Aurinkosähkövoimala

Aurinkosähkövoimalan tehtävänä on muuttaa aurinkopaneelien tasasähkönä keräämä auringon energia sähköverkkoon soveltuvaksi vaihtosähköksi mahdollisimman tehokkaasti ja vähin häviöin.

Aurinkosähkövoimala koostuu seuraavista pääosista, joita kuvataan tarkemmin seuraavilla sivuilla:

Aurinkosähkövoimalan komponentit ovat koeteltuja teknisiä ratkaisuja, jotka on helppo valita, esimerkiksi tämän sivuston vinkeillä, kun pitäytyy laadukkaiden eurooppalaisten (invertteri, kiinnitysteline, aurinkopaneelit) ja aasialaisten (aurinkopaneelit) valmistajien tuotteissa. Aurinkosähköä ei tarvitse enää tarvitse kokeilla, vaan sitä rakennetaan haluttu määrä.

Aurinkosähkövoimalan tapauksessa voimalan suunnittelu ja toteutus on usein vaikeampaa kuin laadukkaiden osien ostaminen. Tämäkin onnistuu pienellä perehtymisellä ja tälle sivustolle tullaan kokoamaan mahdollisimman paljon kokemuksia tähän mennessä rakennetuista voimaloista. Voimalan koon tulee vastata sen omistajan tarpeita sekä nyt että useita vuosia eteenpäin. Tämä vaatii mahdollisesti jonkinasteista ylimitoittamista ja/tai strategiaa tuleville laajennuksille. Voimalan asennuspaikka mukaan lukien suunta ja kallistus tulee valita oikein. Voimalan sähköiset ominaisuudet tulee suunnitella siten että voimala toimii sekä talven pakkasissa että kesän helteillä kunnolla seuraavat 30 vuotta. Voimalan rakennustyöt tulee tehdä huolellisesti ja sähköasennuksissa tulee käyttää alan ammattilaisia. Tällä sivustolla kuvataan yhdessä tekemisen mallia missä tekeminen jaetaan ja lisääntynyt osaaminen jaetaan ryhmässä.

Aurinkosähkövoimalaa kutsutaan myös nimillä aurinkovoimala, aurinkopaneelivoimala tai aurinkosähköjärjestelmä.

Voimalan koko

Voimalan oikean koon valinta on mielenkiintoinen ongelma eikä yhtä oikeaa vastausta ole. Voimalan oikea koko riippuu omistajan motiiveista ja tavoitteista, käytettävissä olevasta budjetista, sijoituspaikasta, tulevasta energian hinnankehityksestä sekä ympäröivän yhteiskunnan laeista ja energia- ja tukipolitiikasta. Monessa kotimaisessa lähteessä (esim. Oulun rakennusvalvonnan opas aurinkosähkön mitoittamisesta tai Aurinkosähköopas tamperelaisille) voimalan oikeaa kokoa on haettu kotitalouden peruskuorman kattamisella aurinkosähköllä ja verkkoon syötettyä sähköenergiaa on haluttu minimoida. Aurinkosähköjärjestelmien hinta on kuitenkin pudonnut 75% neljän viime vuoden aikana ja seuraavan vuosikymmenen aikana Suomi sähköautoistuu ja EU on sopinut siirtymisestä pitkälti uusiutuvien energianlähteiden käyttöön 2050 mennessä. Myös ilmastonmuutosta haluaisi torjua. Sähkövero ja siirtohinnat ovat nousseet viime aikoina. Myös sähkö hinta saattaa taas alkaa kallistua, kun talous kääntyy nousuun. Myös riippumattomuuden  merkitys on kasvanut ihmisten mielissä. Näistä lähtökohdista lähtien aurinkosähkön mitoitus voitaisiin tehdä täysin uudella tavalla.

Aurinkosähkövoimalan toteutuksen voi tehdä myös siten, että hankkii nyt invertterin, jossa on kaksi MPP-sisääntuloa, mutta hankkii nyt vain puolet niistä aurinkopaneeleista, jotka haluasi olla käytössä lopullisessa vaiheessa. Syynä voi olla investoinnin jako useammalle vuodelle tai laajennus vasta sähköauton hankkimisen jälkeen ym. Ei kuitenkaan kannata ostaa ylisuurta invertteriä aurinkosähkövoimalaan, jonka laajentamista ei aio toteuttaa lähivuosina.

