!! % % % % % %!! % % % % % % % %!!! II!!

Transkript

1

2

3 Forord Masteroppgaven ble utformet i samarbeid med COWI AS, i forbindelse med et rehabiliteringsprosjektpåosloposthus,oftekaltpostgirobygget.måletmedoppgavenvarå finneuthvormyedetelektriskeenergiforbrukidetrehabiliterteposthuset,kanreduseres med solenergi fra et solcelleanlegg. Oppgaven er mentsometutgangspunktforliknende prosjekterpånæringslivsbygg,derdetkanværeaktueltåprosjektereetsolcelleanlegg. Stor takk til hovedveileder Hans Ekkehard Plesser ved NMBU, som har bidratt medbra veiledning, engasjement for fagområdet og kontinuerlig oppfølging gjennom hele masteroppgaven.videreønskerjegåtakkefagfolkenepåcowisomharhjulpetmeggjennom oppgaven. Spesielt takk til AnneKKristine Amble som har hjulpet meg med å utarbeide timeverdierforposthusetselektriskeenergiforbruk,ogharaldhammersomharhjulpetmeg medstadigespørsmålomsimuleringsprogrammetpvsystogspørsmålrundtsolceller.også stortakktileksternveilederfracowi,olavøkern,somharfulgtmeggjennomoppgavenog kommetmedinnspill. JegvilogsåretteentakktilStanislasMerletsomjobbermedsolenergiiMulticonsult,ogKarl AndreassenogKjellMatzowfrarådgivningsfirmaetSologvind.Alleharkommetmedinnspill til mulige løsninger for oppsett av solceller, valgt av solcelleteknologier og simulering i PVsyst. Til slutt ønsker jeg å takke min venn Sigbjørn Grini og mamma Lisbeth Fauske, for korrekturlesing.oghelttilsistentakktilminkjæreoleandersvandsembsomharholdtmeg medselskappålesesalenogbidrattmedgodeinnspilltiloppgaven. Ås,5.juni2015 TineMarielleFauske I

4 II

5 Sammendrag Masteroppgaven tar for seg et mulighetsstudie for å ha solceller på Posthuset i Oslo, i forbindelse med et rehabiliteringsprosjekt kalt Urban Mountain. Urban Mountain er det norske vinnerprosjektet av Nordic Built Challenge i 2013 og har designet Posthuset til et bærekraftignæringsbygg,medmulighetforåoppnåhøyestenivåforbreeamsertifisering.i oppgaven er det simulertpotensiellenergiproduksjonmedtiulike oppsett av solceller på sørk,østkogvestfasaden,samtpåtakettilposthuset. Simuleringene er gjort i programmet PVsyst,somerdesignetforsolcelleanlegg. Et viktig mål med rehabiliteringsprosjektet Urban Mountain, er at Posthuset skal bli et lavenergibygg.ensentraldelavmasteroppgaveneråfinnegunstigeoppsettmedsolcellerpå Posthusetoganslåhvormyedetelektriskeenergiforbrukkanreduseres.Ioppgavenerdet presentert to løsninger med oppsett av solceller. Den ene løsningen presenterer den mest økonomisk gunstige løsningen, i forhold til hvor mye energi solcelleanlegget klarer å produsereutifrainstallertkapasitet.denandreløsningenpresentereretoppsettavsolceller sommaksimererdenårligeenergiproduksjonenutifraoppsettenesomersimulertipvsyst. Løsningeneerkaltøkonomisk(ogmaksimalløsning. Ved økonomisk løsningerdetforeslåttsolcellerpåsørkogøstfasaden over en høyde på 33,5meter, samt solceller på taket i et fritt montert oppsett, installertparallelt med bygningskroppen og med en modulhelningpå5.solcellenepåfasadenutgjøretarealpå 2419m 2, som tilsvarerca.35avfasadearealetover33,5meter.solcellearealet påtaket utgjør 807m 2 og er fordelt utover heletaketpådetosørvendteblokkene.totalterdet installertenkapasitetmednominelleffekt522kw p,noesomiløpetavetårproduserer0,39 GWh. Dette utgjør 7,7 av det årlige elektriskeenergiforbrukettil Posthuset, noe som tilsvarerenreduksjonpå79kwh/m 2 til73kwh/m 2. Vedmaksimalløsningbleårlignettoelektriskenergiforbrukreduserttil71kWh/m 2,meden årlig produksjon på 533 kwh, som tilsvarer 10,5 av elektrisk forbruk. Maksimal løsning harinstallert808kw pmedsolceller,noesomutgjøretsolcellearealpå6656m 2.Maksimal løsningerdermedmindreenergikogplasseffektiv,sammenlignetmedøkonomiskløsning. Begge løsningene hadde tilfeller i løpet av året der effektproduksjonen fra solcelleanlegget var høyere enn det elektriske effektforbruket til Posthuset. For tilfeller ved produksjonsoverskuddkanoverskuddetentenmatesutpånettet,ellerlagresietenergilager. VedåmateoverskuddsenergiutpånettetvilPosthusetfalleinnunderPlusskundeordningen dersomdetikkevednoetidspunktmatesinnmerenn100kw. PrisutviklingenpåsolcelleanleggharværtgradvissynkendeiEuropa,oginoenlandharden blitt konkurransedyktig med energiprisen for elektrisitet fra strømnettet. I Norge har solcellemarkedethattnoetregerutvikling,mendetfikketoppsvingi2014.masteroppgaven tarforsegenlønnsomhetsanalysesompresentererenergikostnadenoverenantattlevetid for solcelleanlegget. Lønnsomhetsanalysen er beregnet med LCOEKmetoden, med utgangspunkt i både økonomisk og maksimal løsning. Med økonomisk løsning resulterte lønnsomhetsanalysenienenergiprismellom1,5k2,6 kr/kwh,understandardbetingelser definertioppgaven,ogenantattlevetidpå25år.energiprisenvarierermedetøvre,nedreog middels nivåforinvesteringskostnad.energiprisen med maksimal løsning ble høyere, ettersom den innebærer mindre energieffektive løsninger.ioppgavenerdetogsågjorten følsomhetsanalyseforlcoemedøkonomiskløsning,somviserendringienergikostnadved varierendediskonteringsrateogårligekostnader.foråreduserelcoeerdetogsåmuligå søkeomøkonomiskstøttefraulikestøtteordninger.fordetteprosjektetvildetværemuligå søkepåenovasittprogram støttettileksisterendebygg. III

6 IV

7 Abstract In this thesis, the possibility for photovoltaic power generation on a Norwegian business buildinginoslo,namedposthuset,hasbeenevaluated.thestudyisrelatedtoarehabilitation project of Posthuset, calledurbanmountain,whichwasthenorwegianwinnerprojectof Nordic Built Challenge in Through Urban Mountain, Posthuset is designed to be a sustainable business building, with the ability to reach the highest level of BREEAM certificate.inthisthesis,tendifferentphotovoltaicsystemshavebeensimulated,placedon the east, south and west facade of the building, and on the roofofthebuilding. The solar systems are simulated by a simulation software designed for photovoltaic systems, called PVsyst. AnimportanttargetwiththerehabilitationprojectUrbanMountainistomakePosthuseta lowenergybuilding.akeyelementofthisthesisistofindfavourablesetupsofsolarpanels, and predict by how much the electricenergyconsumptionofthebuilding can be reduced. Thethesispresentstwosolarsystems,describedbyaneconomicandamaximalsolution.The economic solution presents the most energy efficientsolarsystem, compared to installed capacity and the buildingareacovered by panels. The maximalsolutionpresentsthesolar systemthatgivesmaximalenergyoutputthroughayear. Theeconomicsolutionproposesasolarsystemwithpanelsontheeastandsouthfaçadefrom a height above 33,5 meters. The systemalsoincludessolarpanels on the roof in a free mountedsystem,wherethemodulesareinstalledparallelwiththebodyofthebuilding,with amoduletiltof5.ontheeastandsouthfacadethepanelscoversapproximately35ofthe facadeabove33,5meters.ontheroof,thesolarpanelsarespreadoutonthesouthfacing buildings.thetotalareaofsolarpanelsbyeconomicsolutionis3226m 2.Thetotalinstalled capacityis522kw p,whichproducesabout0,39gwhayear.byeconomicsolution7,7of theannuallyelectricenergyconsumptioncanbesuppliedbysolarpower,whichreducesthe electricenergyconsumptionfrom79kwh/m 2 to73kwh/m 2. Bymaximalsolution,theannualelectricconsumptionwillbereducedto71kWh/m 2,withan annualenergyyieldof533kwh,correspondingto10,5oftheelectricenergyconsumption. Thesolarsystemhasaninstalledcapacityof808kW pandapanelareaof6656m 2,which makemaximalsolutionlessenergyefficientandrequiresmorespacethaneconomicsolution. Both economic and maximal solution will have periods during ayearwherethepower consumptionislessthantheproducedpower.theexcesspowercaneitherbeejectedtothe gridorstored.forgridconnectedpowersystemsinnorway,thesolarsystemwilltakepart ofthearrangement Plusskundeordningen aslongasthepowersuppliedtothegridnever exceeds100kw. Europe has experienced a huge growth in the solar marketthelastyears,andinseveral countries the energy price ofphotovoltaicpowerhasreachedgridparity. An economical analysis is done in the thesis for both economic and maximal solution, by the method levelized( cost( of( energy (LCOE).( By economicsolution, the result from LCOE was 1,5K 2,6NOK/kWh, by standard conditions defined in the thesis and an assumed lifetime of 25 years for the solar system. The price of energy is split into three levels, varying with the investment cost. The LCOE by maximal solution results in a higher price interval, as the solution is less energy efficient. In this thesis, a sensitivity analysis has been done for economic solution, by varying the discount rate and annually cost. One way to reduce the LCOEistoapplyforsubsidies.ThisprojectcanapplyforsubsidiesfromEnova. V

