Undersökning av el-förluster i en villa Att fastställa energiförlusten i en villa dels med solceller och batterilager, dels utan s̊adan utrustning. Abdulkrim Almeamar Mohammed Khalil Examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet i elektroteknik Institutionen för elektroteknik Chalmers tekniska högskola Göteborg, Sverige 2021 Förord Rapporten omfattar ett examenarbete om 15 högskolan poäng. Examenarbetet ge- nomfördes dels hemifr̊an, dels p̊a Chalmers tekniska högskolan under v̊aren 2021 p̊a grund av pandemin. Vi vill tacka v̊ara handledare Thomas Hammarström och Patrik Ollas för all hjälp och stöd under denna period och stort tack till v̊ar exa- minator Torbjörn Thiringer. De var till mycket hjälp och gav oss bra kommentarer och har riktat in oss mot den rätta vägen. Abdulkrim Almeamar Mohammed Khalil Göteborg, 2021 Abstract The main goal with this report is to determine how to calculate the electrical con- sumption within a house by considering the electrical consumption of all electrical devices that typically exist there. Based on the energy consumption of these de- vices, the electrical losses that occur were estimated. In this report, the electrical losses were divided into two main parts, the losses in cables and in the switching units. Overall, many components in a typical house cause electrical losses but this report focus on the component which cause losses in the conversion units as well cable conduction losses which occur at increasing temperature or overloads were also studied. In this job, the range of the electrical energy that can be produced by the solar panels has been studied through practical experiments. The amount of energy that were produced by solar panels was recorded during one year for the mentioned house. The results of electrical consumption were also compared both with and without solar energy. In the latter case, the additional amount of ener- gy required from the electrical grid to compensate for the lack of solar energy was calculated. Sammanfattning Målet med detta arbete var att uppskatta en villas elförbrukning genom att beräkna den elektriska konsumtionen för den utrustning som normalt finns där. Baserat p̊a dessa enheters energianvändning och effektivitet har de elektriska förluster som därmed uppst̊ar i villan uppskattats. I denna rapport delas de elektriska förlusterna främst upp i tv̊a huvuddelar, de som dels uppst̊ar i kablarna, dels i omvandlingsen- heterna. I detta arbete har dessutom den elektrisk energi som produceras av de solpaneler som är placerade p̊a villan inkluderats i undersökningen. Den energi som producerats av solcellerna under ett år har uppmätts och den resulterade to- tala elförbrukningen i villan jämfördes därefter med fallet d̊a villan helt saknade solpaneler. Inneh̊all 1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.4 Fr̊ageställningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Teori 2 2.1 Grundprinciper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.2 Elförbrukning i villor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.3 Elförluster i huset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.3.1 Kabel förluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.3.2 Växelriktare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.3.3 Omvandlingsförluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 Metod 7 3.1 RISE Research Villa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Elförbrukning i villan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Metods beskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.4 Beräkning av elförbrukning av apparater . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.5 Elförluster i kablar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.6 Solel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.6.1 Energi omvandlingsförluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.7 Spänning niv̊a och omvandlingsförluster . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.7.1 Tillämpningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4 Resultat och analys 18 4.1 Verkan av solel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4.2 Lösnings förslag till elförluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5 Diskussion 22 1 Inledning 1.1 Bakgrund Byggnader är en viktig energikonsument i elkraftsystemet. Enligt energimyndighe- ten s̊a var den största energi andelen konsumeras av småhus, flera bostadhus och byggnader. Som exempel användes under år 2016 80,5 TWh energi för uppvärmning och varmvatten där 40 % användes i sm̊ahus, 33 % användes i fler bostadhus och 27 % används i lokaler [1][2]. Elförluster i en byggnad kan ha en avsevärt kostnad s̊a därför är det viktigt att veta hur kablarna och apparaterna överför respektive förbrukar energin. Källorna för energiförluster är när elen transporteras och kon- sumeras. Nyligen har trenden mot användning av solenergi och batterilager ökat i moderna byggnader och har ocks̊a i många fall blivit ett krav vid nybyggnation. Men även när solenergi och batterilager används kvarst̊ar fortsatt förluster i dessa nya konstruktioner [2]. Det finns olika källor för elektriska förluster, de som upp- st̊ar i ledarna, i transformatorerna, samt i övrig utrustning ansluten till det elekt- riska nätet [2]. Elen genereras fr̊an solpaneler i form av likström, för att minska de elektriska förlusterna lagrars energiöverskott i batterier [3]. Den största fördelen med att installera solpaneler är att elkostnaden kan reduceras. Om solpanelerna är stora nog kan den elektriska energin fr̊an dem förse hela huset med energi. Sol- paneler bidrar till att minska CO2 utsläpp, och enligt ”Energy Saving Trust”kan ett typiskt solcellssystem för hemmet minska utsläppen med cirka 1,3 till 1,6 ton årligen [4]. 1.2 Syfte Syftet med arbetet är att uppskatta energiförlusten i en villa, dels med solceller, dels utan solceller och redovisa dessa elförluster genom att ta reda p̊a hur mycket elektrisk energi som den elektriska utrustningen konsumerar samt att samla in data och lastprofiler och beräkna elkonsumtionen vid olika tider. 1.3 Avgränsningar Arbetet kommer att fokusera p̊a att uppskatta elförlusters storlek i en villa med och utan solpaneler. Vidare ska detta studera hur elen konsumeras i en villa. Dess- utom tar inte projektet hänsyn till DC distributionssystemet i beräkningarna utan presenterar endast hur detta är uppbyggt rent teoretiskt. Projektet kommer inte heller att behandla hur solceller kan utvecklas. 1.4 Fr̊ageställningar • Vilka källor till el-förluster finns i huset och hur stor mängd konsumeras av dessa i en specifik villa? • Vilka metoder kan man använda för att minska el-förlusterna? • Hur ser effekten ut med och utan solceller? 1 2 Teori 2.1 Grundprinciper Vid en byggnadskonstruktion finns det flera viktiga faktorer att ta hänsyn som p̊averkar energikonsumtionens storlek i en byggnad och de skall tas hänsyn till i beräkningen. Det finns ocks̊a i olika typer av byggnader (lägenhet, villa eller flerv̊aningsbyggnad) vilket naturligtvis p̊averkar elförbrukningen storlek. N̊agra faktorer som p̊averkar elkonsumtion: • Byggnadens ålder. • Elförbrukningen varierar beroende p̊a plats och klimatet (fuktighet, värme, etc) • Typ av belysningsenheter (LED, standardlampa etc.) • Värme, ventilation och sanitetsystem (VVS) och isolering system. • Olika typer av elektriska apparater. 2.2 Elförbrukning i villor Enligt Energimarknadsbyr̊an s̊a varierar den genomsnittliga årliga elförbrukningen i en villa som best̊ar av flera v̊aningar fr̊an 20 000 kWh till 25 000 kWh per år, vilket motsvarar cirka 30 000 kronor till 35 000 kronor per år. Enligt Energimark- nadsbyr̊an var priset under år 2019, 154 öre/kWh. D̊a bli för en villa som förbrukar 20 000 kWh kostnaden cirka 30 800 kr [3]. I vanliga lägenheter förbrukar uppskatt- ningsvis 2400 kWh per år, vilket motsvarar cirka 3600 kronor per år [3]. För att beräkna elförbrukningen för elektriska apparater i en villa uppskattar man antal timmar som apparater används p̊a en dag. D̊a uppskattas effekten per tids- enhet genom uttrycket e(t) = ∫ p(t) ∗ dt (1) där p är effekt till apparaten [W], dt är tidsintervall [Timmar] och e är energi [kWh]. 2.3 Elförluster i huset Det finns tv̊a olika typer av förluster i villan. Den första sker i kablarna i villan och den andra sker i DC/DC omvandlare, energi omvandling, etc. 2 2.3.1 Kabel förluster Flera faktorer p̊averkar energiförlusternas storlek i kablar. De mest relevanta här är: kabellängden, tvärsnittsarean, strömmen som g̊ar genom kabeln och materialet i ledaren [4]. För att beräkna effektförluster i kablar används effektsambandet p(t)last = u(t)last ∗ i(t)last (2) där ilast och ulast är strömmen och spänning respektive. Fr̊an (2) kan man räkna ilast p(t)(förlust) = rlast ∗ i2(t)last (3) därefter används (2) i (3) d̊a kan effektförlusten beräknas enligt P (t)(förlust) = R ∗ (P (t)last/U(t)last) 2 (4) Genom följande ekvation beräknaS resistans storlek i en kabel R = ρ ∗ (L/A) (5) där ρ är resistivitet av kabel, L längd p̊a kabel och A är kabelns tvärsnitts are- an [4]. Noterar att längre kabel medför en högre resistans medan tvärsnittsarean sänker denna d̊a förlusten minskar. 