Så fungerar solceller – från foton till växelström

En solcell omvandlar ljusenergi direkt till elektrisk energi genom den fotovoltaiska effekten. Den producerar likström, DC. I en vanlig nätansluten anläggning omvandlar en växelriktare sedan likströmmen till växelström, AC.

De flesta solcellsmoduler på marknaden bygger på kisel, men andra halvledarmaterial används också.

Vad händer inne i en solcell?

Kisel är ett halvledarmaterial. I en solcell behandlas materialet så att områden med olika elektriska egenskaper bildas.

När en foton med tillräcklig energi absorberas kan ett elektron-hål-par skapas. Solcellens interna elektriska fält hjälper till att separera laddningarna så att elektroner kan drivas genom en yttre krets.

Det är alltså inte korrekt att säga att solljuset helt enkelt ”slår loss elektroner ur panelen” som sedan försvinner. Elektroner cirkulerar i en elektrisk krets medan ljusets energi omvandlas till elektrisk energi.

Från solcell till modul

En enskild kiselcell ger relativt låg spänning. Därför kopplas många celler elektriskt tillsammans och kapslas in till en solcellsmodul.

Modulen skyddar cellerna mot väder och mekanisk påverkan med bland annat glas, inkapslingsmaterial, bakskikt eller ett andra glasskikt samt ram eller annan mekanisk konstruktion.

I vardagligt språk kallas modulen ofta solpanel.

Moduler kopplas i strängar

Flera moduler kan seriekopplas till en sträng. Serieanslutning höjer spänningen medan strömmen genom serien i stort begränsas av den del som presterar svagast.

Flera strängar kan anslutas parallellt för att öka strömkapaciteten.

Hur modulerna kopplas måste anpassas till växelriktarens tillåtna spännings- och strömområde.

Vad gör växelriktaren?

Växelriktaren har flera viktiga uppgifter:

• omvandlar likström till växelström,
• synkroniserar nätansluten produktion med elnätet,
• övervakar spänning och ström,
• försöker hitta den arbetspunkt där solcellsfältet ger hög effekt,
• kopplar bort anläggningen från nätet vid vissa fel och nätstörningar.

Funktionen som söker maximal effekt kallas MPPT, maximum power point tracking.

Varför finns en maximal effektpunkt?

En solcellsmoduls spänning och ström ändras med ljus, temperatur och elektrisk belastning.

Effekten är produkten av spänning och ström. För varje aktuellt tillstånd finns därför en arbetspunkt där produkten blir särskilt hög. MPPT-regleringen försöker kontinuerligt följa denna punkt.

Vad gör skuggning?

Skuggning minskar den instrålning som når vissa celler och kan därför sänka produktionen kraftigt.

I en seriekopplad sträng kan en svag modul eller cell påverka fler moduler än bara den skuggade ytan. Bypassdioder används därför för att låta ström gå förbi vissa cellgrupper under ogynnsamma förhållanden.

System med flera MPPT-ingångar, optimerare eller mikroväxelriktare kan ge större flexibilitet när takytor har olika riktning eller skuggning. Det betyder inte att sådan elektronik alltid lönar sig; systemlösningen behöver passa förutsättningarna.

Hur påverkar temperatur solceller?

Mer solljus ger normalt mer ström, men en varm kiselcell får lägre spänning.

Det innebär att modulens effekt ofta sjunker när celltemperaturen stiger, allt annat lika. Kallt och soligt väder kan därför ge hög momentaneffekt.

Det är en viktig påminnelse om att solceller drivs av ljus, inte av värme.

Monokristallint, polykristallint och tunnfilm

Monokristallint kisel dominerar många moderna installationer eftersom tekniken ger hög verkningsgrad och storskalig tillverkning.

Polykristallina kiselmoduler var tidigare mycket vanliga men har tappat marknadsandel när monokristallin teknik blivit billigare och effektivare.

Tunnfilm är ett samlingsnamn för tekniker där mycket tunna halvledarskikt läggs på ett substrat. Exempel är kadmiumtellurid och CIGS. Egenskaperna skiljer sig mellan teknikerna.

Det är därför inte längre korrekt att beskriva marknaden som tre ungefär lika vanliga huvudtyper.

Vad betyder verkningsgrad?

Modulverkningsgrad är den andel av den infallande solenergin som omvandlas till elektrisk effekt under specificerade testförhållanden.

En högre verkningsgrad betyder främst att mer effekt kan fås från en given panelyta. Det betyder inte automatiskt att modulen ger bäst ekonomi per krona eller bäst årsproduktion i varje installation.

Varför producerar anläggningen mindre än modulernas märkeffekt?

Märkeffekt anges under standardiserade laboratorieförhållanden. I verkligheten uppstår förluster från bland annat:

• temperatur,
• växelriktare,
• kablar,
• smuts och snö,
• skuggning,
• skillnader mellan moduler,
• perioder när solinstrålningen är lägre än standardvillkoren.

Årsproduktion ska därför uppskattas med platsens solinstrålning och systemets verkliga förluster, inte genom att multiplicera märkeffekten med årets alla timmar.

Behöver solceller batteri?

Nej. Växelriktaren kan mata solel direkt till byggnadens elsystem och vidare till nätet utan batteri.

Ett batteri är en separat lagringskomponent som kan flytta energi mellan tidpunkter. Hybridväxelriktare och andra lösningar kan integrera batteriet, men grundprincipen för själva solcellen är densamma.

Kan solceller driva huset under strömavbrott?

Inte med en vanlig nätansluten installation. Växelriktaren stänger normalt ned nätmatningen när elnätet försvinner.

För reservkraft behövs en lösning som är konstruerad för säker frånkoppling och lokal ö-drift, ofta tillsammans med energilager.

Vanliga frågor

Producerar solceller likström eller växelström?

Själva solcellerna producerar likström. Växelriktaren gör om den till växelström för ett vanligt nätanslutet system.

Fungerar solceller när det är kallt?

Ja. Kiselceller kan tvärtom få högre spänning vid låg temperatur, men produktionen beror fortfarande på hur mycket ljus som når dem.

Vad händer om en panel skuggas?

Produktionen minskar och beroende på koppling och systemdesign kan även andra delar av strängen påverkas.

Är högsta modulverkningsgrad alltid bäst?

Nej. Verkningsgrad är särskilt viktig när ytan är begränsad, men ekonomi och årsproduktion beror på hela systemet och installationen.