8 Innholdsfortegnelse FORORD I SAMMENDRAG FEILBOKMERKEERIKKEDEFINERT. ABSTRACT V OVERSIKTOVERFIGURER OVERSIKTOVERTABELLER SYMBOLOVERSIKT IX XIII XV 1 INNLEDNING 1 1.1BAKGRUNNFOROPPGAVEN 2 1.2PROBLEMSTILLINGOGAVGRENSNINGAVOPPGAVEN 3 1.3OPPGAVENSUTFORMING 4 2 TEORI 5 2.1OPPBYGNINGAVETSOLCELLESYSTEM SOLCELLEGENERATOREN BYPASSDIODEROGBLOKKERINGSDIODER MONTERINGSSYSTEM VEKSELRETTEREN DCSIKKERHETSBRYTEROGBRANNFAREIETSOLCELLEANLEGG OVERVÅKNING,MONITORERINGOGNØDSTRØM LAGRINGAVELEKTRISKENERGI EKSPORTAVELEKTRISKENERGI PLUSSKUNDEORDNINGEN SOLCELLETEKNOLOGI HALVLEDERMATERIALERISOLCELLER KRYSTALLINSKESILISIUMSOLCELLER,CKSI TYNNFILMSOLCELLER ORGANISKESOLCELLER(POLYMERSOLCELLER) EGENSKAPERSOMPÅVIRKEREFFEKTIVITETENTILSOLCELLESYSTEMET TERMISKETAPISOLCELLENE OHMSKETAPILEDNINGENE TAPISOLCELLEMODULENE BEDRINGAVMODULYTELSEFORCIGSSOLCELLERKLIGHTSOAKINGEFFECT DEPONERINGAVPARTIKLERPÅSOLCELLEMODULENE REFLEKSJONSTAP TAPSOMFØLGEAVATSYSTEMETIKKEERTILGJENGELIG SOLINNSTRÅLING?OGKLIMADATA DIREKTE,GLOBALOGDIFFUSSOLINNSTRÅLING ALBEDO VINDHASTIGHETOGTEMPERATUR TILGJENGELIGEMETEOROLOGISKEDATA SANNSOLTIDOGLOKALKLOKKETID SOLTEORIOGSOLENSPOSISJONPÅHIMMELEN SOLINNSTRÅLINGOGSTRÅLINGSSPEKTERET SOLENSPOSISJONPÅHIMMELEN INNSTRÅLINGPÅENSOLCELLEMODULELLERENVILKÅRLIGFLATE FORHOLDSOMBESKRIVERHVORBRAETSOLCELLEANLEGGYTER 24 VI

9 2.7ENERGIFORBRUKIBYGNINGER ØKONOMISKANALYSELCOE STØTTEORDNINGER 25 3 METODE REHABILITERINGSPROSJEKTETURBANMOUNTAIN SIMULERINGAVPOTENSIELLENERGIPRODUKSJON SIMULERINGSPROGRAMMETPVSYST PROSJEKTETSPLASSERINGOGVALGAVMETEOROLOGISKEDATA VALGAVALBEDO ORIENTERINGAVSOLCELLEMODULENE VALGAVSOLCELLEROGINVERTERETILSIMULERING TAPSLEDDIHELESOLCELLESYSTEMET GENERERINGAVHORISONTVEDBRUKAVPROGRAMVARENMETEONORM DEFINERENÆRLIGGENDEOBJEKTERSOMKANSKYGGEFORSOLCELLENE SKYGGEBEREGNINGERAVDEULIKEMODULENE BEREGNINGAVÅRLIGENERGIFORBRUK SENTRALEFORBRUKSDATA BEREGNINGAVTIMEVERDIERFORENERGIFORBRUKETTILPOSTHUSET LCOE,ØKONOMISKANALYSEAVSOLCELLEANLEGGET SYSTEMPRISER ÅRLIGEKONTANTSTRØMMER ÅRLIGDEGRADERINGSRATEFORSOLCELLER DISKONTERINGSRATE LEVETIDENTILSOLCELLEANLEGGET BYTTEAVVEKSELRETTERE 50 4 RESULTATER METEOROLOGISKEDATA BEREGNETRADAVSTANDERFORÅUNNGÅSKYGGINGAVMODULER RESULTATERFRASIMULERINGAVPOTENSIELLENERGIPRODUKSJONIPVSYST DAGLIGENERGIPRODUKSJON DAGLIGENERGIPRODUKSJONPERSOLCELLEAREAL DAGLIGSPESIFIKKPRODUKSJON MÅNEDLIGEVERDIERFORYTELSESFORHOLD FREMSTILLINGAVDETELEKTRISKEFORBRUKETTILPOSTHUSET SAMMENLIGNINGAVELEKTRISKFORBRUKOGENERGIPRODUKSJON ØKONOMISKLØSNING MAKSIMALLØSNING ØKONOMISKANALYSE LØNNSOMHETENVEDØKONOMISKLØSNING LØNNSOMHETENVEDMAKSIMALLØSNING FØLSOMHETSANALYSEFORLCOEBEREGNINGER 68 5 DISKUSJON VALGAVMETEOROLOGISKEDATASOMBENYTTESTILSIMULERINGER VURDERINGAVPLASSERINGAVMODULRADENEPÅTAKET SKYGGESOMKASTESFRAMODULENEPÅTAKET SKYGGETAPSIMULERTIPVSYST ORIENTERINGIFORHOLDTILSOLINNSTRÅLING PRAKTISKOPPSETTAVSOLCELLERVEDVEDLIKEHOLD VURDERINGAVVARIABLERBRUKTIPVSYST ALBEDOEFFEKTEN 72 VII

10 5.3.2SOLCELLESYSTEMETSTILGJENGELIGHET ELEKTRISKTAPVEDSKYGGINGAVMODULER SNØTAPILØPETAVVINTERMÅNEDENE SAMMENLIGNINGAVRESULTATENEFORENERGIPRODUKSJON TOTALÅRLIGENERGIPRODUKSJONOGSPESIFIKKPRODUKSJON ENERGIPRODUKSJONPERSOLCELLEAREAL YTELSESFORHOLD REDUSERTNETTOENERGIFORBRUKFORPOSTHUSET HVORLØNNSOMTERDETMEDSOLCELLER 75 6 KONKLUSJON 77 7 REFERANSELISTE 79 8 VEDLEGG 83 A:IMPORTAVMETEOROLOGISKEDATAIPVSYST B:SIMULERTSKYGGINGAVMODULERIPVSYST 85 C:ENERGIPRODUKSJONPERSOLCELLEAREAL 86 D:MÅNEDLIGSPESIFIKKPRODUKSJON 87 E:TAPSDIAGRAMMERFRASIMULERINGERIPVSYST 89 F:LCOEBEREGNINGER 94 G:KOSTNADERFORBIPVSAMMENLIGNETMEDANNETFASADEKLEDE 95 H:ELEKTRISKEEGENSKAPERFORCIGS,A?SI:HOGC?SIBENYTTETUNDERSIMULERING 96 I:OPPSETTAVSOLCELLERPÅFASADENEIPVSYST 98 VIII