2.3.2 Växelriktare En omvandlingsenhet används för att konvertera fr̊an växelström till en likström och tvärtom med hjälp av kraftelektronik. Växelriktare används ocks̊a för att styra spänning och frekvens. Den används ofta ocks̊a för att konvertera energin som produceras av solceller, vilket kan göras med högre verkningsgrad med da- gens kraftelektronik. Det betyder att det är en oproportionell relation mellan verk- ningsgrad och förluster. En hög verkningsgrad minskar förluster vid användning av växelriktare [5]. 2.3.3 Omvandlingsförluster Förlusterna vid spänningsomvandling kan delas upp i tv̊a olika typer: • Förluster i överföring • Förluster vid omkoppling, dvs. omvandling mellan växelström och likström I detta avsnitt diskuteras tv̊a väsentliga komponenter som ing̊ar i en växelriktare, nämligen Dioden och Mosfet-transistorn. Genom att studera dessa kan det belysas var förlusterna uppst̊ar när den elektriska energin omkopplas till olika spänningniv̊aer och strömniv̊aer. 3 För s̊aväl dioden som MOSFET-transistorn finns det tv̊a teoretiska extremfall, blockerande eller ledande. I det första fallet tar vi en ideal diod som exempel. I det här fallet blir dioden ledande när en positiv spänning appliceras p̊a anoden re- lativt katoden varvid dioden blir ledande (framspänd). Om vi antar att dioden är ideal uppst̊ar inget spänningsfall och därmed heller inga förluster i denna.[4] I fallet för MOSFET-transistorn blir denna ledande när en positiv spänning ap- pliceras p̊a Gate-grinden. Om vi även här antar att transistorn kan anses ideal s̊a finns det inget spänningsfall över denna eller strömläckage i blockerande läge när den positiva gate spänningen avlägsnas [4]. Det andra fallet är det icke-ideala, d̊a vi tar hänsyn till att inga komponenter är ideala. Dioden kan beskrivas med tre typiska fall beroende p̊a vilken spänning som appliceras: • Framspänd: d.v.s. när den applicerade spänningen över dioden är positiv d̊a strömmen passerar, d̊a spänningsskillnaden mellan diodens anod och katod är större än spänningsfallet över denna (Kallad Vf )[6]. • Backspänd, i detta fall blockerar dioden [6]. • Sammanbrott i backriktningen: när spänningen som appliceras p̊a dioden är mycket stor och negativ, i detta fall kommer strömmen att styra i omvänd riktning [6]. 4 Figur 1: Ström-spänning egenskaper av icke-ideal diod [4] En Mosfet-transistorn har typiskt tre stycken anslutningar: (Source, Drain och Gate) vilka kan beskrivas som variabla kapacitansen vilkas värde styrs av spänningen som appliceras p̊a gaten (styret) [6]. Denna spänning, vanligen betäcknad UGS styr värdet p̊a spänningen mellan source och drain UDS. Detta p̊averkar först̊ar ocks̊a strömmen genom transistorn IDS. MOSFET-transistorn krävs en minsta spänningsniv̊a som kallas (tröskelspänning) för att fungera (ON). D̊a denna spänning appliceras p̊a gaten eftersom genom att applicera en spänning lägre än tröskelspänning som appliceras p̊a gate, fungerar inte MOSFET-transistorn (OFF). I detta fall leder transistorn inte. [6]. Figur nedan visar schemat samt ström-spänning karaktäristiken 5 Figur 2: (a) Symbol, (b) Ström-spänning egenskaper av icke- ideal MOSFET- transistor. Där G= Gate, S= Source och D= Drain [4] 6 3 Metod 3.1 RISE Research Villa Den villan som används för att utföra denna studie. Villan är utrustad med ener- gisystem för solenergi samt batterilagring. För att styra detta finns ocks̊a en dator samt olika sensorer som mäter effekten året runt. Villan best̊ar av vardagsrum, allrum, entréhall, tre sovrum, uterum, badrum, kök, tekniksrum och en balkong. Villan visas i detalj i Figur 3 och Figur 4. Figur 3: Första v̊aningen i villan där man ser kablage och uttag layout samt vilka rum som finns i v̊aningen. 7 Figur 4: Andra v̊aningen i villan där man ser kablage och uttag layout samt vilka rum som finns i v̊aningen. 