Introduksjon
Du har kanskje tenkt at solceller er lite tilpasset Norge og norsk klima. Det er riktig at det er mer solinnstråling og dermed mer potensial for solenergiproduksjon lenger sør, men det er en god del sol her og. Man kan sammenligne det med at det er mye produksjon fra solceller når potensialet for å bli solbrent er høyt. Altså, når det er viktig å smøre seg med solkrem er ofte de dagene hvor det er potensielt mye solenergiproduksjon. Så tenk deg, når og hvor er det viktigst at du smører deg med solkrem i Norge? Nummer én er kanskje påskefjellet. På fjellet er man høyere over bakken, så det er mindre atmosfære for solstrålene å gå igjennom. I tillegg, på våren står sola høyt på himmelen, det er lengre dager og ikke minst, det er snø på bakken. Hvorfor er snøen så viktig? Fordi den reflekterer solstrålene! Snø reflekterer nesten all solinnstrålingen tilbake opp i det den måtte treffe. Enten det er opp i en sky, på en hyttevegg, et ansikt, eller et solcellepanel. I forskningsprosjektet SUNPOINT ble det undersøkt hvor det er mest årlig solinnstråling i Norge. Man skulle tro det kanskje var på Sørlandet eller kanskje rundt Oslofjorden, men nei, der vi har mest solinnstråling målt i Norge er på Juvasshøe1. Fjellet rett ved Galdhøpiggen. Dit vil man ikke dra på en fin vårdag uten solkrem.
Kan man derfor konkludere med at på fjellet i Norge er der det er mest solinnstråling og best å plassere solceller? Det er blant annet dette som kvalifiseringsprosjektet har handlet om. For det er ikke bare positivt med mye snø. Dersom snøen dekker panelene, så er det nærmest ingen strømproduksjon, men når snøen er alle andre steder enn oppå panelene er det mye produksjon. Derfor er det viktig at vi undersøker hvor bra det er med solceller i fjellklima ved å måle dette på et testanlegg. Dette er nå blitt gjort på testanlegget på Gålå der et utklipp av anlegget er vist i Figur 1.
Figur 1: Bilde av testanlegget på Gålå der mesteparten av måledataene i prosjektet er hentet fra.
Testanlegget har det meste man ønsker seg for nettopp et testanlegg. Det er paneler som er festet i bakken som peker mot sør og mot vest, tiltet 30 grader, i tillegg til vertikale paneler, som passer til rekkverk på hytter, og paneler på en liten hytte. I tillegg har anlegget en toppmoderne målestasjon. Her måles solinnstråling i tillegg til vind og temperatur. På noen av panelene måles også temperaturen på solcellen inni modulen og hvor mye stråling som treffer på baksiden. I Figur 2 vises litt terminologi rundt noen av instrumentene på anlegget.
Figur 2: Solcellepanel lager strøm som følge av solinnstrålingen som treffer den. Pyranometer måler solinnstråling direkte, og det er en av grunnene til at pyranometer brukes for nøyaktige målinger av solinnstråling. Referansecelle er en godt innpakket solcelle som tåler litt mer enn et vanlig solcellepanel, og måler den innstrålingen et solcellepanel mottar. Tosidig solcellepanel produserer strøm fra solinnstråling på begge sider. Dette er viktig på fjellet der lyset reflekteres fra snøen. Albedometer måler «albedo», altså hvor mye av solinnstrålingen som treffer bakken reflekteres opp igjen.
Kombinasjonen av et godt utstyrt testanlegg og et vinterklima der solceller ikke har blitt forsket så mye på danner grunnlaget for dette forskningsprosjektet. Siden det er blitt forsket lite på solceller i fjellet, vet vi ikke sikkert om alle modeller som brukes og antakelser man gjør passer like godt i fjellområder og vinterklima som det gjør i mildere klima. Det eksisterer for eksempel modeller for snømodellering, men ofte er det på lavereliggende områder og sjekket mot anlegg som er på tak, ikke bakkemontert. Derfor har det vært viktig i dette prosjektet å forske på mye forskjellig for å lære hvilke antakelser som er riktig og hva det bør forskes mye mer på for å forstå solceller og fjellklima bedre. Vi trenger å lære raskt fordi det er kort vei fra forskning til bruk i solenergibransjen, og det er mye billigere og bedre for samfunnet at man lærer med et lite testanlegg i stedet for større bakkemonterte anlegg eller på mange hytter. Det er nettopp større anlegg som kommer i Innlandet. Snart skal Kile Solkraftverk bygges på andre siden av dalen fra Gålå, bare litt over 12 kilometer i luftlinje fra testanlegget, og vi er helt avhengig av de beste løsningene både her og på hytter slik at vi har lokal kraftproduksjon på en bærekraftig, sikker og god måte.