11 Oversiktoverfigurer FIGUR1:GLOBALINSTALLERTEFFEKT,SOLCELLEANLEGG.FIGURENERBASERTAVEPIA(2014) FIGUR2:PROSJEKTBILDEAVDETREHABILITERTEPOSTHUSET.BILDETERHENTETMEDTILLATELSEFRAENTRA FIGUR3:KOMPONENTERSOMKANINNGÅIETSOLCELLESYSTEM.FIGURENERINSPIRERTAVMARKVART FIGUR4:KOMPONENTENEIETNETTILKOBLETSOLCELLESYSTEM.1)SOLCELLEMODULER,2)KOBLINGSBOKS,3)DCK BRYTER,4)VEKSELRETTER,5)ACKBRYTER,6)ENERGIMÅLER,7)FORDELINGSSKAPMEDSIKRINGER,8) TILKOBLINGSPUNKTSTRØMNETTET.FIGURENERHENTETMEDTILLATELSEFRAFORNYBAR.NO...6 FIGUR5:SOLCELLE,MODULOGSOLCELLEARRAY.FIGURENBASERESPÅANDERSEN FIGUR6:ØVERSTVISESENTYPISKIKVKARAKTERISTIKKMEDTILHØRENDEEFFEKTKURVEFORENSOLCELLEMODUL. NEDERSTVISESIKVKARAKTERISTIKKMEDEGENSKAPENESOMBESTEMMERFYLLFAKTORENTILENMODUL. FIGURENERUTARBEIDETMEDUTGANGSPUNKTIMÅLINGERGJORTAVSTRØMOGSPENNINGENVILKÅRLIG HØSTDAGOGVILDERMEDAVVIKEFRAMÅLINGERGJORTUNDERSTANDARDTESTFORHOLD.MÅLINGENEERGJORT FORENMULTIKRYSTALLINSK220WSOLCELLEMODULFRAREC,REC220PE,IFORBINDELSEMED ENERGITEKNOLOGILABVEDNMBU.DATABLADVERDIERFORP MPP,I SCOGV OCVILMESTSANNSYNLIGVÆRE FORSKJELLIGFRADEMÅLTEVERDIENE,ETTERSOMDEBESTEMMESUNDERSTANDARDTESTFORHOLD....8 FIGUR7:BYPASSKOGBLOKKERINGSDIODER.FIGURENTILVENSTREVISERHVORDANBLOKKERINGSDIODEROG BYPASSDIODERSETTESOPPIETSOLCELLEARRAY.FIGURENTILHØYREVISERHVORDANBYPASSDIODERKANSETTES OPPIENMODUL.FIGURENEERINSPIRERTAVMARKVART 17 OGGERMANSOLARENERGYSOCIETY FIGUR8:EKSITASJONAVETELEKTRONIETHALVLEDERMATERIALE.ELEKTRONETETTERLATERSEGETHULLI VALENSBÅNDET.E LOGE VERENERGINIVÅENEIHENHOLDSVISLEDNINGSBÅNDETOGVALENSBÅNDET,MENSE GER ENERGIFORSKJELLEN...12 FIGUR9:OPPBYGNINGAVENPNKOVERGANGIENSOLCELLE...13 FIGUR10:EKSITASJONAVETELEKTRONIENHALVLEDERMEDDIREKTEBÅNDGAPOGINDIREKTEBÅNDGAP.XKAKSEN VISERBEVEGELSESMENGDEOGYKAKSENVISERENERGI...13 FIGUR11:OPPBYGNINGENAVENCIGSSOLCELLE.FIGURENBASERESPÅCHEN FIGUR12:LUFTMASSENSOLINNSTRÅLINGENMÅGÅIGJENNOMFØRDENNÅRBAKKENØKERMEDENVINKELφ,SOMSOLA HARFRASENIT.FIGURENBASERESPÅCHEN FIGUR13:TILVENSTREVISESMERIDIANENM,SOLHØYDENα S(OGSOLENSASIMUTγ S.TILHØYREVISESSOLENS DEKLINASJONδ(OGTIMEVINKELENω.FIGURENEERHENTETMEDTILLATELSEFRAROMUNDSTAD FIGUR14:FIGURENVISERSOLENSBANEIOSLOVEDULIKEÅRSTIDER.FIGURENERSIMULERTIPVSYST...23 FIGUR15:ORIENTERINGENTILENSOLCELLEMODULSOMBESKRIVESVEDASIMUTγOGHELNINGβ.θVISERSOLENS INNFALLSVINKELIFORHOLDTILMODULENSNORMAL.FIGURENERHENTETMEDTILLATELSEFRAROMUNDSTAD FIGUR16:PROSJEKTTEGNINGAVDETREHABILITERTEPOSTHUSET.FIGURENERHENTETFRA REHABILITERINGSPROSJEKTETURBANMOUNTAINMEDTILLATELSEFRAENTRA...26 FIGUR17:KARTOVERPOSTHUSETSLOKASJONSOMVISERBYGNINGENSORIENTERING.FIGURENERHENTETFRAURBAN MOUNTAINBOOKLETMEDTILLATELSEFRAENTRA...27 FIGUR18:VESTK,SØRKOGØSTFASADENTILDETREHABILITERTEPOSTHUSET.FIGURENERHENTETFRAURBAN MOUNTAINBOOKLETMEDTILLATELSEFRAENTRA...28 IX

12 FIGUR19:DETREHABILITERTEPOSTHUSETSETTOVENIFRA.DETERVURDERTSOLCELLERPÅTAKA1OGA2.FIGUREN ERUTARBEIDETFRAENPROSJEKTTEGNING(AUTOCAD)FRAURBANMOUNTAINOGHENTETMEDTILLATELSEFRA ENTRA FIGUR20:PARAMETRESOMDEFINERESUNDERSIMULERINGAVETSOLCELLEANLEGGIPVSYST FIGUR21:SAMMENLIGNINGAVIMPORTERTEMETEOROLOGISKEDATAFORGLOBALOGDIFFUSHORISONTALSTRÅLING MEDSTRÅLINGSMODELLFORENKLARVÆRSDAG.FIGURENERSIMULERTIPVSYST FIGUR22:OPTIMALORIENTERINGFORENSOLCELLEMODULIOSLOKOMRÅDET.FIGURENERHENTETFRAPVSYST FIGUR23:STØRRELSEPÅSOLCELLEMODULBRUKTPÅTAKOGBEREGNINGAVSKYGGEFRASOLCELLEMODULENE FIGUR24:ULIKEOPPSETTAVSOLCELLERPÅTAKETSETTOVENIFRA.BILDETTILVENSTREVISERSOLCELLERADER PLASSERTPARALLELTMEDBYGNINGSKROPPENISØRLIGRETNINGMEDSTORRADAVSTAND.BILDETIMIDTENVISER SOLCELLERRETTETDIREKTEMOTSØRMEDLITENRADAVSTAND.BILDETTILHØYREVISERSOLCELLERPLASSERT PARALLELTMEDBYGNINGSKROPPIØSTKVESTRETNING FIGUR25:EFFEKTIVITETSKURVE,EFFEKTKURVEOGIVKKARAKTERISTIKKFORTSK160KC2FRATSMCKSOLARBRUKTPÅ VEGGFASADERUNDERSIMULERINGIPVSYST.FIGURENEERHENTETFRAMODULSPESIFIKASJONENIPVSYST FIGUR26:EFFEKTIVITETSKURVE,EFFEKTKURVEOGIVKKARAKTERISTIKKFORSPRKX21K335FRASUNPOWERBRUKT UNDERSIMULERINGERAVSOLCELLERPÅTAKET.FIGURENEERHENTETFRAMODULSPESIFIKASJONENIPVSYST FIGUR27:EFFEKTIVITETSKURVE,EFFEKTKURVEOGIVKKARAKTERISTIKKFORASITHRUK4KIO10FRASCOTTSOLAR, BRUKTPÅVINDUSFASADERUNDERSIMULERING.FIGURENERHENTETFRAMODULKARAKTERISTIKKIPVSYST FIGUR28:SUNNYTRIPOWER20KW.EFFEKTIVITETSKURVESOMFUNKSJONAVINNSENDTEFFEKTTILVEKSELRETTER FIGUR29:SUNNYTRIPOWER25KW.EFFEKTIVITETSKURVESOMFUNKSJONAVINNSENDTEFFEKTTILVEKSELRETTER FIGUR30:INGECONSUN19TLKSM11KW.EFFEKTIVITETSKURVESOMFUNKSJONAVINNSENDTEFFEKTTIL VEKSELRETTER FIGUR31:HORISONTENSOMSESFRAFOROSLOPOSTHUSSINLOKASJON,GENERERTVEDPROGRAMVAREFRA METEONORM FIGUR32:POSTHUSET,VISTIGULT,SETTFRANORDSIDEN.BILDEERFRA3DKSCENENIPVSYST FIGUR33:POSTHUSETSETTFRASØRSIDEN.BILDEAV3DKSCENELAGETIPVSYSTMEDBYGNINGERSOMERPOTENSIELLE SKYGGEOBJEKTER FIGUR34:ÅRLIGELEKTRISKENERGIFORBRUKFORDELTPÅULIKEENERGIPOSTER FIGUR35:HORISONTALGLOBALSTRÅLING FIGUR36:HORISONTALDIFFUSSTRÅLING FIGUR37:GJENNOMSNITTLIGEMÅNEDSVERDIERFORTEMPERATUR(VENSTRE)OGVINDHASTIGHET(HØYRE) FIGUR38:ÅRLIGENERGIPRODUKSJONFORULIKEOPPSETTAVSOLCELLERPÅTAKOGFASADER FIGUR39:ÅRLIGSPESIFIKKPRODUKSJONRELATIVTTILINSTALLERTNOMINELLEFFEKT FIGUR40:ÅRLIGENERGIPRODUKSJONPERM 2 SOLCELLEINSTALLERT FIGUR41:YTELSESFORHOLDFORDEULIKEOPPSETTENEAVSOLCELLERPÅTAKOGFASADER FIGUR42:DAGSVERDIERFORENERGIPRODUKSJONFRADEFORSKJELLIGEOPPSETTENEAVSOLCELLERPÅTAKA1OGA2. DAGSVERDIENEREPRESENTERERETHELTÅR FIGUR43:DAGLIGENERGIPRODUKSJONGJENNOMETHELTÅR.FIGURENTILVENSTREVISEROPPSETTENEAVCIGS SOLCELLERPÅØSTK,SØRKOGVESTFASADEN,MENSFIGURENTILHØYREVISERAKSI:HSOLCELLERPÅVINDUERPÅ ØSTOGVESTFASADEN X