3.2 Elförbrukning i villan För att bestämma hur mycket el som förbrukas av den elektriska utrustningen i villan bör vi ta hänsyn till flera faktorer: • Apparaternas effektkonsumering. • Lastfördelningen under året. 3.3 Metods beskrivning Först och främst f̊ar man ta reda p̊a respektive apparats märkeffekt. Därefter måste vi estimera hur mycket effekt denna konsumerar per dag. I denna rapport tog vi främst hänsyn till apparaternas märkeffekt för att studera maxkonsumtio- nen (Worst case). Man kan notera att effekt̊atg̊angen skiljer sig betydligt mellan olika apparater. De flesta apparaterna har informationen om effektkonsumtionen märkt p̊a en etikett placerad p̊a dess baksida eller i tillgänglig teknisk dokumenta- tion. 8 Det är sv̊art att uppskatta alla apparater som kan finnas i ett hus och därför be- handlas i detta arbete endast de som beskrivs i Tabell [1,2,3]. Lastprofiler som finns bifogat i en separat fil med rapporten visar effektniv̊aerna för alla apparater som antas finnas i villan. Dessa värden anges för varje tidssteg( dt =15 minuter). Genom att använda denna information kan det illustreras hur länge apparaterna används under året [4]. 3.4 Beräkning av elförbrukning av apparater För att illustrera hur den elektriska energiuppskattningen genomförs i detta arbete tar vi som exempel en vanlig TV, enligt Figur 5. Effekten per timme p̊a en dag beräknas enligt (1). Detta innebär att om tv:n används åtta timmar p̊a vardagar per dag konsumeras 2920 [Wh] Figur 5: Egenskaper av en TV I Tabell 1 och 2 st̊ar alla apparater med deras märkeffekter. Energin f̊ar man ge- nom att uppskatta hur l̊ang tid en viss apparat används för att därefter multipli- ceras med effekt̊atg̊angen. Tabell 3 beskriver hur mycket energi som förbrukas av belysning och värmepump. 9 Tabell 1: Elkonsumtion för hush̊allsmaskiner under ett år [7] Hush̊allsmaskin Effekt [kW] Tids̊atg̊ang / dygn Energi [kWh] /̊ar Kylsk̊ap 0,1 24 876 Frys 0,1 24 876 Elspis 1,5 1 547,5 Mikrov̊agsugn 1,2 15 (minuter) 109,5 Kaffekokare 0,6 15 (minuter) 54,75 Vattenkokare 1,2 15 (minuter) 109,5 Spisfläkt 0,2 1 73 Diskmaskin 1,5 1 547,5 Tvättmaskin 1,5 1 547,5 Tabell 2: Elkonsumtion för hemelektronik under ett år [7] Hemelektronik Effekt [kW] Tids̊atg̊ang / dygn Energi[kWh] /̊ar LED-TV 65” 0,36 4 525,6 LED-TV 65” 0,36 2 262,8 Bordsdator 0,17 3 186,15 Bärbar dator 0,03 3 32,85 Den data som används för att beräkna belysning och värms energi har kommit fr̊an sensorer som finns placerade i Risevillan. Tabell 3: Konsumtion och max effekt för belysning och värmepump över ett år [4]. Apparater Effekt [kW] Energi [kWh] /̊ar Belysning 0,29 343 Värmepump 5,18 2213 Som alla andra apparater s̊a varierar konsumtionen för värmepumpen under året. Figur 6 illusterar hur mycket konsumtionen varierar för en värmepump och man ser att den ökar vintertid och minskar sommartid. 10 Figur 6: Effekten för värmepump som varierar under året. 3.5 Elförluster i kablar Tabell 4 beskriver elförlusterna storlek för respektive apparat beroende p̊a strömstorleken och ledartyp. Med hjälp av 3, 4 och 5 kan man beräkna strömmen som g̊ar genom apparaten, kabelförluster samt respektive kabelresistans. 11 Tabell 4: Kabels förluster till apparaterna. Apparater Effekts förluster[W] Energi förluster per år [Wh] Kylsk̊ap 0,02 255,23 Frys 0,02 255,23 Elspis 2,04 372,3 Mikrov̊agsugn 3,88 354,70 Kaffekokare 0,98 90,08 Vattenkokare 3,94 360,33 Spisfläkt 0,10 40,03 Diskmaskin 2 366,48 Tvättmaskin 0,95 349,03 LED-TV 65” 0,27 405,37 LED-TV 65” 0,55 405,37 Bordsdator 0,08 63,27 Bärbar dator 0,07 52,86 Total förluster 14,98 3370,34 I rapporten antogs kabellängderna till 12 m för belysning respektive 6,2 m för värmepumpen. Tabell 5 visar summan av energiförluster för varje tidssteg för värmepump och belysningen över hela året. Tabell 5: Kabels förluster till värmepump och belysning. Apparater Energi förluster per år [Wh] Värmepump 675,61 Belysning 550,80 3.6 Solel Sol-el produceras fr̊an celler som omvandlar ljusenergi direkt till elektrisk energi genom den fotoelektriska effekten (Photo-voltaic). Solceller är en viktig energile- verantör eftersom den inte behöver kemiska reaktioner eller annat bränsle för att producera elenergi, och till skillnad fr̊an elektriska generatorer har de inga rörliga delar. Solceller kan finnas i form av sm̊a konfigurationer som kallas solcellspaneler vilka kan användas i bostäder för att ersätta