Passiivinen auringonseuraaja omakotitaloille

Solceller har under de senaste decennierna blivit drastiskt billigare tack vare framsteg i solcellsteknologin. Prisutvecklingen håller dock på att retardera och medför att även andra metoder för att öka kostnadseffektiviteten för solenergi har börjat väcka intresse. En av de växande teknologierna är solföljare, vilka möjliggör en större effektutvinning av solceller genom att rikta dem i optimal vinkel i förhållande till infallande solljus. Aktiva solföljare drivs med datorer och elmotorer, medan passiva modeller är självorienterande och har en intern energiförsörjning. I dagens läge är aktiva solföljare överlägsna på marknaden och utklassar passiva modeller på nästan alla fronter. Denna belägenhet kan sägas bero på att priset på elektriska komponenter har lockat till aktiva lösningar som både är noggranna och billiga. Det kan dock föreställas att en passiv lösning kunde framställas till ännu lägre kostnader, förutsatt en stordelsfördrift genom massproduktion. Härmed antas passiva solföljare besitta en marknadspotential för privathusanvändning där inköpskostnaderna för själva solföljarenheten står för en betydande del av kostnaderna. Därtill har passiva lösningar goda förutsättningar för att minska på miljöbelastning i produktionsskedet då ingen elektronik används. Det är inte många solföljare som är designade för användning till privathustak och det finns således plats för nya innovationer att träda fram inom denna produktkategori. I detta arbete undersöks huruvida det är möjligt att konstruera en ekonomiskt konkurrenskraftig passiv solföljare som kunde användas på privathus i nordiska klimatförhållanden. Projektet har som mål att komma fram med en prototyp som visar prov på att en tillräcklig noggrannhet kan uppnås med en passiv solföljare. I arbetet genomgås en konceptgenerering som strävar till att lyfta fram en bred rad av olika möjligheter till att konstruera en solföljare. Den primära fokusen ligger dock i att använda någon form av termiska aktuatorer, då dessa har i tidigare forskningsprojekt visat sig vara funktionsdugliga för passiva solföljningsapplikationer. Konceptet som slutgiltigt realiserats är valt med hjälp av olika designmetoder som framhäver en objektiv beslutsbefattning. Den principiella idén i det utvalda konceptet bygger på att använda termiska aktuatorer till att rikta en solcellsmodul mot direkt infallande solljus. I den skriftliga delen av arbetet undersöks vilka aspekter som bör tas i beaktandet då solföljare används på privathustak. Därtill är det analyserat hur temperaturvariationen mellan olika årstider inverkar på konceptets funktionsförmåga. Prototypen är testad i verkliga användningsförhållanden och resultaten ger prov på att den principiella lösningen fungerar. Den utvecklade lösningens tillbringade mervärde utreddes genom att utföra försök där strömgenereringen från en solcell på solföljaren jämfördes mot en stationär solcell under en dags tid. Prototypen påvisade eftersträvat rörelsemönster där solföljaren intar tre stabila positioner under dagen och genererade en effektökning på 18% i tidsintervallet 7-19. Konceptidén visar därmed potential för att kunna implementeras i ett helskaligt solcellssystem för privathus.Aurinkokennoteknologian halpeneminen on viime vuosikymmenten aikana ollut roimaa. Kulujen leikkaaminen käy kuitenkin yhä haastavammaksi, joka myös näkyy hintaromahduksen hiljentymisessä. Tämä on kannustanut uusien keinojen löytämiseen aurinkoenergiajärjestelmien tehostamiseksi. Auringonseurantalaitteet suuntaavat aurinkopaneelit optimaalisen kulmaan ja mahdollistavat näin aurinkopaneeleiden tehontuottokapasiteetin paremman hyödyntämisen. Auringonseurantalaitteet ovat todistaneet taloudellisen kannattavuutensa isoissa aurinkokennofarmeissa ja seuraava askel on tuoda tämä tekniikka omakotitalojen katoille, jonne yksityishenkilöt yhä useammin asentavat aurinkopaneeleita. Tässä työssä aurinkoseurantalaite määritellään aktiiviseksi, jos se on tietokoneohjattu tai sillä on ulkoinen energialähde. Ollakseen passiivinen, ratkaisun on täytettävä kaksi kriteeriä: toiminnassaan itseohjautuva ja energialähteen suhteen omavarainen. Elektroniikan alhainen hinta nykypäivänä on mahdollistanut aktiivisten auringonseurantalaitteiden valmistamisen kohtuulliseen hintaan ja tämä yhdistettynä hyviin teknisiin ominaisuuksiin on taannut aktiivisille auringonseuraajille vahvan johtoaseman markkinoilla. On kuitenkin todennäköistä, että passiivinen järjestelmä voitaisiin tuottaa kilpailijoitansa halvemmalla, jos laitteet voidaan tuottaa suurissa määrissä edullisista komponenteista. Tämän työn päämääränä on todistaa mahdolliseksi kustannustehokkaan passiivisen teknologian käyttäminen aurinkoseurantateknologiassa. Tuotteen kohderyhmä on pohjoismaissa