Taloudellisesti kannattavan aurinkosähköjärjestelmän suunnittelu, Oulu Alpo Kekkonen, energia-asiantuntija, Jospi Oy

Transkriptio

1 Taloudellisesti kannattavan aurinkosähköjärjestelmän suunnittelu, Oulu Alpo Kekkonen, energia-asiantuntija, Jospi Oy

2 - Aluksi pikaisesti aurinkoenergian saatavuus ja aurinkosähköjärjestelmien kehitysnäkymät - 15 sekunnin mielikuvaharjoitus - 30 vuotta sitten - Taloudellisesti kannattava aurinkosähköjärjestelmä, erityisesti sähköverkkoon kytketyt järjestelmät - Järjestelmän osat - Luvat - Sijoituspaikan valinta - Keskitetty invertteri vai mikroinvertteri - Järjestelmän mitoitus - Lisää lukemista

3 Ajatellaanpa 15 sekunnin ajan auringonpaistetta.

4 Aurinko säteilee maapallolle vajaassa 15 sekunnissa sen energiamäärän, jonka ihmiskunta kuluttaa vuorokaudessa. - aurinkoenergiaa saadaan maapallolle 6000-kertainen määrä ihmiskunnan energiankulutukseen verrattuna - n. 2 % aurinkoenergiasta muuttuu tuuliksi, eli tuulienergiaa saadaan n. 12 minuutissa ihmiskunnan vuorokauden energiankulutuksen verran - ihmiskunnan sähkönkulutus vuorokaudessa vastaa kahden sekunnin auringon säteilyä ja vajaan kahden minuutin tuulienergiaa - Suomen nykyistä sähkönkulutusta vastaava aurinkosähköntuotanto vaatisi n. 2 % Pohjois-Pohjanmaan pinta-alasta (15 %:n hyötysuhteella)

5 Kolmekymmentä vuotta sitten: aurinkosähköllä toimiva maidonjäähdytin Jäähdyttimessä oli sekä lyijyakut että jääpankki. Säiliössä oli paksu polyuretaanieristys. Vedellä täytetyn säiliön alaosassa oli höyrystinputkisto, jonka päälle jäädytettiin useita senttimetrejä paksu jääkerros. Kompressorina oli Danfossin tasavirtakompressori (24 V). Mittalaitteilla seurattiin tuotettua ja kulutettua sähköä ja saatua auringon säteilyenergiaa. Koekäytössä jäähdytettiin vettä maitotonkassa. Veden lämpötilat (n. 40 C >>>> lähelle 0 C) ja määrät tallennettiin, joista laskettiin tuotettu jäähdytysenergia.

6 ja sen voimanlähde Sähkön maidonjäähdytykseen tuottivat 10 kpl 44 watin aurinkopaneeleja, joiden kappalehinta oli v n markkaa. Markan arvo oli n. 0,33 nykyistä euroa. Nykyvaluutassa aurinkopaneelit maksoivat n. 15 euroa watilta. Järjestelmä toimi täysin ongelmitta muutaman kuukauden koeajan. Laitteisto oli hyvä ja luotettava, mutta liian kallis.

7 Mikä on muuttunut 30 vuodessa Edelleenkin yleisin aurinkokennojen valmistusmateriaali on monikiteinen pii. Piiaurinkokennojen hyötysuhde on parantunut, 11 % >> 15 % Lyijyakkujen ominaisuudet ja hinta ovat säilyneet suunnilleen ennallaan. Lataussäätimien ja inverttereiden teknilliset ominaisuudet ovat parantuneet roimasti ja hinnat samalla laskeneet. PIIAURINKOKENNOJEN HINNAT OVAT LASKENEET, 14 /Wp v >> 0,6 /Wp v AURINKOSÄHKÖN TUOTANTOTEHO ON KASVANUT KERTAISEKSI, 10 MWp v. 1984, 200 GWp v

