Mikkelin ammattikorkeakoulu / AURINKOSÄHKÖKÄYTÖT Pekka Laukkarinen, Juhani Liljanko, Arto Nieminen ja Tomi Öster.

Esitys aiheesta: "Mikkelin ammattikorkeakoulu / AURINKOSÄHKÖKÄYTÖT Pekka Laukkarinen, Juhani Liljanko, Arto Nieminen ja Tomi Öster."— Esityksen transkriptio:

1 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi AURINKOSÄHKÖKÄYTÖT Pekka Laukkarinen, Juhani Liljanko, Arto Nieminen ja Tomi Öster

2 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Esityksen sisältö 1 Aurinkosähkön määritelmä 2 Turvallisuus 3 Tuotantolaitteiston suojaus 4 Suojauksen määritelmät Suomessa 5 Järjestelmän valinta 6 Verkkoon kytkemättömän (off-grid) aurinkosähköjärjestelmän kokoonpano 7 Verkkoon kytketyn pientalon aurinkosähköjärjestelmän kokoonpanokomponentit 8 Aurinkopaneelien kytkennät 9 Invertteri 10 Suomen suurin aurinkovoimala 11 Keskittävä aurinkovoimala 12 Työryhmän näkemys

3 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Aurinkokäytön määritelmä Auringon kokonaissäteily koostuu auringosta suoraan tulevasta säteilystä ja hajasäteilystä. Hajasäteily on ilmakehän ja pilvien heijastamaa säteilyä sekä maasta heijastuvaa hajasäteilyä. Suomessa hajasäteilyn osuus kokonaissäteilystä on merkittävä. Etelä-Suomessa noin puolet vuoden säteilystä on hajasäteilyä. Aurinkopaneelien tuotannon kannalta ei ole merkitystä, onko paneelille tuleva säteily suoraa vai hajasäteilyä. Hajasäteilyn suuri osuus kokonaissäteilystä Suomessa aiheuttaa kuitenkin sen, että keskittävät aurinkosähköjärjestelmät sekä aurinkoa seuraavat (tracking) järjestelmät eivät ole yleisen käsityksen mukaan taloudellisesti järkeviä, sillä ne perustuvat lähinnä suoran säteilyn tehokkaaseen hyödyntämiseen. Aurinkopaneelien sijoittelu ja kallistuskulma vaikuttavat niille tulevan kokonaissäteilyn määrään. Esimerkiksi lumesta, kiiltävistä kattopinnoista ja vedestä heijastuva säteily voi lisätä kallistetuille paneeleille tulevaa kokonaissäteilyä hetkellisesti jopa yli 20 prosenttia. Vuositasolla pinnoilta heijastuvan säteilyn osuus kokonaissäteilystä on kuitenkin tavallisesti muutaman prosentin luokkaa..

4 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Mikrotuotannosta ja suojauksesta Enintään 50kVA voimalaitos, käytännössä 3x16A 11kW ja yksivaiheisena 1x16A 3,7kVA Mikrotuotantolähdöt tulee merkitä sekä laitoksen että sähköverkon puolelta Kytkeydyttävä irti verkosta jos syöttö verkon puolelta katkeaa Mikrotuotantolaitoksen tulee olla erotettavissa verkosta ja käyttömekanismin tulee olla lukittavissa Jakeluverkon haltijalla tulee olla rajoittamaton pääsy laitoksen erottimelle

5 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Suojauksen standardit

6 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Suojauksen määritelmät Suomessa

7 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Järjestelmän valinta Aurinkosähköjärjestelmät voivat olla verkkoon liitettyjä tai itsenäisiä, jolloin niitä ei ole kytketty sähköverkkoon (off-grid). Verkkoon liitettävän järjestelmän tuottama sähkö voidaan syöttää kiinteistön omaan käyttöön ja edelleen sähköverkkoon. Aurinkosähköpaneelit asennetaan tavallisesti rakennuksen katolle tai julkisivuun. Muut järjestelmään kuuluvat sähkölaitteet sijoitetaan useimmiten kiinteistön sisätiloihin. Järjestelmän invertteri voidaan asentaa myös esimerkiksi ulkoseinään, mutta tällöin täytyy ottaa huomioon laitteen takuuehdot, joissa invertterin toimintalämpötilan alarajaksi määritellään usein -25 °C. Järjestelmään voidaan liittää myös akusto, johon sähköä voidaan varastoida myöhempää käyttöä varten. Sähköverkkoon liitettävien invertterien on täytettävä vallitsevat turvallisuusstandardit.

