Bygningsintegrerte systemer med solfangere og solcellemoduler. Øystein Holm Termisk Energi Multiconsult

Transkript

1 Bygningsintegrerte systemer med solfangere og solcellemoduler Øystein Holm Termisk Energi Multiconsult 1

2 Agenda Solen som energikilde Teknologi for høsting av solenergi Solfanger ( varme) Solceller ( strøm) Nær nullenergibygg med solenergi

3 Solenergi er ikke nytt i Norge Flere tiår med solenergiteknologi under norske værforhold Solvarme Bygget i 1977 av John Rekstad Nettoproduksjon kwh pr.år. Solstrøm Solceller på hytter og fyrlykter langs norskekysten installert fra 80-tallet.

4 Solens energi Nøkkeltall for Norge: Maks. effekt på ca 1000 W/m 2 (Solkonstanten=1367 W/m2 utenfor atmosfæren) Årlig innstråling fra 700 kwh/m 2 til 1100 kwh/m 2

5 Aktuelle flater for høsting av solenergi Sør-vendt orientering Tak og vegger Unngå skygge

6 Klimastatistikk Klimastatistikk er grunnleggende for produksjonsanalyse av fornybar energi For solenergi er følgende faktorer viktige Innstrålt solenergi [kwh/m2] Lufttemperatur [ C] Vindhastighet [m/s] Lokalt vær har minst like stor innflytelse som breddegrad

7 Teknologi for høsting av solenergi 2 hovedtyper av solenergiteknologier: Solvarme = strålingen konverteres til varme Solstrøm = strålingen konverteres til elektrisitet (Solceller kalles ofte PV fra eng. Photovoltaic)

8 Solfanger Flat plate 100% 50-80%

9 Solfanger - vakumrør

10 Solvarmesystem Et Solvarmesystem består av: Solfangere Varmelager Pumpe m. styring Ulike systemløsninger sikres mot frost og koking på ulike måter: 1. Ikke trykksatt selvdreneringssystem 2. Trykksatt system med frostvæske og ekspansjonsanlegg 3. Luft som varmebærer Solvarme gir kun et energibidrag kombineres med annen energitilførsel varmedistribusjon ved lav temperatur

11 Behov og utnyttelsesmuligheter i endring Godt isolerte hus har kortere fyringssesong mindre nytte av solenergi tilgjengelig om våren/høsten. Passivhus trenger solenergi til: Varmtvannsberedning Strømproduksjon (PV)

12 Bruksområder for Solfangere Stort behov for varme i sommerhalvåret Kunder med stort varmtvannsforbruk Steder/bygg med lang fyringssesong Utnyttelsesgraden øker dersom varme ved lav temperatur kan benyttes Vannbåren varme (eventuelt luftbåren varme) Hoteller Campingplasser Badeanlegg Sykehjem Sykehus Storkjøkken Idrettshaller Boliger

13 Riktig dimensjonering er avgjørende for god økonomi Optimal dimensjonering av solfanger og varmelager tilpasset forbruksprofilen. Høy andel solenergi er ikke nødvendigvis økonomisk optimalt. Ubrukt varme har ingen verdi. Bruk simuleringsverktøy! Soldekningsgrad = solbidrag / totalt energiforbruk Skadberg skole-eksempel = 4331 / = 22,3% Eksempel: Skadberg Skole (Simulering m/t*sol)

14 Arkitektonisk tilpasning Vellykket utforming er avhengig av tidlig planlegging med tanke på solenergi. BREEAM krever tidligfase utredninger, fremmer vurdering og bruk av solenergi. Flat-plate solfangere og PV-moduler kan erstatte andre fasadematerialer. Investeringskostnaden må reduseres med kostnaden for materialet den erstatter ved lønnsomhetsberegning. Solfangere eller PV-moduler kan tilføre bygget flere kvaliteter: Estetisk element Skygge / pergola Regn- / snøskydd (Miljøprofil)

15 Flat plate solfangere kan integreres og erstatte annen tak- eller fasadekledning

16 Vacuumrør-solfangere mer utfordrende å få tilpasset bygget på en estetisk tilfredsstillende måte

17 Nøkkeltall - Solvarme Dekningsgrader 50 % av energibehovet for tappevann 10-30% av varmebehov Energiproduksjon Årsutbytte: kwh/m 2 avhengig av solfangerteknologi, samt systemtap, sted og klima. Kostnad Stor variasjon i systempris: kr/m 2 solfangerareal

18

19 Solceller lønnsomt uten støtte i stadig flere land Norge

20 Systemdesign - Simuleringer med PVSyst

21 Oceania Kulturhus i Os Installert effekt: 63,5 kw p Forventet produksjon: 42 MWh/år Tilsv. 20% av totalt el-behov Byggherre: Os Kommune Design: Grieg Arkitekter Installasjon: Getek