8 Muutos olisi voinut olla nopeampikin

9 Taloudellisesti kannattava mökkijärjestelmä Suomessa kesämökin sähköistys on kannattavaa toteuttaa aurinkosähköllä, jos: - Kesämökkiä ei ole ennestään kytketty sähköverkkoon - Aurinkosähköjärjestelmän hankintakustannus on pienempi, kun sähköliittymä tai sähköliittymää ei ole saatavilla (sähköliittymä Raahessa asemakaava-alueen ulkopuolella vähintään 2600, Oulussa vähintään 3770 ) >>> sähkön käyttö keskittyy keväästä syksyyn ja kulutus on pieni: vain jääkaappi ja viihdeelektroniikka ja harvoin käytettävä kodinkoneet ja sähkötyökalut, ei esim. sähkölämmitystä ja sähköliettä

10 Aurinkosähkö on kilpailukykyistä Suomessakin Tekniikka &Talous,

11 Vaikka kaikki eivät sitä ole vielä hoksanneet Tekniikka &Talous,

12 Aurinkosähköjärjestelmä on hyvä sijoitus Tekniikka &Talous,

13 Taloudellisesti kannattava sähköverkkoon kytketty järjestelmä Järjestelmän osat - Valosähköiseen ilmiöön (photovoltaic, PV) perustuvat aurinkopaneelit: koostuvat sarjaan kytketyistä aurinkokennoista, tuottavat tasavirtaa/tasajännitettä - Verkkoinvertteri: muuttaa tasavirran vaihtovirraksi, sovittaa jännitteen, taajuuden ja vaiheen sähköverkkoon sopiviksi ja kytkee tuotannon pois päältä sähkökatkon sattuessa - Keskitettyyn invertteriin kytketään sarjaan kytketty paneeliketju (sarjakytkentä summaa paneelijännitteet) tai paneeliketjuja - Jokaisella paneelilla (tai paneeliparilla) voi olla oma mikroinvertteri, jotka yhdistetään sähköverkkoon erillisen verkkoonkytkentäyksikön kautta - Kaapelit, sulakkeet, turvakytkin.

14

15 Aurinkosähkön mikrotuotannon luvat Ota yhteyttä oman kunnan rakennusvalvontaan: tarvitaanko aurinkosähköjärjestelmälle lupa; jos tarvitaan, millainen lupa ja mitä se maksaa. Ota yhteyttä sähkön jakeluverkon haltijaan ja varmista etukäteen, että voit kytkeä aurinkosähköjärjestelmän verkkoon - Ennen verkkoon kytkemistä tarvitaan mikrotuotannon yleistietolomake ja käyttöönottotarkastuspöytäkirja - Järjestelmän täytettävä tekninen vaatimustaso; yleisimmin saksalainen vaatimusdokumentti VDE-AR-N 4105 Etsi ylijäämäsähkölle ostaja, yleensä sähkö myydään samalle taholle, jolta sähkö ostetaankin. Tarvittaessa vaihda sähkönmyyjääsi. Mikrotuotannolla tarkoitetaan enintään 50 kw:n huipputehoista tuotantolaitteistoa, jonka vuosituotanto on enintään kohteen oman sähkönkulutuksen suuruinen.

16 Aurinkopaneelien sijoituspaikan valinta Pohjois-Pohjanmaalla paras vuosituotanto kiinteästi asennetuilla paneeleilla saadaan, kun paneeli on kallistettu etelään n. 45 astetta. Vähäistä suuntauksen ja kallistuksen muutosta tärkeämpää on löytää (tai tehdä esim. puita kaatamalla) mahdollisimman varjostukseton paikka. Esim. Oulu: kallistus 30 astetta etelään: menetys optimiasentoon verrattuna on n. 3 %, kallistus 45 astetta kaakkoon, menetys n. 7 % Yleensä paras sijoituspaikka on rakennuksen katolla, jolloin säästöä syntyy myös siitä, ettei tarvita erikseen maapohjaa eikä erillisiä kiinnitysrakenteita aurinkopaneeleille. Eri sijoitusvaihtoehtojen tuotantomahdollisuuksia voi vertailla laskentasovelluksella:

17 Osittaisen varjostuksen vaikutus, 1 Aurinko paistaa kirkkaasti viiden paneelin systeemiin, tosin vinosti.

18 Osittaisen varjostuksen vaikutus, 2 Ja tässä on paneelien tuotto edellisen kuvan tilanteessa (ei valokuvaajan varjoa), yht. 727 W.