Kevään 2013 lappeenrannan yhteishankinnassa parikymmentä henkilöä hankki 2,2 – 9,24 kWp aurinkosähkövoimalan. Nyt 2014 keväällä 1/4 porukasta suunnittelee 2 – 4 kWp laajennusta voimalaansa tämän vuoden aikana vaikka moni ulkopuolinen piti hankittuja voimaloita jo viime vuonna ylimitoitettuina. Eli nälkä kasvaa syödessä.

Tämä kappale on tämän sivuston mielipidevoittoisin kappale. Mieti miten itse mitoittaisit aurinkosähkön ja kerro se muille.

Mitoitus energiantarpeen mukaan

Perinteisesti aurinkosähköjärjestelmiä on mitoitettu kattamaan kiinteistön sähkön käytön peruskuorma. Mitä jos aurinkosähkön aikakaudella mitoitus tehtäisiinkin vuoden sähkön kokonaistarpeen perusteella. Tässä mitoitustavassa vain osa itse tuotetusta sähköstä voidaan käyttää itse.

Esimerkki 1: Ota vuoden sähkönkulutus, esim. 5000kWh. Jaa tämä luvulla 800kWh/kWp, esim. 5000kWh / 800kWh/kWp = 6,25kWp. Pyöristä ylöspäin seuraavaan invertteriin, esim. 6,25kWp => 7kWp SMA Sunny Tripower 7000TL-20. Tuotetusta sähköstä voidaan tässä tapauksessa ilman sähkön varastointia noin 1/3 käyttää itse ja 2/3 myydään. Tulevaisuudessa sähkön nettomittaus tulisi tuoda Suomeen, jolloin tämä mitoitustapa olisi nykyistä kannattavampi sähkön mikrotuottajalle.

Esimerkki 2: Ota esimerkki 1 alkutilanteeseen mukaan myös tuleva sähköautosi. Ajat 20.000km vuodessa. Sähköauton kulutus on 15kWh/100km. Nyt sähköauto tarvitsee 20.000km / 100km * 15kWh = 3000kWh. Tähän pitäisi vielä lisätä häviöt latauksessa, oletetaan näiden olevan 10%. Nyt kulutus onkin 3300kWh + 5000kWh = 8300kWh. 8300kWh / 800kWh/kWp = 10,375kWp. 10,375kWp => 11kWp. Tämän kokoista invertteriä ei SMA:lla ole, joten otetaan joko 9kWp SMA Sunny Tripower 9000TL-20 (isoin integroitu laite kotikäyttöön) tai 5kWp + 6kWp tai 6kWp + 6kWp.

Tässä yhteydessä haluaisin mainita ettei sähkö mielestäni ole lämmitysenergiaa ainakaan suoran sähkölämmityksen avulla vaan mielestäni sähkö tulisi varata vain valaistukseen, ruuanlaittoon, ruuan kylmäsäilytykseen ja elektronisten laitteiden käyttöön.

Mitoitus etelälappeen koon mukaan

Aurinkosähkövoimalan koon voisi mitoittaa käytettävissä olevan katon etelälappeen koon mukaan. Usein tällä mitoituksella päädytään oikeaa suuruusluokkaa olevaan voimalaan. Tulosta voi aina verrata omaan sähköntarpeeseen. Tämä mitoitustapa lähtee siitä että muutaman vuoden päästä saattaa harmittaa jos katolle mahtuisi 2-4 paneelia lisää ja näitä ei sinne alunperin sijoittanut. Parin lisäpaneelin lisäys myöhemmin saattaa vaatia mikroinvertterien ja erillisen suojauslaitteen käyttöä, jos käytetty invertteri “on täynnä” tai alunperin käytettyjen paneelien kanssa riittävän yhteensopivia paneeleita ei ole enää saatavilla.