asuvat omakotitalo-omistajat, joiden kysynnän hintajousto luultavasti on suuri verrattuna aurinkopaneelifarmeihin, joissa itse auringonseurantajärjestelmän hankintamenot jäävät pieniksi muiden kulujen ohella. Myyntiargumentit onkin rakennettava hyvän hintalaatusuhteen ja ympäristöystävällisyyden ympärille. Työssä analysoidaan markkinavaatimuksia, joiden pohjalta luodaan ryhmä konsepti-ideoita, joista valitaan yksi konsepti joka toteutetaan prototyypiksi. Aikaisempaan tutkimukseen tukeutuen, ratkaisua haetaan erityisesti termisistä aktuaattoreista. Prototyypin testaus suoritettiin ulkoilmaolosuhteissa niin, että paikallaan olevan ja liikkuvan aurinkokennon sähköntuottoa verrattiin yhden kokonaisen päivän ajan. Testitulokset osoittavat prototyypin lisäävän energiatuottoa 18 %:lla aikavälillä klo 7-19. Ennen kaikkea toivottu liikerata, jossa laite asettuu kolmeen stabiilin asentoon päivän aikana, saavutettiin onnistuneesti. Tulosten pohjalta voidaan todeta, että kyseinen konsepti toimii ja ideaa voidaan käyttää jatkokehittelyssä. Teoreettisella tasolla myös laitteen integrointi isompaan systeemiin on esitelty, ajatuksena että laite voitaisiin liittää katolla riveittäin oleviin aurinkopaneeleihin niin, että yksi auringonseurantalaite ohjaisi useampaa paneelia.During the recent past decades, the price of solar cells have come down drastically. However, as it requires increasingly higher effort to press down the costs further, the price curve is bending to a deceleration. This fact has provoked an interest to seek for new ways to improve the economic gain from solar cells and hereby the industry is looking for methods that could make solar energy harvesting more efficient. One of the most prominent technologies are solar trackers, which directs the solar cells in an optimal position in relation to sunlight and hereby maximises the solar insolation that can be converted into electricity in the solar cells. Today, the active solar trackers - the ones that runs with motors and computers - dominate the market and are superior to the passive ones in almost all aspects. This situation is a result of electronics being available at a cheap price and hereby enabling active trackers to be both accurate and inexpensive. There is though reason to believe that passive trackers – the ones with self-oriented functioning and internal power supply - could be manufactured at an even lower cost if economies of scale can be attained through mass production. This could mean a potential market niche for solar trackers designed for private houses as this market segment have a high price elasticity regarding initial investments. Beyond financial benefit, passive solutions also gives a possibility to contribute to an environmental friendly life cycle of the product as an alternative to active trackers which contains electronics that require a huge amount of energy in the production phase. According to the market research conducted in this project, only a couple commercial passive tracker producers could be recognised to exist on today’s market. Furthermore, it is noticeable that very few solar trackers – considering both active and passive ones – are designed for private house roof purpose. Therefore, more innovations are needed to take this technology into a new era. The main purpose of this thesis is to proof that it is possible to produce a cost effective passive solar tracker for private house roofs located in regions with climate conditions comparable to the Nordic climate. This is done through a prototype that is tested in outdoor surrounding to give verification of the functioning principle in a real working environment. Data output of a solar cell module attached to the solar tracker was compared to a fixed one. The results shows an energy gain of 18% in the time 7am-7pm. Moreover, a desired movement pattern with three stable positions of the tracker was attained. Hereby, the solution exhibits promising results for further development. In the theoretical part of the work, ideas around how to implement the innovation into a full size system is presented. The challenges that private house roof mounting might imply is discussed and reflected upon. In the process of developing the prototype, several concepts with different solution proposals have been created to exhibit as many as possible of the solution paths among which to choose. From this broad range of concepts, one was selected to be carried out as a real device by using design methods that helps in an objective evaluation of the ideas. Although the goal is to achieve a diverse solution catalogue, the primary focus is on solutions that includes the use of thermal actuators, as these have proven a promising way to utilize solar rays as energy source in passive solar tracker applications