19 Osittaisen varjostuksen vaikutus, 3 Peitetään kartongilla yhden paneelin yksi kenno ja toisen paneelin yhdestä kennosta suunnilleen puolet. Paneelit on kytketty rinnakkain. Miten käy sähköntuotannon?

20 Osittaisen varjostuksen vaikutus, 4 Jos aurinkopaneelin yksi kenno on kokonaan varjossa, niin paneelin tuotanto menetetään jokseenkin kokonaan. Jos kenno on osittainkin varjossa, tehonmenetys on huomattava. Paneelien sarjakytkennän tehon määrittää huonoiten tuottavan paneelin huonoiten tuottava kenno.

21 Keskitetty vai mikroinvertteri, 1 Tässä kuuden paneelin/ mikroinvertterin Järjestelmässä jokseenkin aurinkoisen päivän sähköntuotto toukokuussa on kaikilla inverttereillä jokseenkin sama. Keskitetty Invertteri olisi tuottanut lähes saman verran.

22 Keskitetty vai mikroinvertteri, 2 Tässä viiden paneelin/ mikroinvertterin järjestelmässä jokseenkin aurinkoisen päivän sähköntuotto toukokuussa oli 2,9 kwh. Samat paneelit olisivat tuottaneet keskitetyllä invertterillä 1,6 kwh.

23 Keskitetty vai mikroinvertteri, 3 Tällä hetkellä mikroinvertteriratkaisu on huomattavasti kalliimpi kuin keskitetty invertteri. Mikroinvertteriratkaisu tuottaa enemmän sähköä kuin keskitetty, jos osa aurinkopaneeleista on ajoittain osittain varjossa. Mikroinvertterit ovat luotettavampia kuin keskitetyt invertterit?! Mikroinvertteritoteutuksessa muiden paneelien tuotanto ei häiriinny, jos yksi aurinkopaneeli tai mikroinvertteri on viallinen. Mikroinvertteritoteutuksen voi aloittaa hyvin pienellä järjestelmällä ja laajentaa myöhemmin. Keskitetyn invertterin tehon valinta rajaa paneelitehon kapeammalle alueelle. >>> Jos aurinkopaneelien sijoituspaikka on varjostukseton, parhaan taloudellisen kannattavuuden saa keskitetyllä invertterillä. Tämä pätee marraskuussa Mahdollisesti mikroinvertterien hinta laskee lähivuosina tai jopa lähikuukausina huomattavasti nopeammin kuin keskitettyjen invertterien hinta?

24 Aurinkosähköjärjestelmän mitoitus alkaa sähkönkulutuksen analysoinnista Kun aurinkosähkön pientuottaja korvaa ostosähköä, hän välttyy sähkön energiamaksulta, sähkönsiirtomaksulta, sähköverolta ja arvonlisäverolta, mutta ei voi vaikuttaa perusmaksuihin (kuukausimaksuihin). Kun aurinkosähkön pientuottaja myy ylijäämäsähköä verkkoon, hän hyötyy sähkön myyjänsä kanssa tekemänsä ostosopimuksen mukaisesti, yleensä pörssisähkön tuntihinnan vähennettynä sähkönjakeluverkon haltijan perimällä siirtomaksulla ja sähkönmyyjän perimällä välityspalkkioilla. Taloudellisen tuoton maksimoimiseksi pientuottajan pitäisi pystyä käyttämään tuottamansa aurinkosähkö mahdollisimman suuressa määrin itse samaan aikaan ja samassa sähköverkon vaiheessa tuotannon kanssa. Tämä määrittää taloudellisesti kannattavimman järjestelmäkoon Suomessa. On selvitettävä oma sähkönkulutus, sen ajoittuminen ja jakaantuminen sähköverkon kolmen vaiheen kesken sekä mahdollisuudet ohjata sähkönkulutusta kesäisin keskipäivän tienoille.