8 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Verkkoon kytkemättömän (off-grid) aurinkosähköjärjestelmän kokoonpano Verkkoon kytkemätön aurinkosähköjärjestelmä Verkkoon kytkemättömissä järjestelmissä aurinkopaneelien tuottama sähkö varastoidaan ennen käyttöä akkuihin, mikäli sähköntuotanto ja -kulutus eivät osu samaan hetkeen. Järjestelmään kuuluu lataussäädin, joka asennetaan aurinkopaneelien ja akuston väliin. Uusinta teknologiaa edustava MPPT- säädin säätää aurinkopaneelit tuottamaan sähköä mahdollisimman suurella hyötysuhteella ja valvoo, että akusto latautuu optimaalisella tavalla. MPPT-säädintä voidaan hyödyntää myös verkkoon liitetyissä järjestelmissä.

9 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Verkkoon kytkemättömän (off-grid) aurinkosähköjärjestelmän kokoonpano Verkkoon kytkemätön aurinkosähköjärjestelmä Akuista voidaan ottaa virtaa suoraan tasavirtaa hyödyntäviin laitteisiin. Verkkoon kytkemättömät järjestelmät ovat yleisiä etenkin taajamien ulkopuolella ja saarissa, joita ei voi helposti liittää sähköverkkoon. Mikäli tasavirta halutaan muuttaa vaihtovirraksi, järjestelmään on lisättävä invertteri, kuten verkkoon kytketyissä järjestelmissä. Itsenäisiin järjestelmiin voidaan liittää myös aggregaatti, joka toimii varavoimanlähteenä.

10 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi

11 Verkkoon kytketyn pientalon aurinkosähköjärjestelmän kokoonpanokomponentit Aurinkopaneelit kytketään invertterin kautta kiinteistön sähköjärjestelmään (sähköpääkeskus). Sähköverkkoon kytketty järjestelmä ei ilman lisätoimenpiteitä toimi itsenäisenä saarekkeena, joten aurinkosähkö ei takaa sähkön saantia verkon sähkökatkojen aikana. 1-vaiheinen invertteri kytketään verkon yhteen vaiheeseen (kolmesta mahdollisesta). Tämä tarkoittaa, että tuotettua aurinkosähköä voivat hyödyntää vain kyseiseen vaiheeseen kytketyt sähkölaitteet. 1-vaiheiset invertterit ovat tällä hetkellä käytännössä ainoa vaihtoehto pieniin (alle 3 kWp) järjestelmiin, sillä markkinoilla ei ole saatavilla pieniä 3-vaiheisia inverttereitä.

12 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Verkkoon kytketyn pientalon aurinkosähköjärjestelmän kokoonpanokomponentit 3-vaiheinen invertteri palvelee verkon kaikkia kolmea vaihetta. Normaalisti 3-vaiheisilla inverttereillä saadaan aurinkosähköjärjestelmästä suurin hyöty, sillä sen avulla tuotettua sähköä voidaan syöttää kaikkiin kohteen sähkölaitteisiin. 3-vaiheisesta invertteristä saatava hyöty riippuu kuitenkin siitä, miten sähkölaitteet on ryhmitelty ja millaisia laitteita kohteessa on. Sähkön syöttö jakeluverkkoon on vähemmän kannattavaa kuin sen käyttö omaan tarpeeseen. Verkkoon syötettävän sähkön määrä voidaan minimoida siten, että kaikissa kolmessa vaiheessa on laitteita päällä silloin, kun aurinkosähköjärjestelmä tuottaa sähköä. Mikäli vain yhdessä tai kahdessa vaiheessa on laitteita päällä, ilman kuormia olevaan vaiheeseen/vaiheisiin syötetty sähkö siirtyy verkkoon. Suurta sähkötehoa tarvitsevat laitteet, kuten lämminvesivaraajat, kiukaat ja liedet on tavallisesti kytketty verkon kaikkiin kolmeen vaiheeseen, jolloin 3-vaiheinen invertteri palvelee aurinkoisina hetkinä näitä laitteita kaikkien kolmen vaiheen kautta. Pienimpien 3-vaiheisten invertterien kokonaisteho on noin 3 kW.