Forskningsresultater
Planlegging og gode instrumenter er viktig
Et viktig usikkerhetsmoment var hvor lett det er å få samlet inn gode data på en målestasjon på fjellet med mye snø og vind. Hvilke instrumenter er viktig og hvor ofte bør man være innom for å vedlikeholde og sjekke instrumentene? Når kan du stole på de dataene du får inn? Hva kan du kontrollere med instrumentering, og hva kan du ikke?
En tidlig læring var at det var nyttig å installere kamera på testanlegget. Her ble det tatt bilder hver halvtime som kunne gi et visuelt bilde på måleinstrumentene. Dette gjorde at man, sammen med måledata som ble hentet inn, kunne forstå måledataene bedre. Her er noen eksempler på hva som ble forstått ved hjelp av kamera.
Ventilator fjerner snø og is effektivt
Pyranometere som måler solinnstråling, vist i Figur 2, får ikke gjort «jobben sin» når det er snø oppå dem. Da vil ikke solstrålene komme frem, og det vil være feilmålinger som i verste fall gjør at man tror det er mindre sol enn det var. For å forhindre snø på pyranometere ble det installert ventilatorer som blåser luft under og hindrer snø å legge seg på. Det vi ikke visste, var om disse vil fungere godt også i fjellklima, men det har vist seg å være veldig effektivt. Et eksempel på dette er vist i Figur 3.
Figur 3: Eksempel som viser at snøen ikke legger seg på pyranometeret med ventilator. Pyranometeret er instrumentet til venstre i bildene, mens de to instrumentene ved siden av er referanseceller. Begge måler solinnstråling, men pyranometeret har ventilator under som blåser varm luft og fjerner snøen. Grafen under viser tre dager i april 2023 der rød linje er solinnstråling målt med pyranometeret og grønn er solinnstråling målt med den ene referansecellen.
Her ser vi at det er en periode på starten av dagen 14. april 2023 hvor pyranometeret viser mye høyere innstråling enn referansecellen. Ved hjelp av kamera ser vi at dette er på grunn av snø som har lagt seg på referansecellen. Ved riktig instrumentering får begge instrumenter gjort «jobben sin». Pyranometeret skal måle all solinnstråling uansett vær, mens referansecellen måler sannsynligvis den samme innstrålingen som solcellepanelene, siden de også mest sannsynlig er dekket av snø.
Snømengder
Kameraet var også et veldig effektivt verktøy for å se på hvor mye snø det var på panelene, når det skled av og hvor mye snø det var under panelene. Et eksempel på dette er vist i Figur 4.
Figur 4: Tre timer 5. april 2024 der snøen sklir av panelene. Panelstativet til venstre, nærmest i bildet har to ensidige solcellepaneler, mens stativet helt til høyre litt i bakgrunnen har tosidige paneler.
I tillegg ser vi fra bildene at stativet til høyre har samlet mer snø rundt seg enn stativet til venstre, mens vertikale panelene helt bak i midten er neste dekket av snø. Sammen med produksjonsdata fra panelene, målt innstråling og temperatur blir ulike modeller validert mot disse bildene som gjør at vi bedre kan modellere snøtap for et større solkraftverk.
Skygge
I testanlegget er det plassert mange instrumenter og stativer på et lite område. Siden utstyret står ganske tett, og sola står lavt på himmelen om vinteren, har det vært en utfordring at de forskjellige stativene og målestasjonen skygger for hverandre. I tillegg så var det pålagt å legge et gjerde rundt tomten pluss at man ikke ønsket å fjerne alle trær rundt, noe som ga ekstra skygge. Dette gjør at det er en ganske mye skygge på paneler og instrumenter. Dette har betydelig påvirkning, særlig på produksjon fra solcellepaneler. Selv om det bare er litt skygge, vil det gjøre at produksjonen drastisk reduseres. Et eksempel er vist i Figur 5.
Figur 5: Skygge på det ene stativet fra målestasjonen der kamera og pyranometere står.
Kartlegging av skygge er viktig slik at man kan ekskludere disse periodene og forstå hvordan å unngå skyggeproblematikk i fremtiden. Styrken til testanlegget, at det er mange instrumenter og solcellepaneler i forskjellige orienteringer, er også en svakhet med tanke på arealet man har tilgjengelig og skygging. Her har bidrag fra kamera vært viktig for kvalitetssikre måledataene. Dette er læring som kan tas med videre.