Esimerkki 1: Talon etelälappeen koko on 12m * 5m = 60m2. Jaa tämä luvulla 2 (aurinkopaneelin koko on 1,5-1,65m2, mutta katolla jää aina osia käyttämättä), esim. 60m2 / 2m2/kpl = 30 kpl. Kerro saatu aurinkopaneelien lukumäärä paneelin teholla (esim. 220-250W), esim. 30 * 250W = 7,5kW. Pyöristä alaspäin seuraavaan invertteriin, esim. 7,5kWp => 7kWp SMA Sunny Tripower 7000TL-20.  Laske tämän invertterin vaatima määrä paneeleita, esim. 7kWp / 250W = 28 kpl. Tarkista saako tämän määrän paneeleita asennettua katolle järkevästi. Selviää, että (1,65*1m 250W) paneelit asentamalla vaakasuoraan katolle mahtuisi 7 * 4 paneelia ja tilaa kuluisi noin 11,55m * 4m. Tilanne muuttuu, jos halutaan asentaa paneelit pystysuoraan. Pystysuoraan asennettaessa kohteessa voisi käyttää 1,5*1m 220W paneeleita ja näitä mahtuisi katolle 33 kpl eli 33 x 220W = 7,26kW ja tilaa kuluisi noin 11m * 4,5m.

Mitoitus budjetin mukaan

Aurinkosähkövoimalan koon voisi mitoittaa käytettävissä olevan budjetin, joko olemassa olevien varojen tai saatavissa olevan lainan määrän mukaan. Tai ainakin käytettävissä olevaa budjettia käytetään muiden mitoitustapojen ohessa. Aurinkosähkövoimalaa ei kannata lähteä suunnittelemaan, jos käytettävissä ei ole tarvittavia varoja.

Mitoituksessa voi käyttää esim. seuraavia karkeita arvioita aurinkosähkövoimalan pääkomponenttien (invertteri, aurinkopaneelien kiinnitysteline ja aurinkopaneelit) hinnoista:

  • 1,5kWp 1-vaiheisena: 2500 EUR
  • 2,5kWp 3-vaiheisena: 5000 EUR (1-vaiheisena 1000 EUR edullisempi)
  • 5,0kWp 3-vaiheisena: 7000 EUR
  • 9,0kWp 3-vaiheisena: 12000 EUR
  • 17kWp 3-vaiheisena: 21000 EUR

Tämän lisäksi kuluja tulee suunnittelusta, toimenpideluvasta (jos tarpeen), asennustarvikkeista, kaapeleista, asennuksesta ja kuljetuksista, jotka ovat joitakin kymmeniä prosentteja pääkomponenttien hinnasta. Mitä isompi voimala sitä pienempi prosentti.

Asennuspaikka

Aurinkosähkövoimalan voi rakentaa katolle, seinään, pihamaalle telineeseen tai osaksi jotakin rakennelmaa. Rakenteen osana aurinkopaneelit voivat toimia autokatosten, autotallien tai kalustohallien kattomateriaalina, seinän verhouksena, parvekkeen kaiteina, ym. Tällä hetkellä yleensä suoraviivaisin asennus tapahtuu olemassa olevan katon päälle kaupallisen asennustelineen avulla.

Kaksikerros kiinnitysteline ilman aurinkopaneeleja

Neljän sarakkeen 2-kerros kiinnitysteline odottamassa aurinkopaneelien asennusta

Usein aurinkosähkövoimalalle on useita mahdollisia asennuspaikkoja. Seuraavassa mahdollisten asennuspaikkojen sijaintia, suuntaa ja kallistusta käsitellään halutun tuloksen aikaansaamiseksi. Asennuspaikan valintaan vaikuttaa kunkin asennuspaikan aurinkosähköpotentiaalin lisäksi optimoidaanko aurinkosähkön vuosituotantoa vai aurinkosähkön käyttöä itse, asennuksen kustannukset ja helppous, tarve aurinkopaneeliin rakennusmateriaalina, ulkonäköseikat sekä aurinkopaneelien ei-sähköiset vaikutukset niiden asennusympäristöön.

Sijainti

Käytettävissä olevista aurinkopaneelien sijoituspaikoista kannattaa tehdä lista ja kirjata siihen eri sijoituspaikkojen ominaisuudet, kuten ennuste vuosituotannosta, paikan hyvät ja huonot puolet, hahmotelma asennuksesta, kustannusennuste, ym.