13 FIGUR44:DAGLIGENERGIPRODUKSJONPERSOLCELLEAREALFORLØSNINGERPÅTAK,VEGGOGVINDUMED TEKNOLOGIENECKSI,CIGSOGAKSI:H FIGUR45:DAGLIGSPESIFIKKPRODUKSJONOVERETHELTÅRFORFASADELØSNINGERMEDAKSI:H(ØVERSTVENSTRE), FASADELØSNINGERMEDCIGSSOLCELLER(HØYRE),TAKLØSNINGERMEDCKSI(NEDERSTTILVENSTRE)OG SAMMENLIGNINGAVTAK,FASADEOGVINDU(NEDERSTTILHØYRE)...57 FIGUR46:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORTAKPARALLELLK20KS(VENSTRE)OGTAKPARALLELLK20KL(HØYRE)...58 FIGUR47:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORTAKPARALLELLK5(VENSTRE)OGTAKØSTKVEST5(HØYRE)...58 FIGUR48:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORTAKSØRK FIGUR49:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORSØRFASADE(VENSTRE)OGØSTFASADE(HØYRE)MEDCIGSMODULER...59 FIGUR50:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORVESTVENDTVEGGFASADEMEDCIGSMODULER...59 FIGUR51:MÅNEDLIGYTELSESFORHOLDFORSØRFASADE(VENSTRE)OGØSTFASADE(HØYRE)MEDAKSI:HMODULER...59 FIGUR52:TIMEVERDIERFORTOTALTELEKTRISKEFFEKTFORBRUKFORPOSTHUSETGJENNOMETHELTÅR FIGUR53:TIMEVERDIERFORTOTALTELEKTRISKEFFEKTFORBRUKFORPOSTHUSETENUKEIJANUAR...60 FIGUR54:TIMEVERDIERFORELEKTRISKEFFEKTFORBRUKFORDELTPÅULIKEENERGIPOSTERFORPOSTHUSET. EFFEKTFORBRUKETREPRESENTERERENUKEIMAI/JUNI...60 FIGUR55:TIMEVERDIERFORELEKTRISKEFFEKTFORBRUKFORROMKJØLINGOGVENTILASJONSKJØLING.TIMEVERDIENE REPRESENTERERFORBRUKETIJUNIOGJULI...61 FIGUR56:DAGLIGENERGIPRODUKSJONFORØKONOMISKLØSNINGGJENNOMETHELTÅR...63 FIGUR57:SAMMENLIGNINGAVEFFEKTFORBRUKOGEFFEKTPRODUKSJONREPRESENTERTVEDTIMEVERDIERGJENNOM ETHELTÅR FIGUR58:TIMERMEDPRODUKSJONSOVERSKUDDILØPETAVETÅR FIGUR59:SAMMENLIGNINGAVELEKTRISKEFFEKTFORBRUKOGKPRODUKSJON(VENSTRE),SAMTHVORSTORANDEL EFFEKTPRODUKSJONENUTGJØRAVEFFEKTFORBRUKET(HØYRE).GRAFENEVISESITIMEVERDIEROG REPRESENTERERENUKEFRAMANDAGTILSØNDAG,10.K17.JUNI...64 FIGUR60:ANDELENENERGIPRODUKSJONENFRASOLCELLEANLEGGETUTGJØRAVDETELEKTRISKEEFFEKTFORBRUKET FORTOUKERIJANUAR...64 FIGUR61:FIGURENØVERSTVISERDAGLIGENERGIPRODUKSJONMEDMAKSIMALLØSNING.FIGURENNEDERST SAMMENLIGNEREFFEKTFORBRUKOGEFFEKTPRODUKSJONMEDUTGANGSPUNKTITIMEVERDIERFRAMAKSIMAL LØSNING FIGUR62:SAMMENLIGNINGAVEFFEKTPRODUKSJONOGEFFEKTFORBRUKREPRESENTERTVEDTIMEVERDIERENUKEI JUNI,SAMTANDELEFFEKTPRODUKSJONENUTGJØRAVEFFEKTBEHOVET(HØYRE).GRAFENEVISERVERDIERFOR 10.K17.JUNI...66 FIGUR63:ANTALLTIMERMEDOVERPRODUKSJONILØPETAVETÅR FIGUR64:LCOEBEREGNINGERFOR4SCENARIOERMEDØKONOMISKOGMAKSIMALLØSNING FIGUR65:FØLSOMHETSANALYSEVEDULIKEDISKONTERINGSRATEROGÅRLIGEKOSTNADERMEDØKONOMISKLØSNING FIGUR66:LCOEUNDERSTANDARDBETINGELSERVEDØKONOMISKOGMAKSIMALLØSNING FIGUR67:SAMMENLIGNINGAVIMPORTERTEMETEOROLOGISKEDATAFRASIMIENMEDMODELLERFORGLOBALOG DIFFUSHORISONTALSTRÅLINGENKLARDAG.GRAFENEREPRESENTERERBESTEKLARVÆRSDAGIJULIOGFEBRUAR...83 FIGUR68:KLARHETSINDEKSFORMORGENKOGETTERMIDDAGSTIMER...83 XI

14 FIGUR69:GLOBALINNSTRÅLINGGITTVEDINNSTRÅLTENERGIPR.MÅNDED(KWH/M 2 )FRAULIKEDATASETT. UTARBEIDETAVROMUNDSTAD FIGUR70:SKYGGINGAVSOLCELLENEPÅTAKET.BEGGEFIGURENEERSIMULERTMEDENASIMUTPÅ27 OGHELNINGPÅ 20.RADAVSTANDFORFIGURENTILVENSTREER1,41METER,OGFORFIGURENTILHØYREERDEN2,5METER FIGUR71:TAKPK20KS(VENSTRE)OGTAKPK20KL(HØYRE) FIGUR72:TAKPK5(VENSTRE)OGTAKØSTKVEST5(HØYRE) FIGUR73:TAKSØRK FIGUR74:SØRVENDTVEGGFASADE(VENSTRE)OGØSTVENDTVEGGFASADE(HØYRE)FORCIGSSOLCELLER FIGUR75:VESTVENDTVEGGFASADECIGS FIGUR76:SØRVENDTVINDUSFASADE(VENSTRE)OGØSTVENDTVINDUSFASADE(HØYRE)MEDAKSI:H FIGUR77:TAKPARALLELL20,STORRADAVSTAND FIGUR78:TAKPARALLELL20,LITENRADAVSTAND FIGUR79:TAKPARALLELL5,LITENRADAVSTAND FIGUR80:TAKSØRVENDT40,LITENRADAVSTAND FIGUR81:TAKØSTKVESTVENDTPARALLELTMEDBYGNIGNSKROPP5,LITENRADAVSTAND FIGUR82:FASADELØSNINGSØRVEGG,CIGSSOLCELLER FIGUR83:FASADELØSNINGØSTVEGG,CIGSSOLCELLER FIGUR84:FASADELØSNINGVESTVEGG,CIGSSOLCELLER FIGUR85:FASADELØSNINGSØRVINDUER,TRANSPARENTEAKSI:HSOLCELLER FIGUR86:FASADELØSNINGØSTVENDTEVINDUER,TRANSPARENTEAKSI:HSOLCELLER XII