mer traditionella fossilbaserade ener- gikällor. Dessutom kräver dessa inte ett kontinuerligt underh̊all [8]. Här kan det noteras att produktionen av solenergi varierar under sommaren och vintern. Figur 7 visas att produktionen av elektrisk energi är större under somma- 12 ren, p̊a grund av att dagsljuset är längre och därför är solpanelernas exponering för solen större. Figur 7: ett exempel p̊a sol-el som produceras under en vinter (Jan 01,2016)- och sommardag (Jun 06,2016). Tabell 6 visar hur mycket elenergi som producerades av solpaneler i RISE villan. De solceller som installeras i Rise villan som undersöks i rapporten producerar elenergi 3113,1 [kWh] energi under ett år enligt lastprofil som bifogats i en separat fil med rapporten. Tabell 6: Energi som solceller ger över ett år i Risevillan [4]. Material Energi un- der ett år[kWh] Solel 3113,1 I Figur 8 för Rise villan visar det att efterfr̊agan p̊a energi ökar under de tidiga timmarna p̊a morgonen och kvällen. Skillnaden i energibehovet under dygnet be- ror p̊a att människor är p̊a jobbet under delar av dagen. Efterfr̊agan p̊a energi va- rierar under sommaren och vintern. P̊a vintern behöver värmepumpen användas mycket mera för uppvärmning av bostaden. 13 Om man studerar en sommardag för Rise villan ser man att solceller producerar el fr̊an ungefär Kl 06:00 till ca kl 19:00. Under den tiden, man kan minska den energi som köps fr̊an nätet och p̊a detta sätt spara energi, d̊a behövs ingen extern ener- gitillförsel under den tiden d̊a solelen kan täcka energibehovet i villan, detta kallas för egenkonsumtion. Om solel kommer att täcka lasten s̊a slipper man köpa el fr̊an nätet och den stora delen i Figur 8 av PV representerar det överskottet av solcel- ler som kan levereras och säljas till nätet. Figur 8: Typiska last och PV-generationsprofiler för enfamiljshus p̊a en sommar- dag i Sverige [4]. 14 3.6.1 Energi omvandlingsförluster Idag finns växelström i nästan alla elektriska kraftinstallationer i alla hem och byggnader i Sverige. Figur 9 visar en växelströmsmodell av bostadshuset som rap- porten studeras p̊a. Här har vi stor och liten belastning beroende p̊a strömförbrukning. I v̊art fall antas att alla laster ska drivas p̊a DC ström. AC/DC -omvandlingen för lasterna görs i tv̊a steg, (AC/DC) och sedan DC/DC -konvertering till önskad lik- spänningsniv̊a.[4] Figur 9: Typisk AC -topologi med AC och DC där (AC/DC) och DC/DC - konvertering sker inom apparaterna.[4] Fr̊an Figur 9 kan man se att smålaster har tv̊a omvandlingssteg medan de stora laster har ett omvandlingssteg när energi kommer fr̊an nätet. Omvandlingsförluster beräknats genom att multiplicerar (verkningsgrad) med last effekt och tids̊atg̊ang ei = (ηAC/DC) ∗ pLast ∗ t (6) eii = (ηAC/DC) ∗ (ηDC/DC) ∗ pLast ∗ t (7) Där ei är omvandlings energi förluster till varje stora laster, eii är omvandlings energi förluster till varje små lasterηDC/DC och ηDC/DC verkningsgrad, pLast märkeffekt till varje apparat och t är tids̊atg̊ang per år. 15 I Tabell 7 beskrivs beräkningar till energiomvandlingsförluster för lasterna med hjälp av (6) och (7). Verkningsgraden för AC/DC var 95% medan den för DC/DC var 93,7% [4]. Tabell 7: Omvandlings förluster för varje apparat under ett år Apparater Energi omvandlingsförluster [kWh] Kylsk̊ap 42 Frys 42 Elspis 26 Mikrov̊agsugn 5 Kaffekokare 0,1 Vattenkokare 5 Spisfläkt 0,2 Diskmaskin 26 Tvättmaskin 26 LED-TV 65” 1,5 LED-TV 65” 0,79 Bordsdator 0,5 Bärbar dator 0,9 Totalt 175 3.7 Spänning niv̊a och omvandlingsförluster För att minska förlusterna i omvandlingsenheter och i kablar s̊a enligt en forskning som utförts i RISE är det möjligt att utföra LVDC system (Low Voltage Direct Current) för att undvika vissa förluster. Det finns flera typer för LVDC för att kunna använda det men allt beror p̊a vilken spänningsniv̊a man önskar använda [9]. För att underlätta det s̊a man kan förenkla det till tre typer: Tv̊a ledningar som matar spänning vid last punkten kallas för enkel buss topologi. Denna struktur kan användas i bilar med 12 VDC och i telekommunikationsindu- strier med 48 VDC. Tre ledningar bipolär konfiguration som kan f̊a l̊ag spänning, 2VDC till exempel. Denna struktur kan vara mer säker än andra strukturer. Multibuss -konfiguration används när överflödig distributionsbussar behövs, med andra ord när systemet kräver flexibilitet under fel och underh̊allstider. 