Katto on yleensä hyvä aurinkopaneelien sijoituspaikka, koska katolla katolla on vähemmän varjostuksia kuin maan pinnalla. Katolla aurinkopaneelit eivät myöskään vie tilaa muulta käytöltä.  Yleensä harjakaton lappeen suunta ja kallistus asettavat kattoasennukselle reunaehtoja. Katolle sijoitettu aurinkopaneelisto suojaa alla olevaa tilaa auringonpaisteelta ja jäähdyttää sitä. Tämä on huomattu  mm. rintamamiestalon yläkerran asuinhuoneiden sekä asumattoman ullakon jäähtymisenä kesähelteillä aikaisempaan tilanteeseen verrattuna. Peltikattoisissa taloissa aurinkopaneelisto katolla tuntuu vähentävän katon paukkumista kovalla tuulella.

Aurinkopaneelit katolla

Ammattimaisen näköinen aurinkopaneelien asennus katolla

Aurinkopaneeliston asentaminen pihamaalle rakennettavaan telineeseen on varteenotettava vaihtoehto, erityisesti asemakaava-alueen alkupuolella, jos katto-asennus ei jostain syystä onnistu.

Aurinkopaneeliteline pihamaalla

Aurinkopaneeliteline pihamaalla

Eri asennuspaikkoja vertailtaessa tulee kiinnittää huomiota myös sähköasennusten toteuttamisen vaatimuksiin, kuten että kaapelit aurinkopaneeleista invertterille olisivat mahdollisimman lyhyet, invertterille löytyy sopiva sijoituspaikka ja invertteriltä sähkökeskukselle matka ei ole liian pitkä. Äärimmäinen esimerkki tästä olisi pellon keskellä oleva sähkötön lato.

Seinää ei normaalisti ole käytetty aurinkopaneelien sijoituspaikkana, mutta eteläseinän voi ottaa mukaan sijoituspaikkavaihtoehtoihin kunhan tietää mitä tekee.

Suunta

Aurinkosähkövoimalan aurinkopaneelit suunnataan yleensä Suomessa etelään, mutta myös kaakko ja lounas ovat hyviä suuntia. Tasakatolle tai loivalle katolle voi harkita myös itä-länsi -suuntaisia aurinkopaneeleita.

Voimala suunnattu etelään

Kuvaaja kesäpäivän tuotannosta kun voimala on suunnattu etelään

Aurinkopaneelien suuntaus ja niiden kallistus vaikuttaa vuosituottoon ja siihen miten tuotettu aurinkosähkö jakaantuu vuoden sisällä eri kuukausille ja tunneittain yhden päivän sisällä. Etelään suunnatut aurinkopaneelit maksimoivat vuosituotannon ja ajoittavat huipputuotannon keskipäivälle. Käännettäessä suuntausta itään tuotanto aikaistuu aamupäivälle ja lähteen käännettäessä tuotanto myöhentyy iltapäivälle. Jyrkällä itään suunnatulla katolla iltapäivän tuotanto putoaa dramaattisesti.

Kallistus

Aurinkopaneelit asennetaan katoille yleensä katon lappeen suuntaisesti. Jos katon kaltevuus on 10 ja 40 asteen välillä, muun kuin katon lappeen suuntainen asennus ei yleensä anna sellaista hyötyä että olemassa olevan kulman muuttaminen kannattaisi.

30 asteen kallistus

Aurinkopaneeliston 30 asteen kallistus

13 asteen kallistus

Aurinkopaneeliston 13 asteen kallistus

Vastaavasti tasakatoilla käytettävissä telineissä 15 asteen kulma on yleensä suositeltavampi kuin tätä suurempi kallistus. Pihamaalle rakennettavassa telineessä voidaan käyttää Etelä-Suomessa optimaalista 40 asteen kallistusta. Pienen telineen kulman voi tehdä myös vuodenaikojen mukaan säädettäväksi.

15 asteen kallistus

Tasakattoasennuksen 15 asteen kallistus

80 asteen kallistus

Säädettävän telineen 80 asteen kallistus

Erikoistapauksissa myös seinäasennuksen 80-90 asteen kulma voi tulla kyseeseen. Myös aurinkopaneelien asennuskulma vaikuttaa niiden suuntauksen lisäksi vuosituottoon ja siihen miten tuotettu aurinkosähkö jakaantuu vuoden sisällä eri kuukausille ja tunneittain yhden päivän sisällä.