15 Oversiktovertabeller TABELL1:FORDELEROGULEMPERVEDCKSISOLCELLER...14 TABELL2:FORDELEROGULEMPERVEDTYNNFILMSOLCELLER...15 TABELL3:PROSENTVISTAPSOMFØLGEAVDEPONERINGAVSNØOGANDREPARTIKLERPÅSOLCELLEMODULENE. TABELLENERUTARBEIDETFOROSLO...18 TABELL4:ENERGIPOSTERFORNETTOENERGIBEHOVOGLEVERTENERGITILETBYGG...24 TABELL5:FASADEAREALEROVER33,5METERUTENGRØNNELOMMER,SAMTASIMUTVINKLER...28 TABELL6:INFORMASJONOMPOSTHUSETSLOKASJON...30 TABELL7:METEOROLOGISKEVARIABLERSOMKANIMPORTERESIPVSYST...30 TABELL8:VARIABLEREKSPORTERTFRASIMULERINGSPROGRAMMETSIMIEN...31 TABELL9:BEREGNEDEGJENNOMSNITTSVERDIEROGSTANDARDVERDIERFORALBEDO...33 TABELL10:TIDSPUNKTERDETIKKEVILVÆRESKYGGEPÅSOLCELLEMODULENEPÅTAKET,ANTATTAT SOLINNSTRÅLINGENKOMMERNORMALTPÅRETNINGENTILMODULRADENE...35 TABELL11:ULIKEOPPSETTMEDSOLCELLERPÅPOSTHUSETSOMERSIMULERTIPVSYST...35 TABELL12:SOLCELLEMODULERBENYTTETUNDERSIMULERING...37 TABELL13:VEKSELRETTEREBENYTTETUNDERSIMULERING...40 TABELL14:TAPSLEDDUNDERSIMULERINGAVSOLCELLEANLEGGETIPVSYST...42 TABELL15:STANDARDVERDIERSOMBENYTTESFORTERMISKTAPSLEDDIPVSYSTVEDULIKEMONTERINGERAV SOLCELLEMODULER...43 TABELL16:ÅRLIGNETTOENERGIFORBRUKDELTOPPIENERGIPOSTERBEREGNETFORPOSTHUSETMED50 VINDUSFASADE.TABELLENERHENTETFRASIMULERINGSRAPPORTFORSIMIEN TABELL17:ÅRLIGLEVERTENERGITILPOSTHUSETVED50VINDUSFASADE.TABELLENERHENTETFRASIMIEN RAPPORTEN TABELL18:ENERGIPOSTENEFORELEKTRISKENERGIFORBRUKMEDTILHØRENDEVERDIERFORPÅVIRKENDEFAKTORER..48 TABELL19:STANDARDBETINGELSERANTATTVEDBEREGNINGAVLCOE...48 TABELL20:ØVRE,NEDREOGMIDLERENIVÅFORSYSTEMPRISER,DEGRADERINGSRATEROGANTATTLEVETID...48 TABELL21:VERDIERBENYTTETVEDFØLSOMHETSANALYSE...49 TABELL22:RADAVSTANDMELLOMMODULERVEDULIKESOLHØYDEROGMODULHELNINGER...52 TABELL23:RESULTATERSOMBLIRPRESENTERTFRAULIKEOPPSETTAVSOLCELLERPÅTAKOGFASADER...53 TABELL24:ULIKEOPPSETTAVSOLCELLERPÅØSTK,SØROGVESTFASADE...53 TABELL25:ULIKEOPPSETTAVSOLCELLERPÅTAKA1OGA TABELL26:VALGAVOPPSETTAVSOLCELLERFORØKONOMISKLØSNING...62 TABELL27:SAMMENLIGNINGAVENERGIFORBRUKOGENERGIPRODUKSJON...63 TABELL28:ANTALLTIMERMEDPRODUKSJONILØPETAVETÅROGANTALLTIMERMEDHØYEREPRODUKSJONENN FORBRUK...63 TABELL29:VALGTESOLCELLELØSNINGERFORMAKSIMAL(LØSNING...64 TABELL30:SAMMENLIGNINGAVENERGIPRODUKSJONOGENERGIFORBRUKVEDMAKSIMAL(LØSNING...65 TABELL31:ANTALLTIMERDETPRODUSERESENERGIFRASOLCELLEANLEGGET,SAMTANTALLTIMERDETER OVERPRODUKSJONVEDMAKSIMAL(LØSNING...65 XIII

16 XIV TABELL32:INVESTERINGSKOSTNADERMEDØKONOMISKLØSNING TABELL33:LCOEVEDØKONOMISKLØSNING TABELL34:INVESTERINGSKOSTNADERMEDMAKSIMALLØSNING TABELL35:LCOEMEDMAKSIMALLØSNING TABELL36:PRISPERAREALFORULIKEFASADEMATERIALEROGBIPV TABELL37:SAMMENLIGNINGAVULIKEKOSTNADERFORBIPVOGKOSTNADERBRUKTUNDERSIMULERING... 95

17 Symboloversikt Symbol K α s γ σ δ ω β M θ AM U Uc U v v SP PR LCOE I Kårlig Eårlig r d n Forklaring Klarhetsindeks Solhøyde Asimut Breddegradentiletsted Solensdeklinasjon Timevinkel Helningpåsolcelle Meridian Vinkelmellomsolinnstrålingpåenflate ognormalenutfraflaten Airmass Totalttermisktap Konstanttermisktapsledd Termisktapsleddproporsjonalmedv Vindhastighet Spesifikkproduksjon Ytelsesforhold Levelizedcostofenergy Investeringskostnad Årligkontantstrøm Årligenergiproduksjon Diskonteringsrate Årligdegraderingavsolceller Solcelleanleggetslevetid Enhet K K W (m 2K) W (m 2K) W (m 2K m m s kwh /kw p NOK kwh NOK NOK kwh år s) XV

18 XVI

19 1 Innledning Sola er en enorm energikilde som bidrar til at tilgjengeligheten på energi på jordkloden er stor. Den gjennomsnittlige strålingstettheten som treffer jordas atmosfære tilsvarer 1366 WmK2 1,kaltsolarkonstanten.Medutgangspunktisolarkonstantenogjordasoverflatevilen energimengde på TWh nå jorda årlig. Til sammenligning hadde menneskene mellom 2005 og 2010 et årlig globalt energiforbruk på om lag TWh1, noe som tilvarerunder0,01avdetårligeenergiinnskuddetfrasola.detvilsiatenergimengdenfra solapotensieltkandekkejordasenergiforbrukmerenn11000gangerårlig. Selv om energitilgjengeligheten på jordkloden er stor, er en annen utfordring hvordan den skal utnyttes. Energikildene som menneskene benytter består av både fornybare og ikkek fornybareenergikilder.definisjonenpåenfornybarenergikildeerifølgemyhre2 energisom naturentilstadighettilførerenergikilderisåstoremengderatenergiuttakermuligutenat detoverstigerenergitilførselen.enikkekfornybarenergikildeerdefinertavweirogtwidell3 som energi som befinner seg i statiske energilagre i bakken og som kan hentes ut ved menneskelige aktiviteter. IkkeKfornybare energikilder benyttes i dag i form av fossile brensler,somerolje,kulloggass. Globalt benyttes ikkekfornybare energikilder i mye større grad enn fornybare energikilder, noe som resulterer i store utslipp av klimagasser. I 2013 la FN frem en klimarapport som presenterte et stadig varmere klima som følge av et positivt strålingspådrivi. Hovedårsaken til det positive strålingspådrivet er en økt konsentrasjon av klimagasser i atmosfæren, spesieltco2,somresultereriøktabsorpsjonavstråling.bådeatmosfæreoghaverobservert varmere,mengdeisogsnøeravtagendeoghavnivåetøker4.denmenneskeligeaktivitetenpå jorda gir store klimagassutslipp og for å redusere de menneskeskapte utslippene har blant annet EUKkommisjonen satt strenge klimamål frem mot Klimamålene går ut på å redusereklimagassutslippenemed40sammenlignetmedutslippeti1990,samtetmålom ensamletfornybarandelieulandpåminst27ogøktenergieffektivitet5. For å redusere utslipp av klimagasser må fossile energikilder fases ut og erstattes med fornybare energikilder. En fornybar energikilde som har vært under kraftig vekst de siste åreneersolcelleteknologi.iår2000vardetinstallertenglobalkapasitetpå1,3gw,ogkun 10årsenerehaddedenøkttil40,3GW.Denglobalekapasitetenharøktytterligeredesiste åreneogharfra2010til2013øktmedover70,noesomtilsvarerenglobalinstallerteffekt på 138,8GW. En globalt installert effekt på 138,8 GW tilsvarer en potensiell årlig energiproduksjonpå160twh,noesomkandekkeelektrisitetsbehovettilover45millioner husstanderieuropa6.denakselererende(veksteninnenforsolcelleindustrienvisesifigur1. Figur1:Globalinstallerteffekt,solcelleanlegg.FigurenerbasertavEPIA(2014)6. istrålingspådriverdifferansenmellomsolinnstrålinginniatmosfærenogvarmestrålingfrajordoverflatenutav atmosfæren.vedpositivtstrålingspådrivsendesmerinnennut. 1