Snø – en gave på våren, men vinteren er mørk
Snøen er hvit på Gålå og det er bra. Jo hvitere snøen er, jo mer reflekteres opp. I dette prosjektet har vi bekreftet at det på steder slik som Gålå alltid skal brukes tosidige paneler. De er marginalt dyrere og gir betydelig mer produksjon. Effekten av tosidige paneler kontra ensidige kalles for «bifacial gain». Hvor mye mer du får at tosidige paneler kan måles ved å sammenlikne produksjonen fra ensidig solcellepaneler mot tosidige paneler. Utfordringer med snø og skygge har gjort det noe vanskelig å kvantifisere, men for eksempel i april 2024 var det snø på bakken hele måneden og det ble målt en bifacial gain på 10 % som er over tre ganger mer enn hva som ble målt for mai da snøen hadde smeltet. Jo lenger snøen ligger på våren jo mer får man ut av tosidigheten til panelene. En bildeserie fra det tosidige panelet februar til juni 2024 er vist i Figur 6.
Figur 6: Tosidige panelet på testanlegget på ulike dager vinter og vår 2024. Her vil solinnstråling som treffer bakken og opp i panelet bak stå for betydelig del av produksjonen, som for eksempel 10 % ekstra produksjon for hele april 2024.
Her ser man hvordan snøen utvikler seg. I vintermånedene er det kaldt og færre soldager som gjør at snøen ligger lettere på panelene. I tillegg er det mindre solinnstråling fordi solen er lavere på himmelen. På våren derimot er det varmt nok til at snøen har smeltet og solinnstrålingen er mye høyere. Det er her et fjellklima virkelig har en fordel sammenliknet med lavere høyder over havet. Dette er vist i Figur 7.
Figur 7: Målt solinnstråling (oransje, høyre vertikalakse) og målt albedo (blått, venstre vertikalakse) for Gålå og Kjeller for 2023 og 2024. De sorte firkantene indikerer perioder hvor albedoen er høy, og det dermed er snø på bakken.
Her er periodene med snø på bakken betydelig lenger for Gålå enn for Kjeller. De tidsperiodene som Gålå har snø på bakken til forskjell fra Kjeller, er også de periodene der det er mye solinnstråling og derfor mer strømproduksjon. I tillegg når det er snø på bakken på Gålå er albedoen oftest konstant på rundt 0.85 som vil si at 85 % av solinnstrålingen reflekteres opp igjen, siden det er et tykt lag med snø. For Kjeller derimot, varierer snødekket og albedoen mer, og er typisk lavere, rundt 60 %. Dette gjør at fordelen med snø for solceller er tydeligere i et fjellklima der snøen er hvit og varer langt ut på våren.
Vertikale solcellepaneler er en spennende mulighet for hytter
Solceller på hytter er et meget spennende tiltak. Lokal produksjon er gjør at nettleien er lavere i tillegg til at det på stor skala gjør at behovet for nettilknytning er lavere. Her er det blitt testet ut solceller på tak, vegg og som rekkverk på testanlegget. Rådataene fra panelene viser at tak i kombinasjon med gress på taket forårsaker mye skygge og lite produksjon. Disse panelene er også lenge dekket av snø. På vegg gir mer produksjon, men er begrenset til produksjon fra bare én side. Det mest spennende alternativet er vertikale solcellepaneler som kan produsere fra begge sider. Dette er vist som spesifikk ytelse, hvor mye energi produsert per installert effekt mot time på dagen, i Figur 8.
Figur 8: Modellert gjennomsnittlig kraftproduksjon for hver time på dagen for ensidig (monofacial, oransje, 30 grader vinklet), tosidig (bifacial, rød, 30 grader vinklet) og vertikale (rail, blå, 90 grader vinklet) solcellepaneler basert på måledata fra pyranometeret. Stiplet linje er når panelene er vendt mot sør/nord og helstripet linje når panelene er vendt mot vest/øst. Modellerte verdier er vist i stedet for målte verdier for å vise hvordan det ville vært uten skyggetapene som er i de målte dataene.