22 Solar Power Pre design Client: Powerhouse alliance (Snøhetta, Entra, Zero, Skanska, Hydro) Motivation: Powerhouse Alliance Date: 2012 Assisting the project group in designing a building able to produce more power than it consumes PV yield computations, technical solutions Estimated max. capacity: 1,27 MWp Illustration: Snøhetta

23 Kostnadsbildet for BIPV kan sees på 3 måter Solcellesystemer prises gjerne i /kwp Dette gir et godt sammenligningsgrunnlag mellom forskjellige anlegg internasjonalt For byggebransjen er det vanlig å beregne kostnader pr m 2 Virkningsgraden til solcellemodulen vil derfor få innflytelse på kostnaden når den regnes om til m 2 -pris NOK/kWp NOK/m 2 Kostnadstall for innkjøp og sammenligning av systemer Vurdering i forhold til andre bygningsmaterialer evt merkost En modul med høy virkningsgrad vil få en høy pris gitt i /m 2, men den vil også produsere flere kwh NOK/kWh Beregnes ut i fra merkost i forhold til alt. Materialer Sammenlignes med andre energikilder

24 Hva er energibehovet i et småhus med passivhus standard? og hva kan solen dekke? Pas s ivhus - s måhus Romoppvarming Tappevann El-s pes ifikt Totalt, kwh Sol-produks jon kwh % av totalt behov Behovsandel, % 24 % 36 % 40 % 100 % Sol-dekning, % 10 % 60 % 100 % % Sol-dekning, % 15 % 60 % 180 % % 10 m 2 solfangere 70 m 2 solceller netto eksportør til strømnettet

25 Solenergi i Multiconsult Solenergi i Multiconsult omfatter både elektriske og termiske systemer Vi tar anlegg fra A til kwh

26 Spørsmål? Øystein Holm Multiconsult Tlf: Kilde: SolarWings

27

28 Ekstra slides..

29 Solceller (PV = PhotoVoltaics) I en solcelle blir energien i lys omgjort til elektrisk strøm. Cellene seriekobles for å gi høyere spenning V (c-si) Solcelle-modul Håndterlig format Typisk ca. 1m x 1,6 m (c-si) Alu-ramme for BAPV og kraftverk Spesielle rammer for BIPV PV kan fungere som takstein eller erstatter annet fasademateriale. C-Si

30 Modulytelsen avhengig av innstråling og temperatur Innstrålingen påvirker strømproduksjonen Temperaturen påvirker spenningen

31 Solceller - Systemoppbygging Solceller leverer likestrøm (DC), akkurat som et batteri. Flere moduler seriekobles for å få høyere spenning (Typisk til max 1000V). En serie med moduler kalles en streng. En vekselretter omgjør likestrøm til vekselstrøm (AC) og koples til strømnettet. DC AC

32 Solceller - Systemer Flere strenger kobles i parallell til en vekselretter Større anlegg har flere strenger Strengmonitor Tav le DC AC DC AC

33 Modulene kan Monteres Utenpå Bygningskroppen (BAPV) Moduler montert utenpå bygningskroppen kalles BAPV. Dette er den mest vanlige metoden i dag. Det finnes løsninger for alle typer tak De fleste systemene kan monteres uten penetrering av takmembranen.

34 Modulmontering- Flate Tak De fleste løsningene for flate tak legges løst på taket (skrus ikke fast) Systemene holdes på plass av: Ballast Lim Aerodynamisk design Kombinasjoner av ovenfor nevnte løsninger Ofte vil statikk og vindberegninger avgjøre systemdesign SunPower T10 SolarStep light Neuenhauser RenuSol Console

35 Modulmontering - Skråtak De fleste systemer for modulmontering på skråtak består av et ramme- eller skinne-system for festing av modulene Skinnene festes til takets underkonstruksjon Kilde: Ideematec Kilde: Donauer

36 Modulene kan oppfylle en bygningsteknisk funksjon (BIPV) Dersom modulene oppfyller en bygningsteknisk funksjon, dvs at de integreres i bygningskroppen kalles det BIPV Integrering i tak eller fasade er mest vanlig Foto: Gaia Solar Foto: 3S Photovoltaics Solskjerming er et annet alternativ, men med lavere ytelse

37 BIPV - Skråtak Ved bygningsintegrasjon i skråtak legges modulene ofte som takstein Underkonstruksjonen er den samme som for takstein, men med litt andre dimensjoner Solcellemodulene bør være luftet i bakkant Kabler legges på undersiden av modulene Kilde: Schweizer