20 Fremtil2013harEuropaværtledendeinnenforsolcellemarkedet,derspesieltTysklandog Italiaharhattstorvekstinneninstallerteffekt.I2011og2012stodEuropaforhenholdsvis 74 og 55 av nye installerte solcelleanlegg globalt, men de siste årene har spesielt asiatiskelandsomkinaogjapanblittdominerendepåsolcellemarkedet.tilsammenligning stodeuropafor29avnyeinstallertesolcelleanleggi2013.deterogsåvekstiusa,mexico ogcanada,mendengårnoesaktere.solcellemarkedetharhattraskutviklingmedsynkende priser og begynner å bli konkurransedyktig innen flere markedssegmenter ieuland, som ItaliaogTyskland.Etviktigmomentsomhargjortsolcellerkonkurransedyktigiflerelander støtteordningeroginsentiver,sombidrartilågjøreinstallasjonavsolcellerlønnsomt 6. I2013haddeEuropa59avdenglobaltinstallerteeffektenforsolceller,noesomdekket3 av det europeiske elektrisitetsbehovet 6. Til tross for den kraftige veksten innen solcellemarkedetieuropaharikkevekstenværtlikestorinorge.men,i2014skjeddedet også i Norge en kraftig vekst. Fra 2005 til 2012 har den årlige nyinstallerte solcellekapasiteteninorgeliggetrundt0,3k0,5mw p.i2013vardennyinstallertekapasiteten på0,6mw p,før deti2014komoppi2,2mw pnyinstallertesolcelleanlegg.i2014utgjorde den samlede akkumulerte effektkapasiteten i Norge 12,8 MW p, som tilsvarer under 0,1 promille av den akkumulerte solcellekapasiteten globalt i 2013.INorgeerdetforeløpig frittståendeprivateanleggsomhardominertmarkedet,menårsakentildenstoreveksteni 2014 var solceller installert på næringsbygg, hvilket var 56avdennyinstallerte effektkapasiteten 7,8.Øktfokuspåmiljøvennligeenergieffektivebygg,samtkravfratekniske forskrifteromfornybarenergiforsyningåpnerforøktinteresserundtsolenergiogsolceller 9. I takt med en stadig økning i installerte solcelleanlegg, synkerogsåsystemprisene for investeringenianlegg.ifølgemulticonsultharsystemprisenefornæringsbygginorgemed eninstallertkapasitetpå10k100kw pigjennomsnittsunketfra40kr/w pi2011til16kr/w pi Det tilsvarer et prisfall på 60 i løpet av fireår.inorgeerdetrikeligtilgangpå fornybar elektrisitetfravannkraftverk, noesomholderelektrisitetsprisenelave.ifølge StatistiskSentralbyrå 10 vardensamledeelektrisitetsprisenioslomellom2009og2013på 94,6øre/kWh.I2013gjordeMulticonsultetkostnadsstudieforsolkraftiNorge,ogkomfrem tilenenergikostnadpå2,02kr/kwhforsolcelleanleggpånæringslivsbygg(100kw p)ioslo, medenantagelseomatsolcelleanleggetgenerererstrømi25år. INorgeforbrukesomlag40avnettoinnenlandsenergiforbruktildriftavbygninger,noe som utgjør en energimengde på om lag 80 TWh hvert år 11. I 2011 var det årlige gjennomsnittlige energiforbruket i næringsbyggpå177kwh/m 2 12 ogvedinstallasjon av solceller er det gode muligheter for å redusere nettoenergiforbruk. Energiprisen for et installert solcelleanleggvariererfraprosjekttilprosjektogvedåsøkeomstøttefrafor eksempelenova,kanenergiprisenfalle,tilnærmeredagenselektrisitetspris. 1.1Bakgrunnforoppgaven Oppgaven tar utgangspunkt i et rehabiliteringsprosjekt på Oslo Posthus, kalt Urban Mountain.UrbanMountainerdetnorskevinnerprosjektetavNordicBuiltChallengei2013 og presenterer en mulig rehabilitering av Posthuset i Oslo 13. Nordic Built Challenge arrangeresavnordicbuilt 14,someretnordiskinitiativforåfåfremogutviklebærekraftige bygningskonsepter. UrbanMountaineretinnovativtprosjektmedbærekraftigeløsningerogmiljøstrategier.Det foreslåtte rehabiliteringsprosjektet er utarbeidet av arkitektene Schmidt Hammer Lassen architectsoglooparchitechts,cowias,energitechnikgmbhogvuggetilvuggedanmark. Aktørene bak prosjektet ønsker å optimalisere bygningen med et passivt design, med lavt energiforbrukoggjenbrukavmaterialer 13.ByggherreEntraEiendommåtastillingtilvidere prosessforposthusetogomforslagetskaliverksettes. 2

21 Posthuset er gjennom Urban Mountain designet til å være et lavenergibygg15,s.65, med minimalevarmetapfrabygningen.medsolcellerpåbyggetkandetelektriskeenergiforbruket reduseres ytterligere, og det ønskes en studie på potensialet for energiproduksjon fra solceller. Et av målene til rehabiliteringsprosjektet er at Oslo Posthus skal fremstå som et grønt landemerke i form av å være et bærekraftig og effektivt bygg. Posthuset designes for lavest mulig energiforbruk og har et potensial for å nå det høyeste BREEAMii 16 nivået for bærekraftighet15,s.72. Figur2:ProsjektbildeavdetrehabilitertePosthuset.BildeterhentetmedtillatelsefraEntra Problemstillingogavgrensningavoppgaven Med bakgrunn i rehabiliteringsprosjektet Urban Mountain tar oppgaven for seg en mulighetsstudie for hvor mye det elektriske energiforbruket til Posthuset potensielt kan reduseres med solceller både på fasade og tak. Ved bruk av simuleringsverktøy for solcelleanleggskaloppgavensimulereulikeløsninger,foråfinnedebestegnedeløsningene for Posthuset. I tillegg vil oppgaven se på om det til tider vil være høyere produksjon enn forbruk,oghvormyedettevilutgjøreiløpetavetår. Oppgaven tar også for seg en lønnsomhetsanalyse der energikostnaden for produsert elektrisitet vurderes i løpet av antatt levetid for solcelleanlegget. Lønnsomhetsanalysen gjøresvedbrukavmetodenlcoe,levelized(cost(of(energy. iibreeamermiljøsertifiseringavbygg. 3

22 Oppgavensproblemstillingerkanoppsummeresipunktenenedenfor. 1. Hvor mye energi kan detrehabiliterte posthuset produserevedinstallasjonav solcelleroghvormyevildetteutgjøreavdettotaleelektrisitetsforbruket? 2. VilPosthusetiperioderhahøyereproduksjonennforbruk? 3. HvilkeinstallasjonsløsningererbestegnetforPosthuset? 4. Hva er lønnsomheten ved installasjon av et solcelleanlegg og hva blir energikostnadeniløpetavenlevetidpå25årforsolcelleanlegget? Forsolcelleanleggetsettesoppgavenssystemgrensevedutgangenavvekselretter.Oppgaven tar ikke for seg det visuelle og tekniske oppsettet av solceller, men fokuserer på mulig energiproduksjon ved ulike oppsett på fasader og tak. Oppgaven simuleres med tre ulike teknologier: monokrystallinske silisium solceller, CIGS tynnfilmsolceller og aksi:h bygningsintegrertesolceller. 1.3Oppgavensutforming Oppgavenerdeltinni6kapitlersomtarforsegteori,metoder,resultater,diskusjonogtil sluttkonklusjon. Kapittel 2 introduserer teorien bak oppgaven som skal løses. Kapittelet omhandler oppbyggingen av et solcellesystem, ulike solcelleteknologier og ulike egenskaper som kan påvirkeeffektivitetentiletsolcellesystem.viderepresentererkapitteletmeteorologiskedata som påvirker hvor mye strøm som blir generert, samt teorien bak solens posisjon på himmelenoginnstrålingpåensolcellemodul.tilsluttpresenteresenergiforbrukibygninger, ogenmetodeforåberegneenergikostnadenforenergiprodusertfraetsolcelleanleggover engittlevetid. I kapittel 3 presenteresmetodenebakproblemløsingenoghvilkefremgangsmåtersomer benyttet. Kapittelet presenterer noen av Urban Mountains prosjekttegninger av det rehabiliterte Posthuset, samt bygningsdimensjoner ogorienteringavbygget. Videre tar kapittelet for seg fremgangsmåten brukt under simulering av potensielt energiforbruk og antagelser som er gjort. Deretter blir Posthusets energiforbruk presentert, samt fremgangsmåteforåberegnetimeverdierforulikeenergislukibygget.tilsluttpresenteres metoden foråberegne energikostnaden ved de simulerte løsningene med solceller på Posthuset. I kapittel 4 presenteres resultatene som fremkommer fra simulering av elektrisk energiproduksjonvedulikeoppsettavsolcellerpåtakogfasader,samtsammenligningav forbruk og produksjon ved to ulike oppsett. Kapittelet avsluttes med resultatene fra beregningavenergikostnadenpåprodusertenergiveddetooppsetteneavsolceller. Ikapittel5diskuteresresultatenesomblepresentertikapittel4. Kapittel6oppsummererdeviktigsteresultateneogsvarerpåoppgavensproblemstillinger. 4