16 LVDC distributionssystem har en unipolär buss p̊a 380- 400 VDC vilken är enkel att använda när det gäller spänningsniv̊a. I detta system man kan f̊a spänningen som motsvarar AC spänning d̊a lastströmmen som g̊ar genom ledningar är sam- ma som vid 230 VAC. I detta fall s̊a f̊ar man en effektiv lösning till att minskade elektriska förlusters storlek eftersom när man tillämpar en hög spänning innebär det att man f̊ar mindre förluster och dessutom skippar man konverteringssteg ef- tersom hela systemet är likström [9]. För att tillämpa det bästa systemet och minska förlusternas storlek i ett hus s̊a f̊ar man studera och analysera vilken spänning niv̊a som är bäst att användas. 380 VDC är en ganska hög spänning eftersom de flesta apparater i huset kräver l̊ag effekt men man kan skapa en ny spänningsniv̊a för dessa apparater som kräver effekt mindre än 50 W. D̊a kan 20 VDC vara en lämplig spänningsniv̊a för dessa apparater för att anpassa till de sm̊a apparaterna som finns i villan. Det kan dyka upp många apparater i huset som kräver en effekt p̊a mer än 50 W och mindre än 400 W, d̊a det är möjligt att använda 54 VDC. P̊a detta sätt har man möjlighet att sätta vilken spänning niv̊a man vill, s̊a att den kan anpassas lik den effekten som krävs. 3.7.1 Tillämpningen Ett mål i denna rapport är att minska förlusterna i huset d̊a utg̊ar man utifr̊an dessa DC distributionssystem som man kan ha i huset. I fall där man tillämpar 380 VDC och en till spänningniv̊a som passar de enheter som kräver mindre effekt i huset och totalförbrukning är 7332 kWh d̊a det finns inga likriktnings förluster som det nämnts i rapporten. Därefter behöver man beräkna strömmen som g̊ar genom varje last genom att dividerar effekt genom spänningen. I = P/U (8) Tvärsnittet för varje kabel kan väljas men detta beror p̊a vilken max strömmen som kabeln kan bära. Resistansen kan beräknas genom (5). Dessa är för att beräkna ledningsförlusterna. Enligt de angivna värden s̊a kan man beräkna effektförluster genom ledningarna. P = RI2 (9) Dock för att beräkna all förluster som sker i detta system s̊a har systemet förluster i omvandlingsenheterna som beror p̊a effektivitet och detta kan beräknas genom att dela utg̊angseffekt med ing̊angseffekt. 17 4 Resultat och analys 4.1 Verkan av solel Målet med denna rapport är att se hur förbrukningen av elektrisk energi blir med och utan solenergi. I den tidigare delen av rapporten s̊ag vi hur förbrukningen skulle bli utan användning av solenergi, och i den här delen av rapporten kommer man att se hur solenergi kan kompensera för en stor del av energin som används fr̊an det vanliga nätet. Figur 10 illustrerar hur laster ser ut under ett år om man bortser fr̊an solel och d̊a kan man räkna ut den energin som m̊aste köpas fr̊an nätet. När man f̊ar solel som illusteras i Figur 11 bli den gröna delen den spar delen, det vill säga det man slipper att köpa fr̊an nätet och den delen kallas för egenkonsumtion. Den andra konsekvensen blir när solelen är högre än lasten och inte har batterielager, som i v̊art fall, d̊a kommer överskottets energin att matas ut till nätet som presenteras i Figur 11 med den orange delen. Figur 10: El konsumtion av laster utan solel under ett år. 18 Figur 11: Solel produktion och egenkonsumtion under ett år Tabell 8 visar hur mycket el som konsumeras av RISEvillan och hur mycket so- lel som produceras av solpaneler samt hur mycket egenkonsumtion som utnyttjas fr̊an solelen varje m̊anad. Överskottet (1942,3[kWh] per år ) av solel kan levereras och säljas till nätet. Enligt Swedish Energy Agency [10] s̊a var priset för solel som producerats av solpaneler 0,43 SEK/kWh. Vinsten av överskottet fr̊an solel blir d̊a V INST = 0, 43 ∗ 1942, 3 = 835, 18 SEK/̊ar (10) Det finns tv̊a fördelar för solel: Den första är att man f̊ar pengarna tillbaka av överskottet fr̊an solel. Den andra är att man minskar elmängden som köps fr̊an nätet. P̊a s̊a sätt kan solpaneler vara en lönsam investering. 