13 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi

14 Aurinkopaneelien kytkennät Keskenään samanlaisia aurinkopaneeleja voidaan kytkeä sekä sarjaan että rinnakkain. Sarjakytkentä summaa paneelijännitteet ja rinnankytkentä summaa paneelivirrat. Sarjaan voi kytkeä paneeleja, joilla on samat virta-arvot Rinnakkain voi kytkeä paneeleja, joilla on samat jännitearvot Sarjakytkennän etuna on korkeampi siirtojännite ja sen myötä pienemmät sähkönsiirtohäviöt. Rinnankytkennän etuna on, että yhden paneelin varjostus ei haittaa muiden paneelien toimintaa. Sarjaan kytkettyjen paneelien tulee olla samalla tavalla suunnatut, rinnankytkennässä paneelit voivat olla eri asennoissa.

15 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Invertteri Keskitettyä verkkoinvertteriä käytettäessä aurinkopaneelien sarjakytkentä liitetään invertterille Mikroinverttereitä käytettäessä jokaisella aurinkopaneelilla on oma mikroinvertterinsä, jotka kytketään rinnakkain. Jokainen paneeli on itsenäinen tuotantoyksikkö, joiden tuotanto sovitetaan sähköverkkoon keskitetysti. Keskitettyä invertteriä käytettäessä koko sarjakytkennän tuotto määräytyy huonoimmin tuottavan paneelin mukaan, mikroinvertteriratkaisussa yhden paneelin varjostus ei haittaa muiden paneelien tuotantoa.

16 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Suomen suurin aurinkovoimala - Suomen suurin aurinkovoimala käsittää kaikkiaan 2992 korkean hyötysuhteen aurinkopaneelia - AC teho 1MW - Sähköenergia syötetään Helenin verkkoon - Yhden paneelin tuottama energia vastaa parhaimmillaan 25 energian säästölampun verran

17 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Keskittävä aurinkovoima Keskittävä aurinkovoima (Concentrated solar power eli CSP) on aurinkoenergian muoto, jossa Auringon säteilyä keskitetään ja sillä kuumennetaan väliainetta. Väliaineella pyöritetään lämpövoimaprosessia, jossa lämpö- ja paine-energiaa muunnetaan mekaaniseksi energiaksi ja edelleen sähköksi. Myös nimitystä aurinkolämpövoima (engl. Solar thermal power) käytetään. Tavallisimmassa konstruktiossa auringonenergian intensiteetti tiivistetään 1000-kertaiseksi sähkön tuotantoa varten. Voimala koostuu lukuisista paraboloidikouruista tai -levyistä, joista peilit keskittävät valonsäteet öljytäytteiseen putkeen. Öljy lämpenee 400°C:een paraboloidikouruissa ja 800°C:een levy/Stirling- voimalassa. Kuuma öljy johdetaan lämmönvaihtimeen, jossa se höyrystää vettä, jonka voimalla höyryturbiini tuottaa sähköä aivan kuten perinteisissä lämpövoimaloissakin. Tämän vuoksi menetelmästä käytetään myös nimitystä Solar Thermal Power.

18 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Keskittävä aurinkovoimala

19 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi Työryhmän näkemys - Tehoreservi - Tukipolitiikka - Sähkön laatu (huonolaatuiset invertterit) - Vaatimukset sähköverkolle + Verkon kannalta haastaviin paikkoihin sähköt käyttöön + Tuotannon kannalta ilmaista energiaa + Kotimaista ja päästötöntä

20 Mikkelin ammattikorkeakoulu / www.mamk.fi