23 2 Teori Foråkunnegjøreenvurderingavpotensiellenergiproduksjonfraetsolcellesystem,erdet viktig å vite noe om hvordan systemet er bygd opp og hvilke faktorer som påvirker energiproduksjonen. Kapittelet presenterer oppbygningenavetsolcellesystemoghvilke komponentersominngårisystemet.kapittelettarogsåforsegulikesolcelleteknologierog hvilkefaktorersompåvirkervirkemåtenogvirkningsgradentiletsolcellesystem.videreblir detpresenterthvordansolinnstråling,værogklimapåvirkeretsolcellesystemoghvasom bør tashensyntilnårdetskalinstalleresetsolcelleanlegg.motslutten gir kapittelet en presentasjon av energibrukibyggogen metode for å beregne lønnsomheten til et solcelleanleggiformavprisperenergimengdeprodusert,iløpetavdenantattelevetidentil anlegget. 2.1Oppbygningavetsolcellesystem Etsolcellesystemersattsammenavenrekkekomponenter,somalleharhversinfunksjon.I et solcellesystem genereres strøm i solcellemodulene og sendes videretilenten en last, et energilager eller ut på strømnettet. Når solstråler trefferetsolcellepanelvilfotoner absorberes i solcellematerialet og likestrøm (DC) blir generert. De fleste apparater i dag operer med vekselstrøm (AC) og i de fleste tilfeller vil det dermed være behov for en vekselretterforåomformedctilac.itilleggkrevesetsystemsomkontrollerereffektenfra modulene oggirmulighetforå måle og overvåke. I noen tilfeller kan det også inkluderes reservestrømderdetskulleværeetbehov. DelkapitteletgjennomgårkomponentenesomvisesiFigur3.Detmestematerialetbaseresi hovedsakpåmarkvart,photovoltaic(system(engineering 17. Figur3:Komponentersomkaninngåietsolcellesystem.FigurenerinspirertavMarkvart 17. Det finnes to hovedkategorier av solcellesystemer, frittstående systemer og nettilkoblede systemer. Den enkleste formen for et frittstående system består av solcellemoduler som forsynerenlastmedlikestrøm.isliketilfellererdetogsåhensiktsmessigmedetenergilager, somoftestiformavetbatteri,somfungerersomenbuffer.oppbygningenavetnettilkoblet solcellesystemvisesifigur4 18 ogbeståravsolcellemoduler,koblingsboks,vekselretterogså kalt inverter, energimåler, fordelingsskap og et tilkoblingspunkt til strømnettet. Fra solcellemodulene går det likestrømskabler med en DCKbryter før strømmen føres inn i vekselretteren.ivekselretterenomformerslikestrømmentilvekselstrømførdensendestil energimålere.mellomenergimålerenogvekselretterenbørdetogsåsettesoppenackbryter, mendetteerikkepåkrevd.utfraenergimålerensendesstrømmentiletfordelingsskapmed sikringerellerutpådistribusjonsnettet 18. 5

24 Figur4:Komponenteneietnettilkobletsolcellesystem.1)solcellemoduler,2)koblingsboks,3)DC?bryter, 4) vekselretter, 5) AC?bryter, 6) energimåler, 7) fordelingsskap med sikringer, 8) tilkoblingspunkt strømnettet.figurenerhentetmedtillatelsefrafornybar.no 2.1.1Solcellegeneratoren SolcellegeneratorenbeståravsolcellemodulersomerkobletsammentilenDCgenererende enhet.ensolcellemodulbeståravfleresolcellersomerkobletsammen.entypiskkrystallinsk silisiumsolcelle leverer effekt ved en spenning mellom 0,5 V og 0,6 V, noe svært få komponenteropererunder.foråøkespenningenplasseresdermedcelleneiserieogdanner en cellestreng. For en typisk modul består en cellestreng av 36 eller 72 solceller i serie. En modulmed36cellergirnormaltenåpenkretsspenningpå20v19.størresolcellemodulermed høy installert effekt lages gjerne ved å koble to eller flere cellestrenger i parallell, der hver cellestreng består av 36 celler20. Ved seriekobling av solceller øker spenningen, mens kortslutningsstrømmen endres lite. Ved parallellkobling av solceller vil kortslutningsstrømmen øke, mens åpenkretsspenningen er tilnærmet konstant. Åpenkretsspenningogkortslutningsstrømdefineresnedenfor.Leverteffektviløkeitaktmed øktspenningogstrøm,forhenholdsvisseriekoblingogparallellkobling19. I krystallinske moduler kobles cellene sammen celle for celle under produksjon, mens for tynnfilmsolceller kobles solcellene sammen som en del av produksjonen av solcella. Tynnfilmsolceller lages som 0,5K2,0 centimeter brede striper som kobles sammen elektrisk vedåskjæreinnrillerideindividuellelagenesolcellenebyggesoppav.stripene,somhver representererensolcelle,koblessammeniseriegjennomrilleneideulikelagendeogdanner enmodul20. I et større system kobles moduler sammen i enten serie eller parallell og danner et solcellearray. Flere moduler i serie kalles en streng og flere strenger kan videre kobles sammenientenparallellellerserie.forfrittståendesystemerkoblesgjerneenogenmoduli parallell, mens for nettilkoblede systemer kobles som oftest flere strenger i parallell. For nettilkobledesystemervilantallseriekobledemodulerienstrengbestemmespenningentil systemet, som igjen korresponderer med inngangsspenningen til vekselretteren. 6

25 Parallellkoblingavmodulerellerstrengerviløkedentotalestrømmenogmedøkendestrøm krevestykkerekabler20. Figur 5 viser oppsettet av solceller i en typisk krystallinsk modul og et eksempel på et solcellearray. Solcellearrayet i figuren består av 3 strenger som står i parallell, der hver strengbeståravtremoduleriserie. Figur5:Solcelle,modulogsolcellearray.FigurenbaserespåAndersen21. De viktigste elektriske egenskapene til en solcellemodul er kortslutningsstrømmen (Isc), åpenkretsspenningen(voc)ogpunktetformaksimaleffekt(pmpp).iscerstrømmensomgårnår både lastens motstand og spenningen er null, mens Voc er spenningen ved en last med uendelig motstand og null strøm. De elektriske egenskapene vises normalt i en strømk spenning (IKV) karakteristikk, som vist øverst i Figur 6. StrømKspenningskurven lages av strømk og spenningsverdier målt ved samme tidspunkt. Produktet av strømk og spenningsverdienegireffektkurventilmodulenogproduktetsomgirhøyesteffektdefineres sompmpp.strømmenogspenningenvedpmppdefineressomhenholdsvisimppogvmpp,vistiden nederstegrafenifigur6. Strømmen som blir generert i en solcelle er avhengig av mengde fotoner som treffer solcellematerialet, som igjen er direkte proporsjonalt med solinnstrålingen. Økt solinnstrålinggirøktstrøm,mensspenningenvilværetilnærmetupåvirket.effektenutfraet solcellearrayberegnessomproduktetavstrømmenogspenningenutfraarrayet,ogenannen viktig egenskap som påvirker utsendt effekt er celletemperaturen. Ved økende celletemperatur vil spenningen normalt avta, mens strømmen vil være tilnærmet konstant. For en konvensjonell silisium solcelle avtar spenningen med 2,3 mv/ C, noe som vil gi dårligereeffektivitetogutsendteffektivarmeomgivelser. De elektriske egenskapene og effektiviteten til en modul måles under standard( testforhold, noesominnebærerensolinnstrålingpå1000w/m2,enomgivelsestemperaturpå25 Cogen luftmassepå1,5somdefineressomam1,5iii 1, s. 24.EffektensomoppgisidatabladeterPmpp, kalt nominell effekt. Den nominelle effekten blir uttrykt i Wp, peak( watt, og vil alltid være mindre enn produktet av Isc og Voc. Grunnen til dette er at ved en resistiv last vil både iiiamstårforair(masssomvilsihvormyeluftmassestrålingenfrasolamågågjennomiatmosfærenførdennår bakken.am1,5representerersolspekteretsomtilsvarersolinnstrålingensomslippergjennomatmosfærenveden solhøydepå48,2,detvilsi1,5gangeravmengdeatmosfæresolstrålenemågåigjennomnårsolastårisenit. 7