38 System = Module + BOS

39 Vekselretter Microinverter Utmerket MPPtracking God virkningsgrad Vanskelig vedlikehold i BIPV Strenginverter God MPP-tracking Svært god virkningsgrad Monteres inne i bygget for enkelt vedlikehold Sentralinverter Dårligere MPPtracking for ulik moduloppstilling Svært god virkningsgrad Enkelt vedlikehold

40 Vekselretterens Funksjon Vekselretterens hovedfunksjon er omforming av likestrøm til vekselstrøm Nettspenning og frekvens justeres etter nettet Produksjonen maksimeres med av en MPP-Tracker Kobler seg av nettet ved feil på nettet eller anlegget Kan overvåke produksjonen Kilde: SMA Solar Academy

41 Unngå skygge! MPP-tracking realiseres normalt ved overvåkning av gradienten til kurven (di/dv) Redusert ytelse for ulike moduler kan medføre drift ved et lokalt maksimum. Delvis skygge vil redusere ytelsen betydelig og bør unngås.

42 Drift og Overvåkning av Solcelleanlegg Overvåkning gjøres mulig ved Kilde: SMA Sunny Portal at vekselretteren kobles til internett Anlegget fjernovervåkes via en nettleser Alarmer ved feil på anlegg eller nett sendes automatisk med e- post eller SMS Svært lave driftsutgifter

43 Systemdesign - Optimalisering av Modulvinkel Innstrålingstap i forhold til optimal modulvinkel for Trondheim 0,0 % Optimal vinkel for solcellemodulen er den vinkelen hvor solcellemodulen mottar mest solinnstråling gjennom hele året. Normalt rettes modulene direkte mot sør. Helningsvinkel avhengig av breddegrad. Optimal modulvinkel i Trondheim er 45. På grunn av lav sol vil en flat modul (0 ) motta 20 % mindre solinnstråling enn en modul med 45 vinkel. Lokale værforhold viktig å ta hensyn til. -5,0 % -10,0 % -15,0 % -20,0 % -25,0 % 26 = - 3,7 % 20 = - 6,4 %

44 Systemdesign - Simuleringer er et viktig designverktøy Systemberegningene tar utgangspunkt i: Klimadata Systemteknologi Systemdesign Systemberegningene gir svar på: Gjennomsnittlig årlig kraftproduksjon Systemtap Hvor godt systemet er designet og passer til formålet.

45 kwh/kwp Produksjonen er kun 5 10% lavere i Sverige enn i Bayern 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 Pfeff 2010 GEC 2010 Pfeff 2011 GEC2011 Kilde: Scatec solar Kilde: Glava Energy Center 40,0 20,0 - Jan Feb Mar Apr May June July Aug Sept Oct Nov Dec

46 Tilbakebetalingstiden for energi er på ca. 1 år - levetiden er på år (garanti) Tilbakebetalingstiden for energi er ca. 1 år for hele systemet (Spania) Norge: ca. 1.8 år Utslipp av CO 2 ekvivalenter tilsvarer ca. 20 g/kwh Norge: ca. 35 g/kwh Gasskraft: ca. 400 g/kwh Kilde: REC Reducing Energy Payback Time

47 «Form Følger Miljø» (Snøhetta)

48 Solar Power Pre design Client: Säffle Kommun, Sweden Motivation: Local Power Production Date: 2012 Assessment of solar resources and 3 different project proposals 1 roof-top, 1 small + 1 large ground mounted PV yield computations, technical solutions Estimated max. capacity: 100KWp, 230 KWp, 1 MWp

49 Eksempler på BIPV - I Monte Rosa Hütte, Sveits Tilhører SAC (Sweizerische Alpen Club) 90% selvforsynt med energi (inkluderer solfangere utenfor bildet) Modul: 3S Megaslate (Skreddersøm) Montasjesystem: Wicona

50 Solcelleindustrien har vist en imponerende evne til vekst og kostnadsreduksjon $25,00 $20,00 Modulkostnader [US$/Wp] $ Årlig installert effekt globalt [GWp] 27 $15, ,2 $10,00 15 $5,00 $- $ 0, ,4 1,7 2,8 6 7, Kostnadene har gått ned med 97 % siden 1980! Global produksjonskapasitet er anslått til ca 50 GWp/år

51 Økonomiske rammebetingelser Det er ingen direkte støtte til solceller Solfangere støttes av Enova for privatkunder (maks ,-). Solceller og Solfangere kan støttes indirekte gjennom Enovas byggprogram, dvs der hvor solenergi er en del av nødvendige tiltak Oslo Kommune støtter både solfangere og solceller