19 Tabell 8: Konsumtionen med solel Månader Last [kWh] Solel [kWh] Egen konsum- tion[kWh] Överskottet av so- lel[kWh] Jan 710,5 64,6 38,6 26 Feb 688,1 99,6 58,5 41,1 Mar 634,5 211,5 80,7 130,8 Apr 493,2 308,9 103,9 205 Maj 510,9 362,8 116,6 246,2 Jun 488,8 412,6 134,1 278,5 Jul 507,4 388,1 143 245,1 Aug 526,4 435,5 139,4 296,1 Sep 595,2 337,4 129,9 207,5 Okt 656,9 232,5 97 135,5 Nov 713,2 192,9 90,3 102,6 Dec 806,6 75,7 47,8 27,9 Totalt 7331,9 3122,1 1179,8 1942,3 4.2 Lösnings förslag till elförluster I Figur 12 man kan se att el förluster i värmepump är ju störst och detta beror p̊a sin stor effekt. För att minska dessa förluster som sker i värmepump, belysning och de andra ap- parater d̊a har vi en lösningsförslag och det handlar om att välja en större arean för kabeln allts̊a ha en tjock kabel d̊a f̊ar man mindre motst̊and och därmed mind- re förluster. 20 Figur 12: Förbrukning och förluster för alla apparater som ing̊ar i rapporten. I Tabell 9 ser man att värmepumpens förluster har minskat till hälften och det gäller för de andra apparaterna. Denna metod antogs i denna rapport som en lösning för att minska elförluster. Tabell 9: Kabels förluster till värmepump och belysning efter nya beräkningar. Apparater Energins förluster per år [Wh] Värmepump 394,56 Belysning 292,15 I Tabell 10 s̊a ser man att även de andra apparaternas förluster har minskat och detta beror p̊a ändringen av kabelarean. 21 Tabell 10: Kabels förluster till apparaterna efter nya beräkningar. Apparater Effekts förluster[W] Energins förluster per år [Wh] Kylsk̊ap 0,02 127,61 Frys 0,02 127,61 Elspis 2,04 372,3 Mikrov̊agsugn 3,88 177,35 Kaffekokare 0,98 45,04 Vattenkokare 3,94 180,16 Spisfläkt 0,10 20,01 Diskmaskin 2 366,48 Tvättmaskin 0,95 174,51 LED-TV 65” 0,27 202,68 LED-TV 65” 0,55 202,68 Bordsdator 0,08 47,45 Bärbar dator 0,07 39,64 Total förluster 14,98 2083,59 5 Diskussion Genom denna undersökning som utförts p̊a huset kan det konstateras att det finns en mängd energi som har förbrukats, men denna energi är aktiv effekt, det vill säga att enheten som använder elen inte kan visa hur stora elförluster som kan tappas p̊a väg tills den aktiva effekten n̊ar enheten. I paragraf 2.3 kan man dra slutsatsen att en betydande mängd förluster finns i överföringskablar och omvandlingsenheter och dessa kan minskas genom att välja större kabelarea och minska antal switchar och omvandlingsenheter genom att välja ett DC disrubtionsystem som g̊ar fr̊an källan till lasten direkt. Varje g̊ang strömmen överförs genom kablarna uppst̊ar elektriska förluster, som ocks̊a kal- las för överföringsförluster, och även när man omvandlar fr̊an växelström till lik- ström eller vice versa, finns det energi förluster, som kallas omvandlingsförluster. I allmänhet kan dessa förluster inte undvikas, eftersom dessa förluster beror p̊a kab- lar som överför strömmen, och ocks̊a p̊a omvandlingsenheter och verkningsgrad, dvs i om det är p̊a eller av läge (ON, OFF). Genom (3) i paragraf 2.3.1 visas det att effektsförluster är direkt relaterad till ka- belns motst̊and och strömmen som passerar i kablarna, vilket innebär att förh̊allandet är direkt mellan den förlorade energin och motst̊andet hos kablarna, ju lägre motst̊and, desto mindre förluster. I (5) i samma paragraf visas det att kabeltvärsnittets area har en viktig roll för att minska eller öka dess motst̊and, eftersom ju större ka- belns bredd är, desto lägre motst̊and och därmed mindre elektriska förluster. 22 Slutligen, kan man konstatera att de elektriska förlusterna kan minskas, men man kan inte f̊a noll energiförluster. Man kan sammanfatta att vid 380 VDC och en mindre spänningsniv̊a, d̊a kommer förlusterna finnas i ledningar vid denna spänningsniv̊a samt förluster i omvandlings enheter fr̊an 380 VDC till en viss spänning niv̊a. Men om det finns laster som kräver effekt mindre än 500 W d̊a behöver systemet om- vandlings enheter och d̊a kommer förlusterna att ske som det nämnts. Fördelen med DC distributionssystem jämfört med AC distributionssystem är att elförluster kan minskas, särskilt när b̊ade generator och förbrukning utförs med DC. Därför är ett DC -distributionssystem mer effektivt än ett AC distributions- system, vilket innebär att det finns en bättre användning av resurser: mindre ener- gi förbrukas och därför är kostnaden för den förbrukade energin är liten. Slutsat- sen av detta är att det finns inga likriktnings förluster i 380V DC distributionssy- stem och en spänning niv̊a till. Nackdelen med detta system är att effektiviteten kan vara l̊ag p̊a grund av omvandlingsförlusterna som sker när systemet omvandla fr̊an 380 VDC till en mindre spänningsniv̊a. 23 Referenser [1] energimyndigheten. Energistatistik för sm̊ahus, flerbostadshus och lokaler 2016. url: