Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Solceller utsatta för partiell skuggning: Jämförelse mellan olika systemkonfigurationer
Karlstad University, Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013).
2019 (Swedish)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Solar Cells Exposed to Partial Shading : Comparison of Different System Configurations (English)
Abstract [sv]

I takt med en förstärkt global uppvärmning har åtgärdsplaner skrivits om att begränsa temperaturökningen, där många länder är överens om att mängden koldioxidutsläpp måste minska. Lösningen till det anses dels som att gå från en fossilberoende energianvändning till en förnybar. Installering av solceller växer och i Sverige kan 5 – 10 % av elproduktionen förväntas komma från solkraft år 2040. Det kvarstår dock en hel del problematik kring effektförlust till följd av partiell skuggning på solceller. Idag tillverkas solpaneler med inbyggda bypass-dioder som förbättrar elproduktionen vid skugga. Forskning påstår även att skuggningsproblematik kan minskas genom att förändra konfigurationen mellan solcellspaneler. Idag sitter panelerna vanligen ihop i serie- och parallellkopplingar, men det kan finnas energivinster i att byta ut mot tvärkopplingar.

Syftet med denna studie har varit att ge beslutsunderlag för investerare av solceller, som planerar att placera dem där det finns risk för att skugga kan uppstå. Målet delades in i två delar. Det fanns en experimentell del som jämförde elproduktion utan och med skugga för två olika typer av systemkonfigurationer där solpanelerna var serie-, respektive tvärkopplade. Det fanns även en simuleringsdel som beräknade producerad elenergi på årsbasis för en solpanel som var placerad intill en skorsten. Utifrån det skapades riktlinjer för hur solpaneler bör placeras för att minimera skuggproblematik av närliggande föremål som riskerar att skugga.

Experimenten utfördes utomhus och till det användes 16 monokristallina solmoduler, som först sammankopplades i serie och därefter i tvärkopplingar. Systemen anslöts till en växelriktare som omvandlade från likström till växelström. Först uppmättes producerad eleffekt för systemen, varav en modul utsattes för olika skuggförsök. Därefter separerades en solmodul från anläggningen och samma skuggförsök genomfördes på modulen.

Resultaten påvisade att vid solcellssystemen hade en verkningsgrad på 16 % för solinstrålning mellan 400 – 700 W/m2. För intensitet lägre än 400 W/m2 och högre än 700 W/m2 avtog verkningsgraden med 1 – 2 %. Hög solinstrålning inträffar vanligen mitt på dagen och solcellerna har troligen då en högre temperatur, vilket sänker effektiviteten.

Experimenten påvisade att ju fler av en solmoduls slingor som skuggan faller på, desto lägre blir den producerade eleffekten. Även mängden skugga som drabbar panelen spelar roll. Det beror på att om skugga enbart faller på en slinga kan de övriga arbeta ostört och får därför en högre maxeffektpunkt (MPP) på IU-kurvan. Vid full skugga på en modul minskade effekten med 7,72 % för det seriekopplade systemet (S), respektive 13,87 % vid tvärkoppling (TCT). Att det tvärkopplade systemet producerar lägre effekt vid skugga beror dels på att kretsen innehåller en högre ström, troligen för hög för vad bypass-dioderna klarar av. Om strömmen i en skuggad modul leds genom dess bypass-dioder utvecklas ingen spänning i modulen. Om systemet innehåller fler parallellkopplade strängar kommer även de oskuggade strängarna att minska sin spänning, då den är identisk över hela systemet. Den tvärkopplade kretsen innehöll två parallellkopplade strängar.

Känslighetsanalysen där en solmodul avlägsnades från systemet och skuggades enskilt, redovisade snarlika resultat som för systemen. Att placera skuggobjektet längre ifrån visade sig i några försök ge en högre elproduktion, då det är enbart den direkta strålningen som tas bort.

Resultaten från simuleringen uttrycktes i enheten ”skuggprestanda”, som anger hur mycket en solmodul ger skuggad jämfört med vad den hade gett oskuggad. Störst betydelse för resultaten hade skorstenens höjd och hur långt ifrån skorstenen som solpanelen placeras, samt val av väderstreck. Lägst skuggprestanda blev 41 % för en seriekopplad modul. Det för en 2 m hög skorsten som placerades intill solpanelen.

Resultaten påvisade att skuggprestandan avtog med en ökad höjd på skorstenen, men för en tillräckligt hög skorsten förändrades inte skuggprestandan. Genom att välja ett avstånd som var tillräckligt långt ifrån skorstenen bidrog skuggan inte lika mycket till minskning av elproduktionen. Ju mer sydligt skorstenen var placerad om panelen krävdes ett längre avstånd. Följande riktlinjer för placering av solceller intill skuggande föremål rekommenderas för att garantera att solcellerna ger minst 95 % av vad de skulle ha gjort oskuggade. För ett skuggande föremål med höjden 0,5 m bör solcellerna placeras 0,3 m ifrån föremålet. För ett skuggobjekts höjd på 2 m bör avståndet vara 2,1 m.

Abstract [en]

The effects of global warming has lead to a temperature rise in the atmosphere. Many countries have agreed to reduce the greenhouse gas emissions in order to mitigate climate change. The energy production today is highly dependent on fossil fuels and thus one solution to reduce emissions is to use more renewable resources. Solar cells are today growing on the market and in Sweden one can expect that solar energy will represent 5 – 10 % of the electricity production in year 2040. Partial shading is still a problem causing losses in the electricity production for solar cells. To reduce the losses due to shading bypass-diodes are built-in on modules. Further successful method can also be to change the interconnections among moduls in a system. At the time of writing this paper, configurations with series-parallel connections between modules are most commonly used, but during partial shading it has been shown that increasing interconnections can increase the outgoing effect.