26 strømmen og spenningen bli mindre enn henholdsvisi scogv oc 1. Effekten som genereres i modulene avhenger av systemkonfigurasjonen og hvordan DC spenningen blir kontrollert. Effektiviteten til en solcelle er avhengig av faktiske strålingsforhold, mens effektiviteten oppgittidatabladettilenmodulerberegnetved η = P mpp E A solcelle. (2.1) EerstrålingseffektenunderstandardtestforholdogA solcelleerarealettilsolcella 20. FyllfaktoreretforholdsombeskriverhvornæreP mpp til en solcelle ligger det maksimale effektpunktettilsolcella.fyllfaktorenerdermedforholdetmellomp mppogproduktetavi scog V oc,ogliggernormaltmellom0,8og0,9 1,s.24.Fyllfaktorentilsvarerforholdetmellomarealet tildenlilleogdenstorefirkantenidennederstegrafenifigur6. Figur 6: Øverst vises en typisk I?V karakteristikk med tilhørende effektkurve for en solcellemodul. NederstvisesI?Vkarakteristikkmedegenskapenesombestemmerfyllfaktorentilenmodul.Figurener utarbeidetmedutgangspunktimålingergjortavstrømogspenningenvilkårlighøstdagogvildermed avvikeframålingergjortunderstandardtestforhold.målingeneergjortforenmultikrystallinsk220w solcellemodulfrarec,rec220pe,iforbindelsemedenergiteknologilabvednmbu.databladverdierfor Pmpp,IscogVocvilmestsannsynligværeforskjelligfrademålteverdiene,ettersomdebestemmesunder standardtestforhold. Siden solceller normalt ikke vil operere under standard testforhold er det utarbeidet en modulkarakteristikk kalt NOCT, normal( operating( cell( temperature,( for forventet 8

27 celletemperatur.(noctercelletemperaturensomoppnåsunderåpenkretsvedeninnstråling på800w/m 2,omgivelsestemperaturpå20 C,AM1,5ogenvindhastighetstørreenn1m/s Bypassdioderogblokkeringsdioder Bypassdioderogblokkeringsdioderennoesombenyttesforåbeskyttesolcelleneietsystem mot skade,ogforåunngåatdetrekkerstrømfraetbatteriellernettetnårdetermørkt. CelleneienmodulvilhanoeulikIVKkarakteristikkitilleggtilatdekanoperereunderulike forhold; for eksempel hvis deler av modulen er skygget. Ved ulike celler kan den dårligste cellautsettesforoveropphetingvedatdenoperersomenlastfordeandrecellene.dettevil genererevarmeoghvistemperaturennårenvissgrensekancellabliødelagtogdegradere ytelsentilhelemodulen.foråunngådettesettesdetinnbypassdiodersomkoblesoverflere celleriencellestrengoggiropphavtilenlavresistensveiformodulstrømmen.dettevisestil høyreifigur7.vanligviskoblesbypassdioderover18k20celler.forenmodulmed36eller 40cellererdetnormalt2bypassdioder,mensformodulermed72cellererdetnormalttre bypassdioder 20.Enblokkeringsdiodehindrersolcellesystemetiåtrekkestrømitilfellerder spenningeniarrayeterlavereennspenningenutenforarrayet.diodenvilgiopphavtilnoe tappådagtid,somkanværestørreenntapetsomoppstårvedatsolcellenetrekkerstrømom natten.dethenderdermedatblokkeringsdiodeneblirutelatt.oppsettavblokkeringsdioder ogbypassdiodervisestilvenstreifigurenunder.hererdetbypassdiodermellomhvermodul i en streng, slik at hvis en modul i en streng er skygget vil strømmen gå igjennom bypassdioden. Figur 7: Bypass? og blokkeringsdioder. Figuren til venstre viser hvordan blokkeringsdioder og bypassdiodersettesoppietsolcellearray.figurentilhøyreviserhvordanbypassdioderkansettesoppi enmodul.figureneerinspirertavmarkvart 17 oggermansolarenergysociety Monteringssystem Moduler kan monteres på faste akser uten noen bevegelige deler eller monteres på et bevegeligsystemsomfølgersola.vedåinstalleremodulenepåettokaksesystemkanopptil 40 mer sol treffe panelene i løpet av året, men det vil øke vedlikeholdskostnadene og reduserepålitelighetentilsystemet 17, s. 92.Idagbenyttesogsåbygningsintegrertesolceller, dersolcelleneerstatterfasadek,vindukellertakmateriale Vekselretteren Vekselretterenhartilhensiktåkonverterelikestrømtilvekselstrømogtilpassefrekvensen ogspenningsnivåettilbygningenselektriskesystemellerstrømnettet.hvisvekselretterener koblettildetelektriskesystemettilenbygningvilenergienfrasolcellesystemetforbrukesi bygningenogeventuelloverskuddsenergimatesutpånettetellerlagresietenergisystem. 9

28 Ved et nettilkoblet system vil energien mates direkte ut på nettet. Som nevnt tidligere påvirkeseffektenlevertfrasolcellemoduleravbådetemperaturogsolinnstråling,noesom gjøratmodulenesmaksimaleeffektpunktp mppstadigendres.foratvekselretterenskalklare åleveremestmuligeffekt,sporerdendetmaksimaleeffektpunktettilmoduleneogtilpasser arbeidspunktet sitt etter hva som er mest optimalt til enhver tid. Det er også mulig å få vekselrettere med to eller flere enheter som sporer maksimale effektpunkter. Sporingsenhetenkanenteninkluderesivekselretterenellersettespåhverstreng,oggjørdet muligforvekselretterenåtaimoteffektframodulersomopererunderulikep mpp.dettekan foreksempelskjevedulikeorienteringeravmodulerellervedskyggingavdeleravsystemet. Vekselretterentarogsåoppdriftsdatamedmuligheterforlagringogdataoverføring 20. Vedvalgavvekselretteremådettashensyntilsystemetdeskalkoblestilogdennominelle effekten som kan sendes inn til vekselretterne. For vekselrettere som er koblet til solcellesystemersomikkeharoptimalorientering,kandetøkonomisksettlønnesegmeden underdimensjonert iv vekselretter.vedunderdimensjoneringavvekselrettereerdetviktigå tahøydeforvekselretterensoppførselvedeneventuelloverlast.hvisenvekselretterutsettes formereffektennhvadenerberegnetfor,vilkomponenteneivekselretterenutsettesforen høyere termisk last. En kortvarig overlast vil normalt ikke ødelegge komponentene i en vekselretter, noe som spesifiseres med parameteren P max 22. Vekselretteren beskyttes av en effektkontrollenhet som reduserer effekten i vekselretteren når en viss temperatur registreres.denneegenskapengjørogsåatdenmaksimaleytelsentilvekselretterenpåvirkes avomgivelsestemperaturen 20. Avhengig av type vekselretter ligger effektiviteten normalt mellom 94 og I solcellesystemer kan det installeres sentralinvertere, strenginvertere eller modulinvertere. Sentralinvertere benyttes i store anlegg og plasseres ved utgangen av et array. Sentralinvertereerberegnetforhøyeffektogharenbetydeligfysiskstørrelsesommåtas hensyntilunderprosjektering.strenginvertereplasserespåstrengeneogerberegnetforen lavereeffekt,noesomgjøratdenermindreisinfysiskestørrelse.ietstørrearrayvildet værebehovforflerestrenginvertere.modulinvertereersmåistørrelseogplasserespåhver modul.modulinverterebenyttesihøyeffektivitetssystemer,ettersomvekselrettereheletiden tilpasses P mpptilhverenkeltmodul.dettevil gi en fordel hvis for eksempel en modul i en streng skygges, ettersominnstrålingstapetkunvilpåvirkemodulensomerskygget 23. Modulinvertere kan ha noe lavere effektivitet enn de andre vekselretterne, men det kan kompenseres for ved sporing av P mppforhverenkeltmodul.strenginvertere gjør gjerne installasjonen lettere, noe som økonomisk sett også reduserer installasjonskostnadene. Modulinvertereerrelativtdyre,noesomkanutgjøreenbetydeligsumforstoresystemer 20. Forsolcellesystemermedinstallerteffektopptil5kW perdetvanligmedenfasetvekselretter, mensforstørresystemerbenyttestrefasetvekselretter.forstørresystemerbenyttesogså flereenfasedevekselretter,somfordelesliktmellomdetrefasene DCsikkerhetsbryterogbrannfareietsolcelleanlegg Solcelleanlegg med strengk eller sentralinvertere installeres med én eller flere sikkerhetsbrytereforågjøredetmuligåbrytelikestrømmenfrasolcellene.dettekanblant annetværeetbehovvedbrann,ogennødbryterplasseresdermedletttilgjengelig,enteninne ellerute.solcellenevilfremdelesproduserelikestrøm,sålengesollystreffermodulene,men bryteren vil hindre at likestrømmen sendes videre. I systemer der det benyttes modulinverterevildetikkealltidinstalleresdcbrytere,ettersomdetmesteavkablingener ACkabler 24,25. ivdetmaksimaleeffektpunktettilvekselretterenerlavereenndetmaksimaleeffektpunktettilsolcellearrayet. 10