https : / / www . energimyndigheten . se / globalassets / statistik/bostader/energistatistik-for-smahus-flerbostadshus- och-lokaler-2016.pdf. (Hämtad 18 Aug, 2021). [2] Vattenfall. Är min elförbrukning normal? url: https://www.vattenfall. se/fokus/hus-hem/vad-ar-normal-elforbrukning/. (Hämtad 01 maj, 2021). [3] Konsumenternas energimarknadsbyr̊a. Normal elförbrukning och elkostnad för villa. url: https://www.energimarknadsbyran.se/el/dina-avtal- och-kostnader/elkostnader/elforbrukning/normal-elforbrukning- och-elkostnad-for-villa/. (Hämtad 05 maj, 2021). [4] Patrik OLLAS. Energy Savings Using a Direct Current Distribution Network in a PV and Battery Equipped Residential Building. 2020. PhD Thesis. Chal- mers Tekniska Högskola. [5] Per Bergqvist. Vad är en växelriktare? url: https://www.molndalenergi. se/kunskap/vad- ar- en- vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign= Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc= 3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad= 427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b& hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_ AQAvD_BwE. (Hämtad 07 maj, 2021). [6] Mats. Kretsteori SJÖBERG Daniel; GUSTAFSSON. ellära och elektronik. Institutionen för Elektro-och informationsteknik, 2008. [7] Caruna. Elapparaternas elförbrukning i medeltal. url: https : / / www . caruna . fi / sv / tjanster / energieffektivitet / elapparaternas - elforbrukning-i-medeltal. (Hämtad 08 maj, 2021). [8] Raymond T. Fonash. Solar cell. url: https://www.britannica.com/ technology/solar-cell#ref45871. (Hämtad 15 maj, 2021). [9] Maria Cristina Moreno Sánchez. Feasible DC voltage levels in households. 2018. Master Thesis. Chalmers Tekniska Högskola. [10] Swedish energy agency. National Survey Report of PV Power Applications in Sweden. url: https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/08/ NSR_Sweden_2019.pdf. (Hämtad 01 sep, 2021). https://www.energimyndigheten.se/globalassets/statistik/bostader/energistatistik-for-smahus-flerbostadshus-och-lokaler-2016.pdf https://www.energimyndigheten.se/globalassets/statistik/bostader/energistatistik-for-smahus-flerbostadshus-och-lokaler-2016.pdf https://www.energimyndigheten.se/globalassets/statistik/bostader/energistatistik-for-smahus-flerbostadshus-och-lokaler-2016.pdf https://www.vattenfall.se/fokus/hus-hem/vad-ar-normal-elforbrukning/ https://www.vattenfall.se/fokus/hus-hem/vad-ar-normal-elforbrukning/ https://www.energimarknadsbyran.se/el/dina-avtal-och-kostnader/elkostnader/elforbrukning/normal-elforbrukning-och-elkostnad-for-villa/ https://www.energimarknadsbyran.se/el/dina-avtal-och-kostnader/elkostnader/elforbrukning/normal-elforbrukning-och-elkostnad-for-villa/ https://www.energimarknadsbyran.se/el/dina-avtal-och-kostnader/elkostnader/elforbrukning/normal-elforbrukning-och-elkostnad-for-villa/ https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.molndalenergi.se/kunskap/vad-ar-en-vaxelriktare?utm_term=&utm_campaign=Dynamic+Search+Ads&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=3607733834&hsa_cam=9717461689&hsa_grp=103429647310&hsa_ad=427516637696&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=b&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gclid=CjwKCAjwtdeFBhBAEiwAKOIy5w6y9Q2DaLDvsDo3VipR4rCyg8E7J67yHOndpE2LQiHZhhL1iFjwoBoCN_AQAvD_BwE https://www.caruna.fi/sv/tjanster/energieffektivitet/elapparaternas-elforbrukning-i-medeltal https://www.caruna.fi/sv/tjanster/energieffektivitet/elapparaternas-elforbrukning-i-medeltal https://www.caruna.fi/sv/tjanster/energieffektivitet/elapparaternas-elforbrukning-i-medeltal https://www.britannica.com/technology/solar-cell#ref45871 https://www.britannica.com/technology/solar-cell#ref45871 https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/08/NSR_Sweden_2019.pdf https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2020/08/NSR_Sweden_2019.pdf Inledning Bakgrund Syfte Avgränsningar Frågeställningar Teori Grundprinciper Elförbrukning i villor Elförluster i huset Kabel förluster Växelriktare Omvandlingsförluster Metod RISE Research Villa Elförbrukning i villan Metods beskrivning Beräkning av elförbrukning av apparater Elförluster i kablar Solel Energi omvandlingsförluster Spänning nivå och omvandlingsförluster Tillämpningen Resultat och analys Verkan av solel Lösnings förslag till elförluster Diskussion