Tuotannon optimointi

Jos halutaan optimoida tuotetun aurinkosähkön kokonaismäärää vuoden sisällä, aurinkopaneelit suunnataan etelään ja kallistetaan Etelä-Suomessa 40 asteen kulmaan. Harjakatolla käytetään kuitenkin katon omaa kulmaa. Tasakatolla taas 15 asteen kulma on yleisesti käytössä. Jos suunta poikkeaa etelästä, optimikulma saattaa myös muuttua.

Aurinkosähkön tuotannon optimoinnissa omaan käyttöön vaikuttaa oma sähkönkäyttöprofiili (normaali kotitaloussähkö, sähköauton lataus, sähkölämmitys, karjatila, ym.) Jos halutaan optimoida tuotetun aurinkosähkön käyttöä itse ja käytössä on kaksi toisistaan riippumatonta MPP-seuraajan sisääntuloa aurinkosähkölle (kuten esim. SMA Sunny Tripower -sarjan inverttereissä on), kannattaa harkita aurinkopaneelien sijoittamista kahteen erilliseen kenttään tai paneeliketjuun, jotka suunnataan eri suuntiin. Tällöin suuntina voisivat tulla kyseeseen esim. kaakko ja lounas, itä ja etelä, etelä ja länsi, tai itä ja länsi. Tällöin aurinkosähkön tuoton arviointi tehdään kahdessa osassa ja tulokset yhdistetään.

Jaettu paneelisto

12 aurinkopaneelia etelälappeella ja toiset 14 kulman takana länsilappeella jakaa aurinkosähkön tuottoa tasaisemmin päivän sisällä

Paneelimäärän jakamista kahteen osaan rajoittaa mm. käytetyn invertterin jännitevaatimukset ja jonkinlaisena peukalosääntönä voidaan pitää että yhteen paneeliketjuun tarvitaan 3-vaiheinvertterin kanssa vähintään 12 paneelia (tarkistettava suunnitteluohjelmistolla).

Vuosituotantoennuste

Vuosituotantoennusteen haluttuun osoitteeseen voi laskea esim. PVGIS-aurinkosähkölaskurilla, johon syötetään halutun kohteen osoite, voimalan aurinkopaneeliston teho, suunta ja kallistus. Laskuri perustuu useiden vuosien aikana tehtyihin satelliittimittauksiin auringon säteilyn voimakkuudesta ja lämpötilatilastoihin.

Laskurin käyttö:

  1. syötä kohteen osoite vasemmassa ylälaidassa olevaan kenttään ja paina Search-näppäintä
  2. vaihda “Installed peak PV power” -kenttään aurinkopaneeliston huipputeho kilowateissa, desimaalipisteen sijaan käytetään desimaalipistettä, esim. 2,5 kWp on 2.5.
  3. vaihda “Slope [0;90]” -kenttään sijoituspaikan tai katon kaltevuus, 0 (astetta) on tasakatto, 90 on seinä, loivat peltikatot voivat olla 13, ym.
  4. vaihda “Azimuth [-180;180]” -kenttään sijoituspaikan suunta, 0 (astetta) on suunta etelään, -45 kaakkoon, -90 itään, 45 lounaaseen, 90 länteen, ym.
  5. paina Calculate-näppäintä ja aurinkosähkön jakautuminen ja vuoden kokonaismäärä tulee uuteen ikkunaan. PDF-valinnalla tulokset saa PDF-tiedostoon.

PVGIS-aurinkosähkölaskuri: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Aurinkosähkösuunnittelu

Aurinkosähkövoimalaa suunnitellessa tehdään ainakin seuraavat:

  • varmistetaan aurinkopaneelien ja niistä muodostettujen aurinkopaneeliketjujen yhteensopivuus käytettävän invertterin kanssa ja mm.:
    • aurinkopaneeliketjujen teho vastaa invertterin tehoa,
    • että aurinkopaneeliketjun jännite ei nouse yli MPPT-ylärajan kovalla pakkasella,
    • että aurinkopaneeliketjun jännite ei laske alle MPPT-alarajan helteellä, ja
    • otetaan huomioon paneelien vanheneminen.
  • lasketaan käytettävien johdinten minimipinta-alat siten että tehohäviöt ovat alle halutun raja-arvon (esim. alle 1%),
  • omistajan halutessa suunnitellaan miten järjestelmää voidaan laajentaa tulevaisuudessa.

Aurinkosähkösuunnittelu tehdään nykyään yleensä invertterivalmistajan tarjoamalla ohjelmistolla.