25 Kuukausittaiset kulutustiedotkin kertovat jotain 1800 Metsätie 3:n (MT-3) sähkönkulutus, kwh/kk Tammi Helmi Maalis Huhti Touko Kesä Heinä Elo Syys Loka Marras Joulu Huom. Vanha sähkösyöppö kylmiö vaihdettiin energiatehokkaaseen jääkaappiin heinäkuun 2013 lopulla, aurinkosähköntuotanto aloitettiin toukokuun puolivälissä 2014.

26 Varsinkin, kun niitä vertaa aurinko- energian saatavuuteen 300 kwh/m vaakas. 46 ast. kall_kk aur. seur Tammi Helmi Maalis Huhti Touko Kesä Heinä Elo Syys Loka Marras Joulu Aurinkoenergian saatavuus kuukausittain Raahessa: vaakasuoralle, optimaalisesti kallistetulle (46 astetta etelään), kuukausittain optimiasentoon kallistetulle ja aurinkoa jatkuvasti seuraavalle tasolle.

27 Tarvitaan tuntikulutusten tarkastelu Kulutustiedot tuntitarkkuudella saa sähkön myyjän tai sähkönjakeluverkon haltijan Online-palveluista (tämä Oulun sähkönmyynnin energiatililtä). On myös mittalaitteita, jotka tallentavat jatkuvan tehokäyrän.

28 MT-3:n tuntikulutusten tarkastelua, 2 Jos tämä omakotitalo on kesällä tyhjillään, sähköteho on koko ajan vain n. 140 W. Vain jääkaappi, pakastin ja ilmanvaihtokone kuluttavat sähköä.

29 Kerrostalokaksio, kaksi nuorta aikuista Sähkönhankintasopimus Oulun sähkönmyynnin kanssa on ilmeisesti tehty helmikuussa Heinäkuun sähkönkulutus oli reilu 100 kwh v

30 Kerrostalokaksion kesäpäiväkulutus Sähkönkulutus painottuu iltaan. Päiväajan kulutus on keskimäärin reilu 100 W. Ei ole mitään helposti keskipäivään siirrettävää kulutusta

31 Erään navetan (25 lehmää) kesäpäivän sähkönkulutus Tässä navetassa on päivällä useamman tunnin mittaisia pienen tehonkulutuksen jaksoja ellei jotain sähkönkulutusta pystytä keskittämään keskipäivän tuntumaan.

32 Sähkönkulutuksen ajoitus Edellä esitetyt MT-3:n, sähkö/puulämmitteisen omakotitalon tuntikulutukset ja kuvaavat tavallista ja tyhjillään olevan talon sähkönkäyttöä. Kesällä ei yleensä tarvitse lämmittää, paitsi käyttövettä Käyttöveden lämmitykseen (tapahtunut pääosin klo 19 jälkeen 14.8.) kuluneen sähkönkäytön (n. 6 kwh) ohjaaminen yhden kilowatin teholla klo (kesäaika, eli klo 9 15 talviaika) johtaisi siihen, että päiväkulutus n. kuuden tunnin ajan keskipäivällä olisi vähintään n. 1,2 kw. Lämmitettäessä 500 watin teholla, saataisiin keskitettyä n. 12 päivätunniksi 500 watin teho. Kun talo on tyhjillään, kesäajan sähkönkulutus on niin pieni, vain 140 W, ettei omassa käytössä voida kuluttaa kuin pieni osa kilowattiluokan aurinkosähköjärjestelmän tuotosta. Seuraavissa kuvissa tarkastellaan kulutuksen ajoitusta sekä mitoitusta aurinkopaneeleille, jotka ovat katolla, jonka kallistus on 18 astetta ja suuntaus 16 astetta etelästä kaakkoon päin. Aurinkoenergian saantitiedot:

33 Sähkönkulutus/aurinkoenergian saanti Käyrät kuvaavat auringon säteilytehoa aurinkopaneelien tasolle kesäkuussa; aurinkoisena päivänä (punainen), keskimääräisenä päivänä (sininen) ja pilvisenä päivänä (vihreä). Vedenlämmitys on keskitetty keskipäivään yhden kilowatin teholla ja muun ajan kulutus on vähintään 1/8 vedenlämmitysajan kulutuksesta. Musta, kulmikas viiva kuvaa sähkönkulutusta pelkistettynä, sähkö kuluu pääosin omassa käytössä.