På figuren kan man se at vertikale paneler vendt mot vest/øst har et stort areal under linjen. Da får man altså en produksjon som er nesten like høy som tosidig vinklet rettet mot sør, men disse produserer mest når de som bruker hytta bruker strøm, altså på morgenen og ettermiddagen. Dette er spennende for gjerder og rekkverk rundt hytter som gjerne har en vest/øst konfigurasjon. Her vil det være viktig å passe på å redusere skygge i design (f. eks. rammer) og unngå skygge fra omgivelser som f. eks. et tre rett foran. I tillegg er det en fordel om man kan heve selve panelene noe opp fra bakken for å unngå snøakkumulering på nedre del av panelet. En øst/vest vertikal tilnærming er også spennende for solkraftverk, men vil ha større utfordringer rundt dimensjonering og skyggedannelse
Simulering av produksjon fra solkraftverk i fjellklima
Et viktig forskningsspørsmål for kvalifiseringsprosjektet er å finne ut av hvilke parametere er viktig å bruke om man skal simulere et solkraftverk i fjellklima. Her brukes vanligvis programvaren PVsyst. Denne programvaren har verdier som man setter i oppsettet, men ofte brukes standardverdier som allerede er definert. For et «normalt» klima så vil kanskje ikke det å bruke disse verdiene gi så stor økning i usikkerheten på modelleringen, men jo mer ekstremt klimaet er vil det være viktig å bruke stedspesifikke verdier. Her er noen viktige takeaways:
- Bruk alltid stedspesifikke albedo og snøtapsverdier
- Standardmodellering av modellert temperatur i PVsyst gjorde at produksjonen underestimerte med 0,5 % til 1 %.
- Et ok alternativ er å bruke U-verdi fra PV anlegg i fjellklima.
- Det beste er å bruke målt vindhastighet direkte inn i PVsyst
- Modellene innebygd i PVsyst for å gjøre om fra global solinnstråling til tiltet solinnstråling er begrenset og ikke de beste for Gålå. Her finnes det bedre modeller som kunne redusert usikkerheten betydelig. Transponeringsmodellen Perez i kombinasjon med dekomponeringsmodellen Erbs som brukes i PVsyst passer ikke det som måles på Gålå. Eksempler på modellkombinasjoner som presterer godt i perioden som ble analysert er dekomponeringsmodellene Erbs, Orgil&Hollands, Dirint og Reindl1 i kombinasjon med og Isotropisk transponeringsmodell, samt dekomponeringsmodellen Yao2, og transponeringsmodellen Hay and Davies.
- For ekstra beregning av bifacial gain kan programvaren bifacial_radiance1 Beregning av bifacial gain på det ene panelet mot sør på Gålå overestimer noe, som trolig skyldes at den ikke tar hensyn til økt snødybde.
Konklusjon og veien videre
I dette kvalifiseringsprosjektet er det vist at solceller kan være svært effektive i fjellklima, særlig på grunn av mye snø som reflekterer solinnstrålingen. Testanlegget på Gålå har gitt verdifull innsikt i hvordan man må ta hensyn til snø, skygge og planlegge måleinstrumenter og panelorienteringer. For hytter er vertikale solcellepaneler spesielt interessant til gjerder eller rekkverk, da de kan dra nytte mye av den reflekterte solinnstrålingen fra snøen og produserer når det forbrukes på hyttene. Viktigheten av å bruke stedspesifikke parametere for simulering av produksjon for solkraftverk i PVsyst er kvantifisert. Prosjektet har fått gjennomført betydelig forskning for solkraft i fjellklima og lagt et solid grunnlag basert på et unikt testanlegg der resultatene vil bidra til bærekraftig lokal kraftproduksjon i fjellområder.
Presentasjoner
- Produksjon av solkraft i vinterklima – Erfaringer fra forskningsanlegget på Gålå, Sigbjørn Grini og Jarle Pedersen, Produksjonsteknisk konferanse, 2024
- Produksjon av solkraft i vinterklima – Erfaringer fra forskningsanlegget på Gålå, Sigbjørn Grini og Jarle Pedersen, Norconsults bærekraftsuke, 2024
- Solar measurement stations in harsh winter climates, Mina Elise Holter, Norwegian Solar Cell Conference, 2024
- PV in Mountain Areas: How Is Performance Impacted?, Mari Øgaard, Norwegian Solar Cell Conference, 2024
- Evaluation of irradiance decomposition and transposition models for Nordic mountain areas, Dina C. Martinsen, Norwegian Solar Cell Conference, 2024
1 Ayala Pelaez and Deline, (2020). bifacial_radiance: a python package for modeling bifacial solar photovoltaic systems. Journal of Open Source Software, 5(50), 1865, https://doi.org/10.21105/joss.01865