrålningsdata, nämligen, välj ”Data”, sedan under rubrik ”ladda ner data”  välj ”utforskaren för data” sedan kryssa för vid ”globalstrålning” välj sedan ”metrologiska observationer globalstrålning timvärden” jag valde länk ”http://opendata-download-metobs.smhi.se/explore/?parameter=9”. Som synes finns där 17 mätstationer i Sverige. Då kan man ladda ner från dessa olika svenska mätstationer. Man får datan i märkligt csv-format, men den går att öppna med exel och hyfsa till. (Jag vet att man på annat stället på SMHIs hemsida kan få beräknade globalstrålningsvärden från SMHI för valfri bredd- och längdgrad på jorden, men jag vill istället använda verkliga uppmätta timvärden.)

Man får beakta att tidsstämpeln för timvärdena inte är lokaltid, utan tidsstämpel är UTC-tid, dvs engelsmannens tid i Greenwich England vid Noll-meridianen. Detta är viktigt att beakta vid energiberäkning speciellt för korta perioder. Uppmätt timvärde måste ju synkroniseras med solens höjd och azimut.
Sommartid och vintertid måste man också hålla reda på.

Angående globalstrålning: globalstrålning = direkt solstrålning + diffus solstrålning.
Diffus solstrålning kommer från alla håll, medan den direkta solstrålningen kommer direkt från solen.

Beräkningsgången är i princip följande:
1. För varje SMHI-timvärde för globalstrålning görs en beräkning (för ett år blir det 8759 beräkningar). resultaten för dessa summeras. SMHI-timvärdet antas vara konstant varje timma. Man räknar ut var solen befinner sig för varje timma också, givetvis. När solen är släckt, alltså på natten, summerar man också för varje timma, men då blir tillskottet(kWh) noll, men beräkningsrutinen blir enklare då, än att hålla reda på när solen är släckt.
2. SMHIs timvärde för globalstrålning för den horisontala plattan delas upp i direktstrålning och diffusstrålning.
3. Den direkta strålningen och den diffusa solstrålningen på den horisontella plattan räknas om medelst ekvation till direktstrålning och diffusstrålning på det uppvinklade taket och takets azimut beaktas. Reflekterande strålning, som kommer från marken beaktas också för taket. Dessa 3 strålningar summeras och summan för alla timmar summeras och ger hela valda periodens energi(kWh).
4. Totalresultatet multipliceras med performance-faktorn.

Om man skulle ha solcellsmodulerna liggande på ett horisontalt tak, blir beräkningen mycket enkel.
Man tar SMHs timvärden direkt utan uppdelning i direkstrålning och diffusstrålning. En horisontal yta kan inte träffas av reflekterande strålning från marken, så man behöver inte heller beakta den reflekterande strålningen. Man multiplicerar dessa mätvärden med modulverkningsgraden, total solcellsmodulyta och summerar produkten för alla periodens timmar. Men så enkelt är verkligheten sällan. De flesta solcellsanläggningsägare envisas med att vinkla upp modulerna och vrida dem i något väderstreck.

Vidare, om solen kunde stå still på samma plats på himlavalvet, och inte envisas med att ständigt röra sig, vore livet enklare för ingenjörer och andra.

Detta inlägg är för att visa att det går att utföra energiberäkningen själv.
Alles klar Herr Kommissar!

För att visa beräkningen för 2 olika klockslag(timvärden) för Växjö, se bifogad
bild nedan. Upprepar man sådan beräkning ytterligare 8758 gånger, så har man 1 år.
Det gör man i sitt beräkningsprogram givetvis automatiskt i en iterationsslinga.

Platta är här själva modulerna.
Gula fält= värde att ange.
Ljusblå=beräknade värden.

Azimuten, som man skall ange för den uppvinklade plattan, alfaE,
är inte som man först skulle tro, utan t.ex. vid azimut = 0 grader är
visserligen norr, men den uppvinklade modulen tittar då precis
åt söder(inte norr). (i SMA växelriktarfabrikant-program, så betyder
deras azimut= 0 grader, att solcellsmodulerna också tittar
mot precis mot söder.) I SolarEdges program betyder däremot
azimut=0 grader, att modulerna tittar precis mot norr.

Albedo-värdet är reflektionskonstanten för diffust reflekterande ytor, i vårt fall,  marken.
T.ex. albedo= 0,80, innebär att 80 % av det infallande ljuset mot ytan reflekteras.

skog=0,05 till 0,18
vattenyta= 0,05 till 0,20 beroende på ljusinfallsvinkeln.
asfalt=0,15
gräs=0,25
betong=0,30
öken=0,30
nysnö=0,80 till 0,90
Alltså, nysnö reflekterar bra.

Moln har ett albedo-värde på = 0,60 till 0,90

Som framgår av exempelberäkningen ovan, så bidrar inte markreflektionen med speciellt mycket, endast 0,82 och 1,1 W/m2. Detta beror delvis på att uppvinklingen är så liten som 11 grader. Vid 0 graders uppvinkling(dvs ligger horisontalt), kan som nämnts ovan, överhuvudtaget igen reflekterad strålning från marken nå solcellsmodulerna. Om solcellsmodulerna uppvinklas 180 grader(dvs den tittar rakt ner i marken), då är den reflekterande markstrålningen, som träffar den, som högst.

Arne