34 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 2 Jos valitaan huomattavasti maksimikulutusta suurempi aurinkosähköteho: >> pilvisenä päivänä ja tavanomaisenakin päivänä pääosa tuotosta kuluu omassa käytössä, mutta aurinkoisena päivänä yli puolet tuotannosta menee myyntiin.

35 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 3 Jos valitaan maksimikulutusta huomattavasti pienempi aurinkosähköteho: >> tuotanto kuluu pääosin omassa käytössä, mutta aurinkoisellakin säällä vettä lämmitetään myös ostosähköllä.

36 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 4 Jos vettä lämmitetään 500 watin teholla, minimikulutus on reilu 20 % vedenlämmitysajan kulutuksesta ja lämmitysaika n. 12 tuntia. Jos suurin aurinkosähköteho on maksimikulutuksen suuruinen, kaikki tuotettu sähkö kuluu omassa käytössä.

37 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 5 Jos paneeliteho mitoitetaan tuottamaan sähkö vedenlämmitykseen keskivertosäällä, ainoastaan auringonpaisteisina aikoina menee osa tehosta myyntiin, pääosa tuotosta kuluu omassa käytössä.

38 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 6 Jos sähkönkulutus on vakio, tai mitoitusperusteeksi otetaan minimikulutus, tuotanto kuluu kokonaan omassa käytössä, kun aurinkopaneelien maksimiteho ei ylitä (minimi)kulutusta.

39 Sähkönkulutus/aurinkosähkön saanti, 7 Keskiverto aurinkosähköteho vastaa vakiokulutusta. Tässäkin tapauksessa tuotanto kuluu pääosin omassa käytössä, ainoastaan kirkkaalla auringonpaisteella klo 7 ja klo 16 välillä osa tuotannosta menee myyntiin.

40 MT-3:n aurinkosähköjärjestelmän mitoitus Käyttöveden lämmityksen ohjauksella nostetaan kesäpäiväkulutuksen minimitaso keskimäärin kuuden tunnin ajaksi n. 1,2 kw:iin (veden lämmitys + jääkaappi + pakastin + ilmanvaihtokone). Keskipäivällä aurinkoisina kesäpäivinä aurinkosähköjärjestelmän (kall. 18 astetta, suuntaus 16 astetta etelästä kaakkoon) tuottama teho on enintään n. 80 % nimellistehosta (huomioidaan paneelien lämpenemisestä ja laitteistosta aiheutuvat häviöt) >> n. 1,5 kwp:n nimellistehoisen aurinkosähköjärjestelmän tuotto kuluu jokseenkin kokonaan omassa käytössä (lukuunottamatta aikoja, jolloin koti on tyhjillään eikä vettä kuluteta).

41 MT-3:n aurinkosähköjärjestelmän mitoitus, 2 Jos käyttövettä lämmitetään keskimäärin 12 h/vrk teholla 500 W, 800 watin aurinkosähköjärjestelmän tuotto kuluu kokonaan omassa käytössä. Jos halutaan aurinkosähköntuotannon kuluvan pääosin omassa käytössä silloinkin, kun talo on tyhjillään, tarvitaan vain yksi n. 250 watin aurinkopaneeli. Järjestelmän yksikkökustannus (hinta/watti) noussee noin puolitoistakertaiseksi kilowattiluokan järjestelmään verrattuna.

42 MT-3-aurinkosähköjärjestelmä on todellisuudessa 1,225 kwp:n tehoinen Aurinkoisena päivänä, , järjestelmän sähköntuotto oli 6,46 kwh. Kuluiko tuotettu sähkö omassa käytössä?

43 Sähkönmyyjän online-palvelusta löytyy myös ylijäämäsähkö tuntitarkkuudella Vedenlämmitykseen on kulunut keskipäivän parhaan ajan tuotanto, myyntiin on mennyt yhteensä 0,66 kwh. Omassa käytössä on kulunut 89,8 % tuotetusta sähköstä. Mitoitus on onnistunut.

44 Sähköä on kuitenkin ostettu koko ajan, yhteensä 7,9 kwh Hieman isompikin aurinkosähköteho olisi kulunut pääosin omassa käytössä. Sähköä on ostettu myös keskipäivällä.

45 MT-3-aurinkosähköjärjestelmän toteutus ja seuranta MT-3-aurinkosähköjärjestelmä on yksivaiheinen Jotta tuotanto kuluu pääosin omassa käytössä, vedenlämmitys, jääkaappi, pakastin ja ilmanvaihtokone ovat samassa sähköverkon vaiheessa aurinkosähköntuotannon kanssa. Lämminvesivaraajassa on kolme yhden kilowatin vastusta. Kesäisin käytetään vedenlämmitykseen vain yhtä vastusta. Kytkemällä kaksi vastusta sarjaan saataisiin 500 watin vastus, jolla vedenlämmitys voitaisiin jakaa pitemmälle ajalle. Kun talo on tyhjillään, aurinkoisten kesäpäivien tuotanto menee pääosin myyntiin. Kokonaisuudessaan omassa käytössä kesällä 2014 kului 69 % tuotetusta sähköstä.

46 Em. kerrostalokaksion ja navetan aurinkosähköjärjestelmien mitoitus Kerrostalokaksioon sopii yhden etelän suuntaiselle seinälle (tai parvekkeen kaiteeseen) sijoitetun aurinkopaneelin ja mikroinvertterin järjestelmä tai kahden paneelin ja kahden mikroinvertterin järjestelmä; toinen paneeli idän ja toinen lännen puoleisella seinällä; tai toinen kaakkoon ja toinen lounaaseen. Navetan sähkönkulutus (jos aina tai usein esitetyn graafin kaltainen) on klo 12 16:30 vain n. 200 W. Vain yhden etelään kallistetun 250 watin aurinkopaneelin tuottama sähkö kuluu pääosin navetassa. Itään kallistetuilla paneeleilla voitaisiin toteuttaa 3 5 kilowatin järjestelmä, jonka tuotto keskittyisi aamupäiviin ja kuluisi sekin pääosin omassa käytössä. Itäsuuntauksella menetetään aurinkosähkön kokonaistuotannosta n. neljännes eteläsuuntaukseen verrattuna. Pelkän navetan sijasta aurinkosähköjärjestelmä on viisainta kytkeä maatilan sähköpääkeskukseen, jolloin mukaan saadaan asuinrakennuksen sähkönkulutus.

47 Muuta huomioitavaa Nimellistehojen sijasta invertteritehon sovitus aurinkopaneelikytkentään nähden on viisainta tehdä todellisia käyttöolosuhteita vastaavasti. Suomen kylmissä oloissa ja lumen heijastusvaikutuksen takia aurinkopaneelin nimellisteho (huipputeho) voi ylittyä huomattavastikin, jopa 20 %. Jos taas aurinkopaneelien asento on epäedullinen, paneelikytkennän nimellisteho saa ylittää invertterin nimellistehon. Saatavilla on aurinkopaneelien kiinnitysjärjestelmiä yleisille kattotyypeille (tiilikatto, peltikatto, huopakatto). Jos ammattitaito riittää, aurinkopaneelit voi kiinnittää ilman erityisiä pätevyysvaatimuksia, sähköasennuksiin tarvitaan sähköurakointioikeudet omaava asentaja/yritys. Kaikissa asennuksissa huomioi, että järjestelmien on tarkoitus kestää 50 vuotta, joten ole huolellinen äläkä tingi materiaalien ja työn laadussa.

48 Lisää luettavaa Oulun ammattikorkeakoulu Oy:n Tuurinko-projektin (Tuuli- ja aurinkosähköntuotannon oppimisympäristö www-sivuilla on lisää materiaalia aurinkoenergian saatavuudesta ja aurinkosähköjärjestelmien suunnittelusta ja asennuksesta. Saksalaisen invertterivalmistajan SMA Solar Technology AG:n Sunnyportalista voit seurata yli aurinkosähköjärjestelmän tuotantoa. Näistä aurinkosähköjärjestelmistä 80 on Suomessa, joista kahdeksan Pohjois-Suomessa (tilanne ).

49 Kiitos Alpo Kekkonen