The purpose of this study was to show guidelines for the investor of solar cells, who plans an installation near objects that will creates shadows on the cells. The target consisted of two parts. First, there was an experimental objective which compared two different system configurations where the solar modules first were connected in series and thereafter in “Total Cross Tied”. The other part of the study considered a theoretical simulation to answer questions as how the energy production during a year was changed for a solar panel by placing it near a chimney. Thereafter it should also state guidelines on how to place the panel around the chimney so that the shading effects are no noticeables.

The experiments were done outdoors and the system consisted of sixteen monocrystalline solar panels. First the panels were connected in series (S) and thereafter in “Total Cross Tied” (TCT). The system included also an inverter that changed direct current from the solar panels to alternating current. In the first experiment the electricity produced from the systems was measured, whereof one module was exposed to different types of shading. As a final experiment, one module was separated from the system where is was exposed to the same shading pattern as before.

The results showed that the PV systems had an efficiency of 16 % for an irradiance between 400 – 700 W/m2. For lower irradiances than 400 W/m2 and higher than 700 /m2 the systems experienced a decreasing efficiency of about 1 – 2 %. A high irradiance occurs normally during the middle of the day when the solar cells have a higher temperature, which decreases the efficiency.

The experiments proved that shading more cells so that current will flow through more bypass diodes resulted in a lower electricity production. For example if only one bypass diode is activated it means that the remaining cells that are not connected to that bypass diode can work freely and gets a higher maximum power point (MPP) on the IU characteristics. When a module got completely shaded it reduced the electricity output power with 7,72 % for the system with series connected modules. For the TCT-configuration the system experienced a reduction of 13,87 %. These results may be a contradiction according to previously research. A conceivable explanation is that the TCT-configuration produces higher current, which can exceed the allowed value for a functionally bypass diode. If the current in a shaded module flows through its bypass diodes it results in a short-circuit of the module so that it cannot contribute to the voltage. The more parallel PV arrays a system includes, a higher effect loss will occur since the unshaded strings may experience an identical voltage drop as the shaded one. The TCT-configuration included two strings connected in parallel.

The sensitivity analysis where one module was separated from the whole system showed nearly the same results as for the whole system. Placing the shading object far away from the module resulted in a higher electricity production for some tests, as it is only the direct radiation that disappears.

The simulations results were expressed in terms of “shading performance” and it showed how much a shaded solar module produced compared to an unshaded. It was shown that the parameters that had the biggest influence on the results were the height of the chimney and how far the solar module was placed with respect to the chimney. As a worst-case scenario, the shading performance was 41 % for a series-connected module. This was for a chimney with 2 m of height that placed next to the solar module.

The results indicated that having a higher chimney had a decreasing effect of the shading performance for the solar module. To get a higher shading performance one can choose to place the solar cells at a larger distance from the chimney. Conclusively, placing the solar module so that the chimney is located to the south of the module the shadow will affect the panel more, and a longer distance is therefore needed. If the solar cells are located on a distance that is at least 0,3 m from a shading object with a height of 0,5 m, it means that the solar cells will produce 95 % of what that would have given unshaded. For a shading object with a height of 2 m it means that the solar cells must be placed at a distance of 2,1 m from the object.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 72
Keywords [en]
Solar Cells, Shading, System Configuration
Keywords [sv]
Solceller, Skuggning, Systemkonfiguration
National Category
Energy Systems Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kau:diva-73397OAI: oai:DiVA.org:kau-73397DiVA, id: diva2:1334767
External cooperation
HSB Värmland
Subject / course
Environmental and Energy Systems
Educational program
Master of Science in Engineering, Degree Programme in Environmental and Energy Engineering (120 ECTS credits)
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-08-30 Created: 2019-07-03 Last updated: 2019-08-30Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Solceller utsatta för partiell skuggning(2297 kB)19 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2297 kBChecksum SHA-512
6d5e8bbf6deca8b84bd99f0540bbc57288db5dbaa54e74c7d01d211484676fee1558e5b5dc97e6d0c876752d6f77a94adc1606a7ce03bcbdec36551cdef44f97
Type fulltextMimetype application/pdf
Bilaga 1(1132 kB)2 downloads
File information
File name ATTACHMENT01.pdfFile size 1132 kBChecksum SHA-512
c216353147f11d41594347d329c8b310254183909411927f63c84b8f1ed2220e0a8d567a9a9a78b26b66110ac9255a88f7ea8f9818bc563ea3797fe26358fe3d
Type attachmentMimetype application/pdf
Bilaga 2(678 kB)2 downloads
File information
File name ATTACHMENT02.pdfFile size 678 kBChecksum SHA-512
0ce47c08de84ed65a0b538bbc04f79d7a2b08f0e878d89c5941fb054cdc8899936f7d177e444d42244bf3dbdaa36bdc17af8ef53483c398c9cdfa5e79caa6306
Type attachmentMimetype application/pdf
Bilaga 3(1385 kB)2 downloads
File information
File name ATTACHMENT03.pdfFile size 1385 kBChecksum SHA-512
c0cd54ae5cee69f9f63817d524fdfdc561f43f010f866e8f4c474001e9b3ca4e3382bc91ef5a81a1d27efa63b69d4a8f1925e77292e54a5b7e8d08e2063c129b
Type attachmentMimetype application/pdf

By organisation
Faculty of Health, Science and Technology (starting 2013)
Energy SystemsEnergy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 19 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 147 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf