1,008.90kWdc aurinkosähköjärjestelmän (PV) ja 360kWh:n energian varastointijärjestelmän selvityshankkeen loppuraportti

Transkriptio

1 1,008.90kWdc aurinkosähköjärjestelmän (PV) ja 360kWh:n energian varastointijärjestelmän selvityshankkeen loppuraportti Hankkeen tilaaja: Nokian kaupunki, Suomi Hankkeen kohde, sijainti: Kolmenkulma-hanke, Kolmenkulman alue, Suomi Aurinkosähköjärjestelmän kapasiteetti: 1 MWdc Hankkeen toteuttaja : (IPS) Hankkeen rahoittaja: Nokian kaupunki, Tampereen kaupunki ja Pirkanmaan liitto Kokonaisvastuurakentamisen toteuttaja (KVR): Valintapäätös tehdään jatkossa Tämä selvitys sisältää Integrated Power Systemsin luottamuksellista tietoa. Tätä selvitystä tai mitään sanottua luottamuksellista tietoa ei tule julkaista, kirjoittaa edelleen, kopioida, tuoda ilmi tai käyttää ilman Integrated Power Systemsin asianmukaisesti valtuuttaman edustajan kirjallista lupaa. Copyright 2013 Kaikki oikeudet pidätetään.

2 Sisällysluettelo 1,008.90KWDC AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN (PV) JA 360KWH:N ENERGIAN VARASTOINTIJÄRJESTELMÄN SELVITYSHANKKEEN LOPPURAPORTTI 1 LYHENTEET TIIVISTELMÄ HANKKEEN ESITIEDOT AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN (PV) KOMPONENTIT AKKUTEKNOLOGIAAN PERUSTUVAN SÄHKÖENERGIAN VARASTOINTIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT SÄHKÖSUUNNITTELU LIITYNTÄ SÄHKÖVERKKOON RAKENNE JA MEKANIIKKA HANKKEEN TAUSTATIETOA HANKKEEN TILAAJA TIETOA TÄMÄN AURINKOSÄHKÖN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET-SELVITYKSEN TOTEUTTAJASTA HANKKEEN ARVIOIMINEN KÄYTTÖ JA KUNNOSSAPITO SIJOITUSKOHTEEN KUVAUS VALITUT TEKNOLOGIAT AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN RAKENNE JA KUVAUS AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄ AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN YHTEENVETO AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN LAYOUT AURINKOPANEELIEN ASENNUS / KIINNITYSRAKENNE SÄHKÖSUUNNITTELU AURINKOKENNO INVERTTERI DC JA AC SÄHKÖJOHDOT MUUNTAJA KESKIJÄNNITEKOMPONENTIT MAADOITUSSUOJAUS AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN SEURANTA/VALVONTA AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN AIDOITUS MITTAAMINEN MATERIAALILUETTELO ENERGIANTUOTANTO METEROROLOGINEN DATA TIIVISTELMÄ ENERGIANTUOTANNOSTA ENERGIAN VARASTOINTIJÄRJESTELMÄ TAUSTATIETOA VAUHTIPYÖRÄ AKKUTEKNOLOGIAAN PERUSTUVAN ENERGIANVARASTOINTIJÄRJESTELMÄ AKUSTON RAKENNE LIITTEET Confidential 1

3 9.1 LIITE 1: SIJOITUSPAIKAN METEOROLOGINEN DATA NASAN, PVGIS JA METERONORM (HELSINGIN MITTAUSASEMA) TIETOKANTOJEN MUKAAN LIITE 2: AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN (1, KWDC) KYTKENTÄKAAVIO LIITE 3: AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN LAYOUT LIITE 4: AKUSTON KYTKENTÄKAAVIO LIITE 5: AKUSTON TASAPAINOTUSJÄRJESTELMÄN LAYOUT Confidential 2

4 1 LYHENTEET KREP Kolmenkulman uusiutuvan energian alue (engl. Kolmenkulma Renewable Energy Park) IPS IEC Kansainvälinen elektrotekniikan komissio (engl.international ElectrotechnicalCommission) kv kilovoltti MV Keskijännite (engl. Medium-Voltage) HV Korkeajännite (engl. High-voltage) LV Matalajännite (engl. Low-voltage) kwh Kilowattitunti (engl. Kilo Watt Hour) MW Megawatti (engl. Mega Watt) MWdc Megawatti tasasähköä (engl. Mega Watt in Direct Current) MWac Megawatti vaihtosähköä (engl. Mega Watt in Alternative Current) kwac Kilowatti vaihtosähköä (engl. Kilo Watt Alternative Current) kva Kilovolttiampeeri (engl. Kilo Volt Ampere) MVA Megavolttiampeeri (engl. Mega Volt Ampere) MPPT Maksimitehopisteen seuranta (enlg. Maximum Power Point Tracker) PV Aurinkosähkö (engl. Photovoltaic) RE Uusiutuva energia (engl. Renewable Energy) SLD Kytkentäkaavio (enlg. Single line diagram) UL Underwriterin laboratorio (engl. Underwriters Laboratory) Wp Wattia huipputehoa (engl. Watt Peak, or Watts in Direct Current (Wdc)) DC Tasasähkö (engl. Direct current) AC Vaihtosähkö (engl. Alternate current.) IPP Itsenäinen energiantuottaja (engl. Independent Power Producer) STC Standardoidut testiolosuhteet (engl. Standard Test Conditions) NOCT Aurinkokennon normaali toimintalämpötila (engl. Normal Operating Cell Temperature) a.s.l Meren pinnan yläpuolella (engl. Above Sea Level) EPC Kokonaisvastuurakentaminen, KVR (engl. Engineering, Procurement and Construction) ESS Energian varastointijärjestelmä (engl. Energy storage system) BESS Akkuteknologiaan perustuva energian varastointijärjestelmä (engl. Battery Energy Storage System) FESS Vauhtipyörä teknologiaan perustuva energian varastointijärjestelmä (engl. Flywheel Energy Storage System) DOD Purkaussyvyys (engl. Depth of Discharge) SOC Latausaste (engl. State of Charge) BBS Akun tasapainoitusjärjestelmä (engl. Battery Balancing System ) C-arvo C-arvo kuvaa virran ja akun kapasiteetin välisen suhteen. Perinteisesti C-arvo ilmoitetaan purkuvirralle. (12 V, 100 Ah akulle, jonka C-arvo on 8, purkuvirta on 8*100 Ah = 800 Ah). Met station Metereologinen mittausasema Confidential 3

5 2 TIIVISTELMÄ Tässä selvityksessä tarkastellaan yksityiskohtaisesti aurinkosähköjärjestelmän (PV) (1, kwdc) sekä siihen liittyvän akkuteknologiaan perustuvan aurinkosähkön varastointijärjestelmän (BESS) (360 kwh) hyödyntämismahdollisuuksia Kolmenkulman alueella. Tämän selvityshankkeen tilaaja on Nokian kaupunki., ( IPS ) valittiin selvityshankkeen toteuttajaksi avoimen tarjouspyyntöprosessin kautta. Selvityksessä mitoitetaan aurinkosähköjärjestelmä (PV), kaikki sen komponentit sekä aurinkosähkön varastointijärjestelmä. Aurinkosähköjärjestelmä on suunniteltu liitettäväksi Tampereen Sähköverkko Oy:n 20kV:n jakeluverkkoon. Kolmenkulman energiahankkeesta on kaavailtu kansallisesti merkittävää pilotti-hanketta ja uusiutuvan energian tuotantoaluetta, jossa tutkijoilla olisi mahdollisuus tutkimukseen ja tuotekehitykseen keskitetysti yhdessä paikassa. Kolmenkulman energiahankkeessa selvitetään aurinkolämmön, maalämmön, bioenergian sekä aurinkosähkön ja siihen liittyvän aurinkosähkön varastointijärjestelmän hyödyntämismahdollisuudet Kolmenkulman alueella. Tässä selvityksessä on keskitytty aurinkosähköjärjestelmään sekä aurinkosähkön varastointijärjestelmään. Aurinkosähköjärjestelmä koostuu aurinkopaneeleista, DC-AC-invertteristä, keskijännite muuntajasta sekä keskijännite tyhjökatkaisimesta. Aurinkopaneelit tuottavat tasasähköä, joka invertterillä muutetaan vaihtosähköksi. Keskijännite muuntaja muuntaa invertterin jälkeisen vaihtosähkön alhaisen jännitetason (tässä tapauksessa 690 V) jakeluverkon edellyttämälle tasolle (tässä tapauksessa 20 kv). Yksinkertaisessa muuntajassa on saman rautasydämen ympärillä kaksi toisistaan eristettyä käämiä: ensiökäämi ja toisiokäämi. Muuntaja on sähkömagneettinen laite, joka siirtää sähköenergiaa muuntajan käämien välisen keskinäisinduktanssin välityksellä. Ensiökäämissä kulkeva vaihtovirta synnyttää muuttuvan magneettivuon muuntajan rautasydämeen ja edelleen toisiokäämiin. Tämä muuttuva magneettivuo indusoi toisiokäämin napoihin sähkömotorisen voiman, jännitteen. Tässä selvityksessä aurinkosähkön varastointijärjestelmä on lähtökohtaisesti suunniteltu varastoimaan päiväaikaan tuotettua aurinkosähköä ja sitten vapauttamaan sen haluttuna ajankohtana. Energianvarastointijärjestelmillä on useita käyttökohteita yksinkertaisesta energiansaannin varmistamisesta monimutkaisiin sähköverkon suojaussovelluksiin. Energianvarastointijärjestelmät ovat erittäin tärkeässä asemassa energiamarkkinoilla ja niistä onkin tulossa yksi nopeimmin kasvava teollisuudenala energiasektorilla. Soveltuvan energianvarastointijärjestelmän löytämiseksi arvioitiin useita järjestelmiä mukaan lukien vauhtipyörä sekä erilaisia akkuteknologioita. Sähköenergian varastointijärjestelmäksi on tässä selvityksessä valittu kehittynyt Microcell carbon foam-akkuteknologia sen alhaisen hankintahinnan, korkean hyötysuhteen, korkean lataus- ja purkauskapasiteetin (C-luku) sekä pitkän käyttöiän (3000 latausta) vuoksi. (Yksityiskohtaiset tiedot luvussa 8). Korkeaa lataus- ja purkauskapasiteettia ei kuitenkaan päästä hyödyntämään tämän selvityksen varastointijärjestelmässä suunnitellun aurinkosähköjärjestelmän pienen kapasiteetin vuoksi. C-arvo kuvaa virran ja akun kapasiteetin välistä suhdetta sekä toisaalta myös akun lataus- ja purkausnopeutta. Esimerkiksi akkuun, jonka C-arvo on 4, voidaan ladata tai akusta voidaan purkaa Confidential 4

6 nelinkertainen nimellisvirtamäärä. Toisin sanoen C-arvolla 4 olevia akkuja tarvitaan neljä kertaa vähemmän kuin akkuja, joiden C-arvo on 1. Perinteisen auton akun C-arvo on 1. Energianvarastointijärjestelmä koostuu lataussäätimestä, akuista ja akkujen tasapainotusjärjestelmästä tai akkujen tasoitus- ja hallintajärjestelmästä sekä muista lisälaitteista. Lataussäätimen päätehtävä on ladata akkuja samalla suojaten niitä ylilataukselta ja ylipurkaukselta. Lataussäätimen maksimitehopisteseuraaja ylläpitää aurinkopaneeliston jännitteen invertterin edellyttämässä optimaalisessa arvossa. Lataussäätimen maksimitehopiste tässä tapauksessa on välillä 525Vdc-850Vdc ja invertterin maksimitehopiste välillä 585Vdc- 850Vdc. Akkujen tasapainotusjärjestelmä tai akkujen tasoitus- ja hallintajärjestelmä tasoittaa akkujen jännitteen 10 mv:n toleranssin sisään. Tämä on erittäin tärkeää akkujen eliniän kannalta. Järjestelmä estää lisäksi akkuja alilatautumasta ja/tai ylilatautumasta, mikä puolestaan ehkäisee akkujen vikatiloja, pidentää akkujen elinikää ja varmistaa koko järjestelmän luotettavuuden. Jokaista akkua (12V-100Ah) kohden on yksi akun tasapainotusjärjestelmä, joilla tasapainotetaan 50:tä akusta muodostuvaa riviä. Jokaista 7-8 akkua kohden on vielä erillinen tasapainotusjärjestelmä, jolla latausjännite rajoitetaan 120 volttiin. Kuusi tasapainotusjärjestelmää sisältää 7 akkua ja yksi tasapainotusjärjestelmä sisältää kahdeksan akkua. Tällä tavoin riviä kohden (60 kwh) on 56 akun tasapainotusjärjestelmää ja 112 tasapainotusjärjestelmää jokaista kolmea 350 kw invertteriyksikköä kohden. Akun tasapainotusjärjestelmät varmistavat, että jokaisen 12V:n akun jännite pysyy 10 mv:n toleranssin sisällä. Täällä tavoin pysytään turvallisten toimintarajojen sisällä. Akun tasapainotusjärjestelmässä on sisäinen rele/kontaktori, joka toimii punaisen led-osoittimen kanssa vikatilanteissa, kuten esimerkiksi akkurivistön alijännite tai ylijännite tilanteissa. Automaattisen jännitteen havaitsijan mahdollistamana, akkurivistön yksittäinen akku kytketään irti kriittisissä tilanteissa sulautetun yhteydenohjauksen ja ulkoisen kontaktorin avulla. Akut ja lataussäädin asennetaan erilliseen, ilmastoituun ja lämmitettyyn konttiin yhdessä tyhjökatkaisimen, akkujen tasapainotusjärjestelmän jne. kanssa. Aurinkovoimalan operaattorin tulee huolehtia, että kontin lämpötila pysyy välillä HANKKEEN ESITIEDOT Hankeen tilaaja: Nokian kaupunki, Suomi Hankkeen nimi: Kolmenkulma-hanke. Aurinkosähkön hyödyntämismahdollisuudet selvitys Sijainti: Kolmenkulman alue, Suomi Maantieteelliset koordinaatit: 61 30'49.00" pohjoista leveyttä, 23 34'32.00" itäistä pituutta, 120 m meren pinnan yläpuolella Confidential 5

7 2.2 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN (PV) KOMPONENTIT Aurinkokenno Invertteri Muuntaja Aurinkosähköjärjestelmän suuntaus Monikiteinen piikenno (295 W), 3,420 kennoa, kokonaisteho 1, Wdc Power One, malli: Ultra TL, 1050kW, 1 kpl 1250kVA-20kV Kiinteä asennus etelään, asennuskulma 42 astetta 2.3 AKKUTEKNOLOGIAAN PERUSTUVAN SÄHKÖENERGIAN VARASTOINTIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT Tässä työssä ehdotettava akkuteknologiaan perustuva sähköenergian varastointijärjestelmä koostuu akustosta, lataussäätimestä sekä akkujen tasapainotusjärjestelmästä. Lataussäädin Korkean hyötysuhteen MCFT-akku Akun tasapainotusjärjestelmä Kolme lataussäädintä, 150A, Maksimitehopiste välillä 525V- 850Vdc Kolme sadan akun (12V-100Ah) ryhmää. 50 akkua sarjassa, jolloin saadaan 580V-720Vdc (yhteensä 360 kwh) Kolme ryhmää, joissa jokaisessa 56 x 2, yhteensä 336 kappaletta 2.4 SÄHKÖSUUNNITTELU DC- ja AC-puolen sähkösuunnittelu tulee toteuttaa perustuen invertterin sähköparametreihin. Lataussäädin ja akusto suunnitellaan siten, että niiden jännitetaso saadaan vastaamaan invertterin maksimitehopisteen jännitetasoa 585V-850Vdc. Tarkemmin ottaen lataussäätimen maksimitehopisteen jännitetaso tulee olla 525V-850Vdc ja akuston jännitetaso tulee olla 570V- 720Vdc. Sähköverkkoon liittyminen suunnitellaan myöhemmin yksityiskohtaisesti suunnittelunvaiheessa. 2.5 LIITYNTÄ SÄHKÖVERKKOON Aurinkosähköjärjestelmällä tuotettu sähköenergia siirretään 20 kv:n jakeluverkkoon. 2.6 RAKENNE JA MEKANIIKKA Aurinkosähköjärjestelmän asennus- ja kiinnitysrakenne suunnitellaan kansallisten tuulikuormastandardien mukaan. Confidential 6

8 3 HANKKEEN TAUSTATIETOA 3.1 HANKKEEN TILAAJA Hankkeen tilaaja on Nokian kaupunki, joka sijaitsee Pirkanmaalla noin 15 kilometriä länteen Tampereen kaupungista, joka puolestaan on yksi Suomen suurimmista kaupungeista. Nokiasta tuli kaupunki vuonna 1977 ja Nokialla on noin 32,500 asukasta. Kolmenkulman alue sijaitsee Nokian, Tampereen ja Ylöjärven kaupunkien liittymäkohdassa, koilliseen maantie 11:ta ja moottoritie E12:ta liittymäkohdasta. Alueen maantieteelliset koordinaatit ovat 61 30'49.00" pohjoista leveyttä, 23 34'32.00" itäistä pituutta. Kolmenkulman uusiutuvan energian hankkeessa selvitetään aurinkolämmön, maalämmön, bioenergian sekä aurinkosähköjärjestelmän (1MWdc) ja siihen liittyvän aurinkosähkön varastointijärjestelmän hyödyntämismahdollisuuksia. Aurinkosähköjärjestelmä on suunniteltu liitettäväksi Tampereen Sähköverkko Oy:n 20 kv:n jakeluverkkoon. 3.2 TIETOA TÄMÄN AURINKOSÄHKÖN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET-SELVITYKSEN TOTEUTTAJASTA, (IPS) on vuonna 2005 perustettu coloradolainen yritys. IPS tarjoaa monialaisia palveluita erilaisille asiakkaille. Osaamisalaan kuuluvat mm. suunnittelu, hankinta, rakentamisen johtaminen ja rakentamispalvelut, optimointi, energia-analyysit, suorituskyvyn validointi, käyttöönotto ja erilaiset konsultointipalvelut. IPS on ammattimainen ja joustava toimija, joka on erikoistunut suuren kokoluokan aurinkosähköjärjestelmien suunnitteluun ja toteutukseen maailmanlaajuisesti. IPS on suorasti ja välillisesti rakentanut yli 300 MW:n ja suunnitellut yli 2,500 MW:n edestä aurinkosähköjärjestelmiä. Tällä hetkellä IPS:llä on työn alla aurinkoenergiahankkeita yli 1,000 MW:n edestä. Näistä hankkeista yli 150 MW on USA:ssa, 250 MW Dominikaanisessa tasavallassa, 240 MW Intiassa, 50 MW Ecuadorissa ja 300 MW Etiopiassa. Lisäksi IPS:llä on suunnitteilla hankkeita 200 MW:n edestä USA:ssa ja 300 MW:n edestä Ghanassa. IPS ja sen aurinkoenergiaan erikoistunut henkilöstö tarjoaa rakennesuunnittelupalveluita, hankintaa, projekti- ja rakentamisjohtamista sekä rakentamispalveluita. IPS tarjoaa palveluita sähkösuunnitteluun, rakenne- ja mekaniikka suunnitteluun sekä automaatio- ja säätösuunnitteluun. 3.3 HANKKEEN ARVIOIMINEN IPS on, sille toimitettujen aurinkosähköjärjestelmän potentiaalisen sijoituspaikan tietojen pohjalta, arvioinut hanketta seuraavista näkökulmista: 1. Meteorologinen data, 2. Aurinkosähköjärjestelmän potentiaalisen sijoituspaikan maaston ja maaperän kuvaus ja arviointi 3. Optimoitu toteutusehdotus ja 4. Hankkeen käyttötarkoitus. Confidential 7

9 Meteorologisen datan arvioiminen Koska potentiaalisesta sijoituspaikasta ei ollut saatavilla meteorologista dataa, on sijoituspaikalle osuvan auringon säteilyenergian arvioinnissa käytetty tässä selvityksessä kolmea johtavaa meteorologista tietokantaa: Atmospheric Science Data Center-NASA Surface Meteorology and Solar Energy Location data (NASA SEE), European komission yhteisen tutkimuskeskuksen (JRC) Photovoltaic Geographical Information-tietokanta (PVGIS-tietokanta) ja Meteonorm-tietokanta (1997) (Helnsingin mittaustiedot). Tässä työssä esiteltävän aurinkosähköjärjestelmän energiantuotantoa on arvioitu IPS:n omilla arviointityökaluilla sekä PVsyst-ohjelmiston avulla. NASA:n tietokannan mukaan auringon säteilyenergian Kolmenkulman alueella olisi 979 kwh/m 2 /vuosi, Meteonorm-tietokannan (Helsingin paikkatiedot) mukaan 960 kwh/m 2 /vuosi ja PVGIS-tietokannan mukaan 909 kwh/m 2 /vuosi. Yleisesti PVGIS-tietokannan mukainen data on hieman sijoituspaikan mittausdataa alhaisempi ja Meteonorm-tietokannasta saatava data on Helsingin leveyspiirille, joka on melko kaukana Kolmenkulman alueesta. Näiden syiden perusteella tässä selvityksessä on päädytty käyttämään NASA:n tietokantaa energiantuotannon arvioinnissa. Edellä mainittuihin kolmeen tietokantaan perustuva meteorologinen data ja arvio aurinkosähköjärjestelmän energiantuotannosta Kolmenkulman alueella on esitetty alla olevassa taulukossa. Näiden kolmen tietokannan edellyttämä yksityiskohtainen data löytyy liitteestä 1. Meteorologinen tietokanta Auringon vuotuinen säteilyenergia vaakapinnalle (kwh/ ) Arvioitu vuotuinen energiantuotanto (kwh) 963,895 Meteonorm* PVGIS , % % NASA SSE , % * Helsingin mittausasema Sijoituspaikan maaston ja maaperän kuvaus ja arviointi Suhde NASA:n tietokannan mukaiseen Kolmenkulman alueen maastokartta osoittaa alueen olevan suhteellisen tasaista ja näin ollen soveltuva suunnitellulle aurinkosähköjärjestelmälle (1 008,90 kwdc). Sijoituspaikan maaperän laadulla on suuri vaikutus aurinkosähköjärjestelmän perustusten rakenteeseen ja edelleen perustusten kustannuksiin. Koska Kolmenkulman alueelta ei ollut saatavilla raporttia maaperän laadusta, on vaikea arvioida perustusten kustannuksia ja rakennetta. Alue näyttää ilmakuvista päätellen olevan hajallaan olevien irtokivien peitossa, mikä saattaa aiheuttaa ongelmia käytettäessä putkirunkorakennetta. Mikäli näin on, voidaan vaihtoehtoisena perustusvaihtoehtona käyttää betonista alustaa painolastina. Maaperän tutkimukset, mukaan luettuna maaperän syövyttävyys ja kantavuus tulee suorittaa, jotta voidaan määrittää perustusten tyyppi, käytettävien putkien koko, pituus sekä galvanointi aste. Galvanoinnilla suojataan metalliputket korroosiolta. Confidential 8

10 Kallistuskulman määrittäminen Huomioiden sijoituspaikan kylmät talviolosuhteet, sijainti pohjoisessa, lyhyet talvipäivät sekä pitkät kesäpäivät tulee aurinkopaneeleiden kallistuskulma määrittää huolellisesti. Määritysten perusteella optimaalinen kallistuskulma Kolmenkulman alueella on 42 astetta. Optimaalisen kallistuskulman löytämiseksi tehtiin useita analyysejä eri kallistuskulmilla pitäen samalla muut parametrit muuttumattomina. Suunnitellun aurinkosähköjärjestelmän energiantuotantoarviot kallistuskulmilla 30, 35, 42 ja 45 astetta on esitetty oheisessa taulukossa. Kallistuskulma Arvioitu vuotuinen Osuus (%) energiantuotanto (kwh) 30 1, % 35 1, % 42 1, % 45 1, % IPS on hyödyntänyt pitkäaikaista kokemustaan aurinkosähköjärjestelmien suunnittelussa valitessaan järjestelmän pääkomponentit, kuten aurinkopaneelit, invertterit ja jännitemuuntajat. Valittuja komponentteja käsitellään yksityiskohtaisemmin myöhemmin tässä raportissa. Hankkeen päämäärä Hankkeen yhtenä päämääränä on selvittää uusiutuvien energiamuotojen hyödyntämismahdollisuudet Kolmenkulman alueella sekä lisätä tietämystä ja kokemusta uusiutuviin energiamuotoihin liittyen Nokian kaupungissa. Energiahankkeella pyritään myös mahdollistamaan valittuihin energiamuotoihin liittyvä tutkimustyö esimerkiksi Tampereen teknillisessä yliopistossa. IPS onkin kiinnittänyt erityistä huomiota sellaisten teknologioiden sekä seuranta- ja säätöjärjestelmien valintaan, joilla pystytään tuottamaan moninaisia tietoja järjestelmän eri osaalueilta. Valittuja teknologioita, seuranta- ja säätöjärjestelmiä käsitellään yksityiskohtaisemmin tämän selvityksen loppupuolella. 3.4 KÄYTTÖ JA KUNNOSSAPITO Käyttö- ja kunnossapito on tärkeässä asemassa riippumatta voimalaitostyypistä. Yksi aurinkosähkövoimalaitoksen eduista on, että siinä ei ole liikkuvia osia, toisin kuin perinteisissä voimalaitoksissa. Tämän ansiosta aurinkosähköjärjestelmien käyttö- ja kunnossapitokustannukset ovat alhaiset, mikä puolestaan kompensoi järjestelmän korkeaa investointikustannusta. Tämä toteutuu vain mikäli järjestelmä on suunniteltu ja toteutettu huolellisesti aina suunnittelusta käyttöönottoon asti. Huolellinen suunnittelu yhdessä oikeiden seuranta- ja säätöjärjestelmien kanssa sekä ymmärrys näiden keskinäisestä vuorovaikutuksesta on edellytys järjestelmän asennukselle. Monille aurinkosähköjärjestelmiin liittyvä teknologia saattaa vaikuttaa yksinkertaiselta, mutta järjestelmän käyttöönotto ja turvallinen käyttö kuitenkin edellyttävät kokemusta ja tietämystä aurinkosähköjärjestelmistä. Voimalaitoksen sujuva käyttö ja kunnossapito edellyttävät järjestelmän rakennepiirustuksia sekä asianmukaista dokumentointia. Yksityiskohtaisesta suunnittelusta, Confidential 9

11 hankinasta ja käyttöönotosta vastaavan toimijan (EPC) vastuulla on toimittaa järjestelmästä asianmukainen käyttöohje sekä lopulliset piirustukset. IPS käsittelee myöhemmin kaikki tärkeät laitteistot ja säätöjärjestelmät, joita edellytetään, jotta aurinkosähköjärjestelmän käyttäjä voi etävalvoa ja etäohjata järjestelmää asianmukainen turvallisuustaso silmällä pitäen. 4 SIJOITUSKOHTEEN KUVAUS Kolmenkulman alueelle suunnitellun aurinkosähköjärjestelmän sekä muiden energiatuotantolaitosten sijoituspaikaksi ehdotetaan aluetta koilliseen maantie 11:ta ja moottoritie E12 risteyksestä, maantieteelliset koordinaatit 61 30'49.00" pohjoista leveyttä, 23 34'32.00" itäistä pituutta, 120 metriä meren pinnan yläpuolella. Tuotettu sähköenergia tulee siirtää Tampereen Sähköverkko Oy:n 20 kv jakeluverkkoon, joka sijaitsee tämän selvityksen kirjoitushetkellä noin 100 metrin päässä sijoituspaikasta kaakkoon. Tarkka liittymispiste ei ole vielä selvillä. Aurinkosähköjärjestelmän haltijan täytyy päättää, että liitetäänkö aurinkosähköjärjestelmä läheiseen jakeluverkkoon vai mahdollisesti kauempana sijaitsevaan Tampereen sähköverkon muuntaja- tai kytkentäkeskukseen. Ehdotettu liittymiskohta jakeluverkkoon on kuvattu alla olevassa ilmakuvassa. Alla olevasta ilmakuvasta (lähde: on havaittavissa, että sijoituskohteen vierestä kulkee ympärivuoden käytössä oleva ajotie. 20 kv:n jakeluverkko kulkee sijoituspaikan vierestä kaakon puolelta. Tarkka liittymispiste selviää vasta myöhemmin kun asiasta on keskusteltu sähköverkkoa hallitsevan yrityksen edustajan kanssa. Tuotettu sähköenergia voidaan kytkeä joko ilmakuvissa näkyvään jakeluverkkoon tyhjökatkaisimen välityksellä tai sitten läheiseen jakelumuuntajaan, kuten sähköverkon edustaja on ohjeistanut. Confidential 10

12 Sijoituspaikka edellyttää huomattavasti työtä puiden, pensaikoiden, juurakoiden ja kivien raivaamiseksi. Lisäksi alueella tulee tehdä maansiirtotöitä ja rakentaa asianmukainen salaojitus sulamis- ja sadevesiä varten. Jotta voidaan määrittää millaisen kiinnityksen/asennuksen aurinkosähköjärjestelmä vaatii, tulee selvittää sijoituspaikan maaperän ominaisuudet: korroosio ja resistiivisyys. Ilmakuva sijoituspaikasta ja sähköverkkoon liittymiskohdasta. (lähde: Confidential 11

13 5 VALITUT TEKNOLOGIAT Tampereen Sähköverkko Oy:n 20kV jakeluverkko Kolmenkulman alueella. IPS ehdottaa käytettäväksi 295 watin monikiteistä pii (c-si) aurinkokennoa. Kiteiset piiaurinkokennot ovat kaupallista teknologiaa ja niillä on mitattu jopa yli 25 vuoden toimintaaika. Noin 78 % maailmassa asennetuista aurinkosähköjärjestelmistä perustuu kiteisiin pii aurinkokennoihin ja loput 22 % ohutkalvokennoihin. Piiaurinkokennon hyötysuhde on huomattavasti korkeampi kuin ohutkalvokennon. Tämän vuoksi ohutkalvokennoja tarvittaisiin enemmän tuottamaan sama energiamäärä kuin piiaurinkokennoilla. Ohutkalvokennot soveltuvat piikennoihin verrattuna alhaisemman lämpötilakertoimen vuoksi paremmin alueille, joissa keskilämpötila on korkeampi. Tämä ei kuitenkaan toteudu tässä tapauksessa, koska alueen ulkoilmalämpötila on alle 25 suurimman osan vuodesta. NASA SSE tietokannan mukaan alueen vuotuinen keskilämpötila on 3.8 ja tuulennopeus 3.4 m/s. Confidential 12

14 6 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN RAKENNE JA KUVAUS 6.1 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄ Aurinkokennoilla, jotka ovat puolijohdekomponentteja muunnetaan auringon säteilyenergiaa suoraan sähköenergiaksi valosähköiseen ilmiöön perustuen. Aurinkokennoon osuva auringonsäteily voi synnyttää elektronin, jonka liike puolestaan saa aikaan sähkövirran muodostumisen. Aurinkopaneeli muodostuu yksittäisistä sarjaan ja rinnan kytketyistä aurinkokennoista. Aurinkopaneelin tuottama maksimi sähköteho ilmoitetaan yksikössä Wp tai Wdc. Tämä maksimi sähköteho ilmoitetaan tietyissä vakiotestiolosuhteissa (standard test conditions (STC)): a) Auringon säteilyenergia 1000 W, b) Ilmamassan arvo 1.5 ja c) Ulkolämpötila 25 o C. Aurinkopaneelit asetetaan kiinnitysjärjestelmään tiettyyn kallistuskulmaan maksimaalisen energiantuotannon takaamiseksi. Aurinkopaneelien sarjaan kytkentää kutsutaan jonoksi/riviksi. Rivin jännite on yksittäisten aurinkopaneelien jännitteiden summa kun taas rivin virta on sama kuin yksittäisen paneelin virta. Aurinkopaneelirivien rinnankytkentää kutsutaan ryhmäksi. Ryhmät liitetään ns. kokoojalaatikoihin. Kokoojalaatikko sisältää turvalaitteet kuten rivien sulakkeet, ylivirtasuojat ja katkaisimet. Kokoojalaatikot liitetään invertteriin, joka muuntaa tuotetun tasasähkön vaihtosähköksi ja huolehtii verkon synkronoinnista. Invertteri kytketään erotusmuuntajaan, ellei invertteri sitten ole sellaista mallia, joka toimii ilman muuntajaa. Ilman muuntajaa toimivia inverttereitä käytetään yleensä pienen kokoluokan aurinkosähköjärjestelmissä. Tällöin järjestelmä kytketään tuottajan puolelle mittariin jännitteellä, joka on maksimissaan 480 V (60 Hz järjestelmissä) tai 380/400 V (50 Hz järjestelmissä), riippuen liittymisvaatimuksista ja -standardeista. Suoraan sähköverkkoon kytkettävät invertterit vaativat keskijännitemuuntajan tai korkeajännitemuuntajan. Sähköverkosta ja edelleen jakeluverkosta riippuen keskijännite vaihtelee välillä 11 kv-35 kv (Useimmissa Euroopan maissa 20 kv, mutta voi olla myös 32 kv). Siirtoverkot koostuvat suurista voimajohdoista ja niissä jännitetaso on luokkaa 500 kv tai enemmän. Tällöin vaaditaan jännitteennostomuuntaja/korotusmuuntaja tuotetun sähkövirran jännitetaso keskijännitteestä korkeajännitteeksi. Siirryttäessä siirtoverkosta jakeluverkkoon korkea jännitetaso muunnetaan takasin keskijännitteeksi ja edelleen matalajännitteeksi (yksi tai kolmivaiheinen) kun sähköenergiaa syötetään kiinteistöihin. Keskisuurissa ja suurissa aurinkosähköjärjestelmissä käytetään useita inverttereitä ja useita keskijännitemuuntajia. Tällöin keskijännitemuuntajien jälkeinen vaihtosähkö syötetään yhteen piiriin (tai useaan piiriin riippuen hankkeen koosta), josta vaihtosähkö syötetään edelleen siirtotai jakeluverkkoon jännitteenostomuuntajan välityksellä sähkönjakelukeskuksessa. Järjestelmästä riippuen keskijännitemuuntajia on kytketty rinnan kappaletta. Useimmat aurinkosähköjärjestelmissä käytettävät keskijännitemuuntajat ovat kapasiteetiltaan 3 MVA. Joissain maissa, kuten esimerkiksi Italiassa, rajana on 2 MVA. Confidential 13

15 Aurinkosähköjärjestelmän etuja: Ei liikkuvia osia, jolloin huollon tarve on pieni Ei polttoaineen kulutusta, jolloin ympäristövaikutus on pieni Pitkä käyttöikä, yli 25 vuotta Modulaarisuus, järjestelmän koko on helposti skaalattavissa Hajautettu energiantuotantomuoto, jolloin sähkön siirron ja jakelun häviöt pienenevät 6.2 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN YHTEENVETO Tämän selvityksen 1, kwdc aurinkosähköjärjestelmään on suunniteltu liitettäväksi yksi invertteri sekä yksi keskijännitemuuntaja, jonka välityksellä järjestelmä liitetään joko suoraan Tampereen Sähköverkko Oy:n 20 kv jakeluverkkoon tai vaihtoehtoisesti läheiseen muuntajaan, kuten sähköverkon edustaja on ehdottanut. Suunnitellun invertterin teho on 1050 kw ja muuntaja puolestaan 1250 kva, 20 kv. Muuntaja (1250 kva-20 kv) liitetään joko suoraan jakeluverkkoon tai sitten 24 kv:n tyhjökatkaisimen välityksellä läheiseen muuntajaan. Yhteenveto järjestelmästä on esitetty alla olevassa taulukossa. 3,420 kappaletta 295 Wp tehoisia Aurinkopaneelit monikiteisiä piiraurinkopaneeleita. Yhteenlaskettu teho 1, kwdc Aurinkopaneelien kiinnitys Kiinteäasennus maahan 42 asteen kallistuskulmalla 1050 kw invertteri V, 800A DC irtikytkentäkytkin jokaista invertterimoduulia varten V, 1250A AC erotin/katkaisin kva 20kV keskijännitemuuntaja 1 24 kv tyhjökatkaisin AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN LAYOUT Aurinkosähköjärjestelmä koostuu 3,420 paneelista (yhden paneelin maksimiteho 295 Wp). 19 paneelia kytketään sarjaan riviksi, jolloin saadaan aikaan haluttu invertterin edellyttämä jännitetaso. 12 riviä kytketään rinnan yhteen kokoojalaatikkoon jolloin saadaan yksi virtapiiri. 15 virtapiiriä kytketään invertterin tasavirtapuolelle. Suomalaisista säädöksistä riippuen jokainen sähkökaapeli (positiivinen ja negatiivinen) varustetaan sulakkeella (12 Vdc) ja maadoitetaan. Lisäksi jokainen virtapiiri varustetaan sulakkeella (150 A) ja maadoitetaan invertterin tasavirtapuolella. Käytettävä invertteri on Euroopan johtavan invertterivalmistajan Power One (malli # Ultra TL-OUTD). Jokainen 15 virtapiiristä jaetaan kolmeen lohkoon (tällöin Confidential 14

16 jokainen lohko sisältää 5 virtapiiriä), jotka kytketään PowerOne invertteriin (kytkennän yksityiskohdat on esitetty liitteenä 2 olevassa kaaviokuvassa). Aurinkosähköjärjestelmä jaetaan kahteen ryhmään (vasen puoli ja oikea puoli), joista kumpikin koostuu 15 aliryhmästä. Jokainen aliryhmä koostuu 6 rivistä. Kaksi aliryhmää (yksi vasemmalta ja yksi oikealta puolelta ) kytketään aina yhteen kokoojalaatikkoon (yksityiskohtaiset havainnekuvat liitteessä 3). Aurinkopaneelit asennetaan osoittamaan etelään (atsimuuttikulma nolla astetta) kallistuskulmalla 42 astetta. Aurinkosähköjärjestelmän ympärille on suunniteltu huoltotie. Järjestelmän edellyttämä maa-ala, järjestelmää ympäröivä aita ja huoltotie huomioituna, on noin 40,000. Aurinkopaneelit asennetaan sarjaan riviksi, ja rivit asennetaan rinnan aliryhmäksi. Näin saadaan aikaan vaadittu tasavirran jännitetaso. Rivien välillä tulee olla tietty etäisyys, jotta edeltävä rivi ei aiheuta varjoa jälkimmäiselle, mikä puolestaan pienentäisi energiantuottoa. Peräkkäisten aurinkopaneelirivien välinen etäisyys (pitch) on 18 metriä ja vierekkäisten aurinkopaneelirivien välinen etäisyys (enter-row spacing) on 15 metriä. Näin pystytään minimoimaan kennojen varjostusta. Tässä tapauksessa varjostuksesta aiheutuva energiahäviö olisi noin 4,3 %. Aurinkokennojen pinta-alan suhde koko aurinkosähköjärjestelmän maa-alueeseen nähden on 21.7 % (solar module occupation ratio). Edeltävän aurinkopaneelirivin yläreunan ja seuraavan paneelirivin alareunan välinen kohtisuora etäisyys (inte-row spacing) optimoidaan tasapainottamaan varjostusta ja toisaalta kaapeloinnista aiheutuvia kustannuksia ja häviöitä. 6.4 AURINKOPANEELIEN ASENNUS / KIINNITYSRAKENNE Aurinkopaneelit asennetaan alla olevassa kuvassa näkyvän kiinnitysrakenteen avulla maahan. Aurinkopaneelit asennetaan 42 asteen kallistuskulmaan. IPS:n ehdottaa rakenteeksi vastaavaa kuin alla olevan kuvan keskimmäinen toteutus, mutta 2-pylväs menetelmällä suuresta kallistuskulmasta ja talviajan lumitaakasta johtuen. Aurinkopaneelit suunnataan etelään (atsimuuttikulma nolla astetta). Kiinnitysrungon rakennemateriaalina käytetään kuumasinkittyä, galvanoitua rautaputkea ja alumiinista tasolevyä. Rakenne on suunniteltu kestämään sijoituspaikan tuulikuorman. Rakenteessa käytettävä rauta ja sen galvanointi tulee olla paikallisten/kansainvälisten ohjeiden/standardien mukaista. Rakenne Confidential 15

17 on suunniteltu siten, että yhteen riviin mahtuu 19 aurinkopaneelia. Näitä rivejä sitten asennetaan niin monta kuin aurinkosähköjärjestelmä edellyttää? 6.5 SÄHKÖSUUNNITTELU Liitteestä 2 löytyvä sähköpiirustus kuvaa DC-puolen rivin kokoonpanon sekä myös AC-puolen sähköisen kokoonpanon sähköverkkoon liittymispisteeseen asti. Aurinkopaneelit kytketään sarjaan invertterin maksimitehopisteenseuraajan jännitteen edellyttämällä tavalla ja 12 aurinkokennoriviä kytketään rinnan yhteen kokoojalaatikkoon. 15 kokoojalaatikkoa kytketään sitten invertteriin. Ehdotettu invertteri on PowerOnen malli Ultra TL. Tämä invertteri on yksi markkinoiden parhaista ja siitä on paljon käyttökokemusta. PowerOne on hiljattain siirtynyt ABB:n omistukseen, mikä tekee yhtiöstä taloudellisesti hyvin vahvan. Invertteri koostuu 350 kw:n moduuleista, jotka toimivat itsenäisesti ilman muuntajia. Tällainen rakenne on ideaali megawatti-kokoluokan järjestelmissä ja se toimii myös haastavissa ympäristöolosuhteissa. Invertteri voi koostua kahdesta, kolmesta tai neljästä moduulista, jolloin tehot ovat vastaavasti 700 kw, 1,050 kw ja 1,400 kw. Jokaiseen moduuliin kuuluu oma maksimitehopisteen seuraaja-järjestelmä (MPPT). Invertteri soveltuu käytettäväksi akuston kanssa (tarkastellaan yksityiskohtaisemmin myöhemmin), jolloin IPS suosittelee käytettäväksi yhtä energianvarastointijärjestelmää yhtä invertterimoduulia kohden. Tällöin Ultra 1050 kw invertteriin liittyisi kokonaisuudessaan kolme energianvarastointijärjestelmää. Invertterimoduulit (350 kw DC/AC) ovat AURORA ULTRA tuotelinjan ydin. Nämä invertterit toimivat korkealla taajuudella, ne ovat pieniä, ja niiden huollontarve on vähäinen. Alla on esitetty sähköpiirustus neljän 350 kw:n invertterimoduulin (Ultra 1 400) invertterille. Confidential 16

18 Invertterin ulostulojännite on 690 VAC. Invertteri kytketään yhteen kolmesta käämistä koostuvaan muuntajaan (1250 kva / 690 V), joka kytketään edelleen 20 kv jakeluverkkoon 24 kv 24 kv kytkinkentän välityksellä. Alla on esitetty aurinkosähköjärjestelmän tyypillinen yksiviivakaaviokuva. 6.6 AURINKOKENNO Aurinkosähköjärjestelmä koostuu monikiteisistä piiaurinkokennoista. Aurinkokennot muuntavat auringon säteilyenergian suoraan sähköenergiaksi. Energiantuotanto riippuu oleellisesti sijoituspaikan auringon säteilyintensiteetistä sekä aurinkopaneeleiden kallistuskulmasta. Aurinkopaneeleita kytketään sarjaan riviksi ja rivejä kytketään edelleen rinnan, jotta saadaan aikaiseksi haluttu jännite- ja virtataso. Aurinkosähköjärjestelmän tuottama teho riippuu auringon säteilyintensiteetistä, tuulennopeudesta sijoituskohteessa sekä sijoituskohteen korkeudesta ja lämpötilasta. Lisäksi tehontuotantoon vaikuttaa heikentävästi paneeleiden pölyyntyminen ja lumenpeitto talviaikaan. Ehdotetun aurinkopaneelin (295 Wp) tekniset tiedot on esitetty alla olevassa taulukossa. Confidential 17

19 Aurinkopaneelin tekniset tiedot on määritelty standardi mittausolosuhteissa (1000 W/, 25 o C, ilmamassa 1.5). Confidential 18

20 6.7 INVERTTERI Invertteriksi on valittu PowerOnen Ultra 1050 kw invertteri, joka kuuluu markkinoiden luotettavimpien joukkoon. Invertterin hyötysuhde on noin 98.7 %. Aurinkopaneelien tuottama tasasähkö syötetään invertteriin, joka muuntaa sen vaihtosähköksi. Invertteri soveltuu erinomaisesti voimalaitoskokoluokan aurinkosähköjärjestelmiin. Invertterin rakenne on optimoitu liitettäväksi keskijännitemuuntajiin, mikä johtaa kustannus säästöihin sekä helpottaa Confidential 19

21 asennusta. Invertterin luotettavuus sekä pitkä käyttöikä on todennettu useissa ison kokoluokan aurinkosähköjärjestelmissä. Invertterin kilpailukykyinen hankintahinta ja sen korkea suorituskyky mahdollistavat maksimaalisen energiantuotannon sekä investoinnin tuottavuuden. Invertteri on vaativimpien markkinoiden liityntästandardien mukainen. Kosketusnäyttö luo selkeän ja helpon käyttöliittymän koko järjestelmälle. Kosketusnäyttö myös tarjoaa nopean pääsyn toiminnan aikaisiin mittaus-, ohjaus-, ja säätötietoihin. Invertterin ominaisuudet on esitetty alla olevassa taulukossa. PARAMETRI ULTRA INVERTER ULTRA TL ULTRA TL ULTRA TL Input puoli MPPT Input väli (V MPPTmin,r...V MPPTmax,r) V MPPT Input väli (V MPPTmin,f...V MPPTmax,f) max teholla V Maksimi Input jännite (V max,abs) 1100 V Itsenäisten MPPT:n lukumäärä Multi-Master Itsenäisten MPPT:n lukumäärä Master/Slave 1 Ei sovellu Ei sovellu Itsenäisten MPPT:n lukumäärä Multi-Master/Slave Maksimi yhdistetty input virta (I dcmaxc) 1440 A 1440 A A 1440 A A Maksimi input virta jokaiselle moduulille (I dcmax,m) 720 A DC input parien lukumäärä DC yhteyksien tyyppi 12 x 50mm 2 (M8) 18 x 50mm 2 (M8) 24 x 50mm 2 (M8) Input suojaus Nava vaihdon suojaus Kyllä, kytkimen avulla Input ylijännitesuojaus - Varistori 4 jokaisessa moduulissa 6 jokaisessa moduulissa 8 jokaisessa moduulissa Hälytys paikallisten standardien Aurinkokennoryhmän eristyksen säätö mukaan Sulakekoko jokaiselle input parille 125 A / 1100 V Output puoli AC verkkoonliityntä (V acmin...v acmax) Kolmivaihe Nimellisteho (P ac,r) 700 kw 1050 kw 1400 kw Nimellisjännite (V ac,r) 690 Vac / PE AC jännite väli (V acmin...v acmax) Vac 1 Maksimis output virta (I ac,max) 590 A 876 A 1168 A Nimellistaajuus (f r) 50/60 Hz Taajuus väli (f min... f max) / Hz 2 Nimellinen tehokerroin (Cosphi ac,r) < (adj. ± 0.90) Epälineaarinen vääristymä < 3% (@ P ac,r) AC liityntä tyyppi 2 x 240 mm 2 (M12) 3 x 240 mm 2 (M12) 4 x 240 mm 2 (M12) Output suojaus Suojaus saarekekäyttöä vastaan Paikallisten standardien mukaan Output ylijännite suojaus - Varistori Kyllä AC virtapiiri kytkin 3 x 630 A / 40 ka Pois päältä kytkentä yön ajaksi Yes Suorituskyky Maksimi hyötysuhde (η max) 98.7% Painotettu hyötysuhde (EURO/CEC) 98.2% / 98.2% Stand-by kulutus/yöajan tehohäviöt < 90 W < 135 W < 180 W Lisäsyöttö 3 x 400 Vac / N /PE Lisäsyötön kulutus < 0.35% of P ac,r < 0.40 % of P ac,r < 0.65 % of P ac,r Lisäsyötön kulutus ilman jäähdytystä < 0.08% of P ac,r < 0.08% of P ac,r < 0.08% of P ac,r Invertterin vaihtotaajuus 9 khz Kommunikaatio Paikallinen seuranta 1 x RS485 PVI-USB-RS485_232 (opt.) (inc.) Etäseuranta PVI-AEC-EVO (opt.), AURORA-UNIVERSAL (opt.) AURORA kokooja 1 x RS485 PVI-STRINGCOMB (opt.) Confidential 20

22 (inc.) Käyttöliittymä TFT LCD 5.7 Ympäristö C/ F, heikkenee yli 50 C/122 F Ulkoilman lämpötilaväli C/ F, heikkenee yli 50 C/122 F (opt.) Suhteellinen kosteus % Melupäästöt < 78 1 m Maksimi toimintakorkeus ilman heikennystä 1000 m / 3280 ft Fyysinen Ympäristönsuojauksen luokitus IP 65 Passiivinen nestekierto ja pakotettu Jäähdytys ilmakierto Jäähdytyksen edellyttämä ilmavirtauksen määrä Ei sovellu 2938mm x 3000mm x 1520mm / 2938mm x 3700mm x 1520mm / 2938mm x 4400mm x 1520mm / Dimensiot (K x L x S) x x x x x x 59.9 Paino < 2000 kg / 4409 lb < 2500 kg / 5521 lb < 3500 kg / 7716 lb Moduulin paino < 50 kg / 100 lb Turvallisuus Muuntaja No 3 Merkintä CE Turvallisuus ja EMC standardi EN 50178, EN , EN , EN , EN Verkko standardi Enel ohjeistus, BDEW, FERC 661 PowerOne Ultra invertterin ominaisuudet Suorituskykyinen Maksimi hyötysuhde 98.7% Toiminta jännitevaiheluiden aikana (Zero-voltage Ride-through) Tehon jatkuva säädettävyys (0~100%) Reaktiivisen tehon säätö tehokertoimilla 0,9 jättö - 0,9 johto Reaktiivisen tehon kompensointi sähköverkkoon yöaikaan direktiivien mukaan Suojaukset Saarekekäyttöä vastaan, napojen vaihtamista vastaan, alijännite, ylijännite, taajuusrajat, eristys, vikatilat, ylikuormitus, oikosulku, liian suuri lämpötila, epäsymmetrinen virta ja syöksyrajoittimet sekä input että output Verkkoystävällinen Mukautuva Kosketusnäyttö PC-ohjelmisto / Webserver / Data-loggeri Modbus kommunikointi käyttöliittymä -40 ~+60 jatkuva toiminta nimellisteholla (heikkenee yli 50 o C asteessa) Jatkuva ja vakaa toiminta myös korkealla meren pinnasta Suhteellinen kosteus: % Confidential 21

23 Valinnainen Apulämmitin (valinnainen) Etäseuranta ohjelma TCP/IP Huoltopalvelu Reaktiivisen energian kompensointi yksikkö Pidennetty takuu 6.8 DC JA AC SÄHKÖJOHDOT Sähköjohtojen mitoitus on yksi tärkeimmistä tehtävistä aurinkosähköjärjestelmää suunniteltaessa. Sähköjohtojen oikea mitoitus voi pienentää merkittävästi johtojen hankintakustannuksia sekä pienentää johtojen häviöitä. Sähköjohtojen mitoituksessa tulee ottaa huomioon alla listatut asiat. Sähköjohtojen vaadittu poikkipinta-ala määritetään. 1. Sähkövirran edellyttämä johtojen poikkipinta-ala 2. Sähköjohdoilta edellytetty poikkipinta-ala, jotta ne kestävät lyhyitä oikosulkuvirtoja 3. Sähköjohdoilta edellytetty poikkipinta-ala, jotta jännitteen pudotukset pysyvät rajojen sisällä 4. Jännitteen pudotus aurinkopaneeleilta invertteriin tulee olla alle 1.5 % 5. AC-puolen jännitteen pudotus ei saa olla yli 1 % 6. Sähköjohtojen De-luokitus tulee olla paikallisten tai kansainvälisten standardien mukainen Kaikki kytkennät tulee päättää, juottaa ja/tai sinetöidä umpeen asianmukaisesti. Oleellisia sääntöjä ja toimintaohjeita tulee noudattaa. Aurinkosähköjärjestelmän komponentit edellyttävät laajaa kaapelointia ja useita liittymispisteitä. Sähköyhteys pitää olla myös valaistukselle ja muille ylimääräisille kuormille. Tasavirtakaapelit johtavat sähköä aurinkopaneeleilta invertterille. Tasavirtakaapeleiden maksimi jännitekapasiteetti on 1.0 kv. Tasavirtakaapeleiden tyypilliset ominaisuudet ovat: Paloa hidastava standardin IEC mukaan Vapaa halogeneista standardin to EN /-2 mukaan Otsoni-suojaus standardin EN mukaan UV-suojaus standardin HD 605/A1 mukaan Happo/merivesi-suojaus standardin EN mukaan Lämpötila vaihtelu välillä 40 0 C to C 6.9 MUUNTAJA Invertterin ulostulojännite nostetaan muuntajalla 690 voltista 20 kilovolttiin. Alla on esitetty invertterin sähköpiirustus. Aurinkosähköjärjestelmän kytkinkentän rakenne ja layout-suunnittelu sekä muuntajan sijainnin suunnittelu perustuvat paikallisiin ja kansainvälisiin standardeihin. Aurinkosähköjärjestelmän komponenttien sijoittelun optimoimiseksi tulee tehdä yksityiskohtainen suunnitteluselvitys. Komponenttien sijoittelulla voidaan vaikuttaa mm. Confidential 22

24 kaapelimäärän kulutukseen, komponenttien luokse pääsyyn ja ylläpidettävyyteen. Lisäksi tulee selvittää komponenttien aiheuttama varjostus aurinkopaneeleihin jne. Muuntajan (1250 kva- 20kV) tiedot on esitetty alla olevassa taulukossa. Alla olevassa sähköpiirustuksessa on kuvattu PowerOne ivertterin kytkentä 20 kv muuntajaan. Tekniset tiedot 1250 KVA muuntajalle ( KOMPONENTTI NUMERO : TTAI /0,69 R) NIMELLISTEHO kva 250 Ensiö jännite V tai Taajuus Hz 50 Toisio jännite V 690 Jännitteen vaihtelu % ± 2x2,5 Kytkentäryhmä Tyyppi Dyn11 Eristyksen luokka KV 17,5 1,1 Ensiö liityntä Tyyppi Delta Toisio liityntä Tyyppi Star+N Jäähdytys tyyppi Tyyppi AN Käämin materiaali Tyyppi AL/AL prim/sec Asennus tyyppi Tyyppi Sisäasennus Eristys luokka Tyyppi F Lämpö luokka Tyyppi F Ylilämpö C Ympäristön lämpötila C 40 Työluokka E2-C2-F1 Akustinen painetaso db(a) 52 Ei kuormahäviöitä W 2600 Kuormahäviöitä 75 C:ssa W Oikosulkujännite % 6 Pituus IP00 mm 1800 Leveys IP00 mm 1250 Korkeus IP00 mm 2100 Paino IP00 Kg Sisältyvät lisälaitteet Kääntyvät pyörät (4 kpl.) Ohjainyksikkö T-154 Tangentiaaliset puhaltimet Rengaspultit Tehokilpi/arvokilpi PT100-sensori Maadoitusliitin Confidential 23

25 6.10 KESKIJÄNNITEKOMPONENTIT Keskitehoiseen tyhjökatkaisijaan syötetään muuntajan jälkeinen 20 kv:n jännite. Lisälaiteiden tulee olla IEC:n suositusten mukaisia. Kytkentäkentän tulee olla tehdasvalmisteinen, tehtaassa koottu ja lisäksi sen tulee täyttää toiminnalliset vaatimukset: virtamuunto/ jännitemuunto/ mittaus/ säädöt/ lukeman näyttämä/ suojaukset/ lukitus jne. Virtakiskojen tulee olla soveltuvia jatkuvaan toimintaan sekä lämpötilan nousuihin. Lisäksi niiden tulee rajoittua 90 C:een, joka sisältää 50 C:n ympäröivän lämpötilan. Kaikkien virtakiskojen tulee olla elektrolyyttiluokaltaan kuparia. Keskitehoinen tyhjökatkaisija edustaa sähköverkon jänniteluokkaa. Virtaluokituksen tulee olla vähintään 25 % suurempi kuin nimellisvirran ja katkaisijan tulee kestää maksimi vikavirta. Ehdotettu tyhjökatkaisimen, ABB:n malli VD4-24 kv (kuva alla), tulee olla suljettu (metallia), pystysuora, suojattu pölyltä ja tuhoeläimiltä, irrallinen, jaettu osiin, täysin ulosvedettävä koostuen vähintään 2.0 millimetriä paksusta teräslevyistä, jotka soveltuvat sisäkäyttöön. Suojauksen tason tulee olla vähintään tasoa NEMA3R. Confidential 24

26 Tyhjökatkaisin yhdistää muuntajan 20 kv jakeluverkkoon, toimii lisäksi mm. suojana ja lukituksissa. Tyhjökatkaisin koostuu keskijännitekatkaisimesta, jännitemuuntimista, virtamuuntimista, releistä, mittareista, jne MAADOITUSSUOJAUS Maadoitus on erittäin oleellinen ja se suojaa laitteita sekä ihmisiä vikatilanteilta ja/tai salamoinnilta. Sähkölaitteissa yleisimmin käytettävät kaksi maadoitusta ovat: Järjestelmän maadoitus Laitteiden maadoitus Laitteiden maadoituksessa kaikki muut kuin sähköä kuljettavat metalliosat liitetään toisiinsa ja maadoitetaan. Näin estetään mahdolliset sähköiskut ihmisiin ja eläimiin sekä suojellaan laitteistoa mahdollisilta vikatilanteilta. Yksinkertaistettu maadoitus layout on esitetty alla olevassa kuvassa. Mikäli aurinkopaneeleita ei voida asentaa lähelle muuta laitteistoa vaativat aurinkopaneelit erillisen maadoituksen. Kaikki maadoitukset liitetään toisiinsa, jotta voidaan ehkäistä jännitteen muodostuminen näiden kahden maadoituksen välille. Maadoitusvastuksen ei tule olla yli 5 ohmia. On tärkeä varmistaa, että kaikki maadoitukset ovat liitetty toisiinsa, jotta potentiaali pysyisi näissä samana. Aurinkopaneeleiden muodostama ryhmä tulee maadoittaa huolellisesti käyttämällä riittävää määrää maadoitussauvoja. Kaikki metalliset päällykset/kuoret tulee maadoittaa perusteellisesti aurinkosähköjärjestelmän turvallisuuden varmistamiseksi. Confidential 25

27 Confidential 26

28 6.12 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN SEURANTA/VALVONTA Etävalvontajärjestelmä sekä sopivat sääsensorit ja rajapinta invertteriin kirjaavat ylös kaikki aurinkosähköjärjestelmän parametrit. Etävalvontajärjestelmällä on myös mahdollista tarkastella kirjattuja parametreja ja raportteja etänä internettiin kytketyn tietokoneen avulla. Etävalvontajärjestelmä kirjaa ylös tyypillisesti seuraavat aurinkosähköjärjestelmään liittyvät tiedot: 1. Tasasähkövirta ja -jännite 2. Vaihtosähkövirta ja -jännite 3. Taajuus 4. Hetkellinen teho 5. Päivittäinen teho 6. Energiantuotanto 7. Auringonsäteily 8. Ympäristön lämpötila 9. Aurinkopaneelien lämpötila Valvontajärjestelmäksi suositellaan PowerOnen Aurora Easy-järjestelmää, jonka mallityyppi on PVI-AEC-EV0. Valvontajärjestelmän yksinkertaistettu kytkentäkaavio on esitetty alla olevassa kuvassa. Yleensä pienen kokoluokan aurinkosähköjärjestelmien etävalvontajärjestelmiltä ei edellytetä etäohjaustoimintoja (SCADA, engl. Supervisory Control and Data Acquisition). Tämän vuoksi IPS suosittelee käytettäväksi tässä hankkeessa yllä mainittua etävalvontajärjestelmää ilman etäohjaustoimintoja. Jos voimalaan kuitenkin halutaan SCADA-järjestelmän, niin IPS auttaa oikeanlaisen järjestelmän valitsemisessa. Aurora Easy-järjestelmän (malli PVI-AEC-EV0) hyötyjä ovat: Aurinkosähköjärjestelmän etävalvonta ethernet/internet tai GSM/GRPS liittymien välityksellä (edellyttää PVI-GSM-GPRS moduulin) Yksityiskohtaiset järjestelmän suorituskykyä kuvaavat tiedot: energiantuotanto, hetkellinen teho, jännite ja virta (verkkoon liittymispisteeseen asti) RS485 tiedonvälityskanava tiedon hankintaan invertteriltä (maksimissaan 64 laitetta) Lisäkanava (RS485), joka on muunnettavissa hankkimaan tietoa invertteriltä (maksimissaan 64 laitetta) tai ModBus laitteilta (tehon mittaus, näyttö ) Analogiset inputit sensoreilta tiedon hankintaan: 2 inputtia konfiguroitavissa välille 0 10Vdc tai 4 20mA ja yksi input PT100/PT1000 sensorille 4 digitaalista inputtia hallitsemaan tehonvähennystoimintoa tai hankkimaan statussignaaleja. 2 digitaalista inputtia konfiguroitavissa pulssi-inputeiksi (standardin IEC mukaan) tai hankkimaan status signaaleja 3 relettä (luokitus250vac/3a) status ulosmenoiksi 2 digitaalista ulosmenoa konfiguroitavissa hankkimaan statussignaaleja Confidential 27

29 Vianmääritys automaattisesti tekstiviestillä tai sähköpostilla, mikäli järjestelmässä ilmenee toimintahäiriö (tekstiviesti ainoastaan GPRS/GSM moduulilla) Täydelliset valvontapalvelut inrenetin väliytksellä* Mahdollisuus käyttää järjestelmää LAN:n ja/tai internetin välityksellä julkisesta IP-osoitteesta Mahdollisuus ottaa yhteys järjestelmään palomuurilla suojatun LAN:n välityksellä Kattavat ja ammattimaiset suorituskyky ja vianmääritys raportit Mahdollisuus kytkeytyä järjestelmään Bluetooth-liittymän välityksellä USB-portti tiedon lataamiselle muistitikulle ja toinen USB-portti tietokonetta varten Tiedon tallennus SD muistikortille Ulkoinen vara-akku (vaihtoehtoinen) * Saatavissa mikäli on käytettävissä internet-yhteys tai GPRS/GSM moduuli. Aurora Easy-valvontajärjestelmässä on kolme liitintä. Yhteen liittimeen liitetään PowerOnen serveri, jolla asiakas saa yhteyden järjestelmään. Toinen liitin on Modbusia varten. Mikäli sähköverkon haltijayritys haluaa, niin kolmanteen liittimeen voidaan liittää ohjelmisto, jolla he voivat valvoa aurinkosähköjärjestelmää. Taajuus, jolla valvontajärjestelmä kirjaa tietoja ylös voidaan asettaa aurinkosähköjärjestelmän käyttöönottovaiheessa asiakkaan toivomusten mukaisesti. Tiedonvälityksessä käytetään tyypillisesti seuraavanlaisia kahta kaapelityyppiä: 1. Tyypillisesti käytetään RS485 kaapeleita, jotka tyypillisesti liittävät rivien kerääjät sarjaan keskenään (ketjutus-kytkentä). 2. CAT5 ethernet kaapeleita käytetään liittämään invertterit toisiinsa, mikäli niiden välimatka on alle 100 metriä. Meteorologisen datan seuranta integroidaan muuhun seurantajärjestelmään. Tällöin aurinkosähköjärjestelmän suorituskyvyn/toiminnan arviointi helpottuu. Meteorologisen datan seurannassa käytettävät laitteet on esitelty alla. Confidential 28

30 Säteilymittari / Referenssi kennot Käytetään mittaamaan säteilyä Referenssikennoja käytetään arvioitaessa aurinkosähköjärjestelmän suorituskykyä. Ne kytketään tiedonkeräysjärjestelmään, joka tallentaa mittaustiedot ennalta määritetyin väliajoin. Horisontaaliselle pinnalle osuvan säteilyä mitattaessa säteilymittari asennetaan horisontaalisesti. Kun halutaan mitata tietyn kallistuskulman saama säteily, niin säteilymittari asennetaan tähän samaiseen kulmaan. Ulkoilman lämpötila ja suhteellinen kosteus Ulkoilman lämpötilaa mittaavat lämpötila-anturit sijoitetaan varjoiseen paikkaan, yleensä aurinkopaneeleiden alapuolelle. Sijoituspaikan kosteutta mittaavat anturit, kytketään tiedonkeräysjärjestelmään ja tietoa tallennetaan ennalta määritetyin väliajoin. Tuulennopeus ja -suunta Tuulennopeus ja -suunta sensorit kytketään tiedonkeräysjärjestelmään ja tietoa tallennetaan ennalta määritetyin väliajoin AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN AIDOITUS Aurinkosähköjärjestelmän tulee aidoittaa, jotta vältetään varkaudet ja asiaton oleskelu alueella. Alla olevassa kuvassa on esitetty tyypillinen aidoitusmenettely (aidan korkeus on noin 2-2,5 metriä). Aidoitus kuuluu asiakkaan vastuulle MITTAAMINEN Aurinkosähköjärjestelmän tietojen mittaaminen tulee suorittaa sähköverkkoon liittymispisteessä ottaen huomioon vaadittavat mittauskomponentit kuten virtamuunnin, jännitemuunnin ja kaksisuuntainen sähkömittari. Myös aurinkosähköjärjestelmällä tuotetun energian määrää mitataan. Confidential 29

31 6.15 MATERIAALILUETTELO Alla on esitetty aurinkosähköjärjestelmän tyypillinen materiaaliluettelo No. Kuvaus Lukumäärä 1 Aurinkopaneeli 3,420 2 Aurinkopaneelien asennus rakenteet (yhteensä 1,620 1 pylvästä ja tasoa) (könttäsumma) 3 Invertteri ja lisälaitteet (1050 kw) 1 4 Tasasähkö kaapelit ja lisälaitteet 1 (könttäsumma) 5 Sään seurantajärjestelmä 1 Setti 6 Aurinkosähköjärjestelmän seurantajärjestelmä 1 Setti 7 Vaihtosähkö kaapelit, muuntaja, keksijännite kaapelit ja 1 muut lisälaitteet (könttäsumma) 8 20kV, 1,250 KVA säädintaulu kV / 690 V 1250 kva muuntaja 1 10 Omakäyttömuuntaja, 15kVA, 400V, 12kVA UPS, LV säädintaulu omakäyttöominaisuuksiin 1 Setti 11 20/24 kv, 1,250 KVA tyhjökatkaisin (nimellisvirta 630A max., nimellisvirta 40A) 1 12 Paloturvallisuus välineet 1 (könttäsumma) 13 Ukkossuojaus 1 (könttäsumma) 14 Maadoitusjärjestelmä 1 (könttäsumma) 15 Rakennustyö 1 (könttäsumma) 16 Valvontakamerajärjestelmä 1 Setti, jos tarve 7 ENERGIANTUOTANTO 7.1 METEROROLOGINEN DATA Vuotuisen auringon säteilyenergiamäärän (kwh/m 2 ) märitykseen käytettiin kolmen meteorologisen mittauskeskuksen tietoja, koska Kolmenkulman alueelta ei ollut saatavilla mittausdataa. Käytettävät mittaustietokannat ovat NASA SSE:n meteorologiset pintatiedot ja aurinkoenergian data, Euroopan komission PVGIS-tietokanta sekä Meteonorm 1997-tietokanta (Helsingin mittausaseman tiedot). NASA:n mittaustietojen perusteella Kolmenkulman vuotuiseksi auringon säteilyenergiamäärä on noin 979 kwh/m 2. PVGIS-tietokannan mukaan 909 kwh/m 2 ja Meteronorm-tietokannan mukaan Confidential 30

32 960 kwh/m 2 (Helsingin mittausasema). Tässä selvityksessä on päädytty käyttämään NASA:n tietokannan mukaista mittaustietoa energiatuotannon määritykseen, koska Meteonormtietokannan mittausdata Helsingin mittausasemalta on kaukana Kolmenkulman alueelta. Näiden kolmen tietokannan mukaiset meteorologiset tiedot on esitetty liitteessä 1. Alla olevassa taulukossa on esitetty keskimääräinen kuukausittainen auringon säteilyenergia vaakapinnalle sekä 42 asteen kallistuskulmalle, tuulennopeus, ulkolämpötila ja aurinkopaneelien lämpötila NASA:n tietokantaan perustuen. Kolmenkulma-hanke. Aurinkosähkön hyödyntämismahdollisuudet sel-vitys Owner: City of Nokia Modeling software: PVSYST v5.70 Geographical Coordinate: 61 30'27.37"N, 23 33'27.66"E Meteorological Data: NASA Surface Data near City of Nokia Tilt Angle: 42 Degrees due south Solar panel used in the simulation ReneSola 295WPoly Inverter used in the simulation: Power One TL Month GlobHor GlobInc WindVel T Amb TArray kwh/m².mth kwh/m².mth m/s C C , Note: PR GlobHor Global Horizontal solar radiation GlobInc Global solar radiation at 42 degree tilt WindVel Wind velocity T Amb Ambient Temperature TArray Temperature on the surface of the panel (array) E_Grid Estimate generated energy on the first year Confidential 31

33 7.2 TIIVISTELMÄ ENERGIANTUOTANNOSTA Energiantuotantoa on simuloitu ottaen huomioon kaikki eri parametrit. Simuloinnissa on käytetty IPS:n omaa energianmallinnusohjelmaa sekä PVsyst V5.70- simulointiohjelmaa, joka määrittää aurinkosähköjärjestelmän energiantuotannon NASA:n sijoituskohteeseen liittyvän meteorologisen datan avulla. Aurinkopaneelien kallistuskulman tulee olla 42 astetta energiantuotannon maksimoimiseksi. Kolmenkulma-hanke. Aurinkosähkön hyödyntämismahdollisuudet sel-vitys Owner: City of Nokia Modeling software: PVSYST v5.70 Geographical Coordinate: 61 30'27.37"N, 23 33'27.66"E Meteorological Data: NASA Surface Data near City of Nokia Tilt Angle: 42 Degrees due south Solar panel used in the simulation ReneSola 295WPoly Inverter used in the simulation: Power One TL Month GlobHor GlobInc WindVel T Amb TArray E_Grid kwh/m².mth kwh/m².mth m/s C C kwh/mth , , , , , , , , , , , , , ,058,017 Note: PR GlobHor Global Horizontal solar radiation GlobInc Global solar radiation at 42 degree tilt WindVel Wind velocity T Amb Ambient Temperature TArray Temperature on the surface of the panel (array) E_Grid Estimate generated energy on the first year E_Grid:n lukema tarkoittaa tuotettua energiamäärää sähköverkkoon liittymispisteessä/mittauspisteessä. Tämä energiamäärä sisältää aurinkosähköjärjestelmän laitteiston sekä vaihtovirta- ja tasavirtakaapeleiden kaikki häviöt liittymispisteeseen asti. Ensimmäisen vuoden arvioitu energiantuotanto on 1, kwh. Confidential 32

34 8 ENERGIAN VARASTOINTIJÄRJESTELMÄ 8.1 TAUSTATIETOA Energianvarastointijärjestelmät ovat yksi nopeimmin kasvavista markkinoista ja niiden on arvioitu olevan rahallisesti noin 20 miljardia dollaria ($) vuoteen 2020 mennessä. Markkinoiden ajavia voimia ovat lisääntyvä uusiutuvien energiamuotojen, erityisesti aurinkoenergian ja tuulivoiman, hyödyntäminen. Energianvarastointijärjestelmiä on yleisesti käytetty sähköverkon ulkopuolisissa sovelluksissa, teleliikenteessä, mikroverkoissa, datakeskuksissa ja muissa sovelluksissa vuosikymmenten ajan varastoimaan energiaa myöhäisempää käyttöä varten. Energianvarastointijärjestelmiä on käytetty laajalti varastoimaan aurinko- ja tuulisähköä syrjäisissä kohteissa. Energiavarastointijärjestelmien hyödyntäminen sähköverkon stabiloinnissa tulee oleelliseksi, kun uusiutuvat energiamuodot, kuten tuulivoima ja aurinkosähkö kattavat suuren osan energiantuotantomarkkinoista. Sähköverkko edellyttää tasaista energianlähdettä ja energiantuotantoa sujuvan toiminnan takaamiseksi. Epäsäännöllisen energian syöttäminen sähköverkkoon luo merkittäviä haasteita kun kysyntä ja tarjonta jatkuvasti vaihtelevat, kuten alla olevissa kuvissa on havainnollistettu. Tällaisissa tilanteissa tulee olla energiavarasto, josta on mahdollista nopeasti syöttää energiaa sähköverkkoon verkon stabiloimiseksi. Tällaisia verkon stabilointi vaatimuksia kutsutaan yleisesti sähköverkkoon liittymisen vaatimuksiksi ja ne on listattu alla: Reaktiivisen tehon säätö Jännitteen vaihtelut Taajuuden säätely Tehon laadun ja sähköverkon luotettavuuden kohennus Kuorman tasoitus Kohentunut tehokerroin Energiavarastot Maksimipisteen tasoitus Reagointi ramppivasteeseen sekä outputin heilahteluihin (ramppiohjaus), Toiminta jännitevaihteluiden aikana (LVRT, HVRT) Confidential 33

35 Energianvarastointiin on useita mahdollisuuksia kuten esimerkiksi kondensaattorit, lämpövarastot, vauhtipyörät sekä akkuteknologiat. Seuraavaksi esitellään lyhyesti kaksi käytetyintä teknologiaa: vauhtipyörä ja akkuteknologia. 8.2 VAUHTIPYÖRÄ Vauhtipyörä on yksi käytetyistä teknologioista. Vauhtipyörissä liike-energiaa varastoidaan pyörivään roottoriin, sen pyörimisenergiaksi. Tämä pyörimisenergia on mahdollista muuntaa takaisin sähköenergiaksi hidastamalla vauhtipyörän pyörimistä. Vauhtipyörä on eräänlainen kineettinen tai mekaaninen akku, jonka erittäin suuri pyörimisnopeus varastoi energiaa. Varastoitu energia on mahdollista palauttaa tarvittaessa hyvin nopeasti. Alla olevissa kuvissa on esitetty erilaisia vauhtipyöriä sekä niiden komponentteja. Lisäksi on kuvattu yksi vauhtipyörän prototyyppi ja useiden vauhtipyörien käsitteellinen kytkentäperiaate. Confidential 34

36 Vauhtipyörien komponentit Vauhtipyörän prototyyppi sekä useiden vauhtipyörien käsitteellinen kytkentäperiaate Vauhtipyörän vahvuus on nopea vaste. Vauhtipyöräsovelluksen ominaisuuksia ovat: Mahdollisuus nopeaan säätelyyn o Taajuuden säätely o Taajuuden vaste Aurinkosähköjärjestelmän ja tuulivoimalan ulostulon tasoitus Tehon laadun ja jännitteen tuki Confidential 35

37 Maksimipisteen tasoitus Muita sovelluksia ovat: 1. Sähköverkon tuki ja apukäynnistys (voimalaitoksen käynnistäminen laajan sähkökatkon aikana) liitännäispalvelut 2. Ramppi-ilmiön lievennys 3. Sähköverkon stabilointi 4. Reaktiivisen tehon ja huipputehon tukeminen 5. Keskeytymätön energialähde (UPS) Vauhtipyörän ominaispiirteitä ovat suhteellisen lyhyt purkausaika sekä rajallinen sovellusten tehoalue toisin kuin muilla varastointijärjestelmillä: akut, suprajohtavat magneettiset energiavarastot, paineilmavarastot sekä vesivarastot. Alla olevassa kuvassa on esitetty vauhtipyörän ja muiden varastointijärjestelmien vertailu purkausajan ja varastointikapasiteetin suhteen. Energiavarastojen vertailu (Lähde: Climatetechwiki.org) Selvityksen kirjoitushetkellä vauhtipyöräteknologia on kaksi kertaa kalliimpi kuin perinteiset lyijyakut, kolme kertaa kalliimpi kuin kaasu-sovellukset ja noin 1,6 kertaa kalliimpi kuin hiilikäyttöiset sovellukset. Vauhtipyörien ja lyijyakkujen käyttökustannukset ovat arvioilta $0,05 USD/kWh, kun taas kaasu-sovelluksien käyttökustannukset ovat noin $1,78 USD/kWh ja hiilikäyttöisien sovelluksien $0,6-0,82 USD/kWh. Akkuteknologian kunnossapitokustannukset ovat korkeammat kuin vauhtipyörien, koska akkuja joudutaan uusimaan. Akuston vuotuinen käyttökustannus on noin 2 % investointikustannuksesta kun se fossiilissa sovelluksissa on noin 0,5 %. Vauhtipyörien kunnossapitokustannukset ovat minimaaliset ja niiden käyttöikä on noin 20 Confidential 36

38 vuotta. Vauhtipyörissä energianvarastointi kapasiteetti, hyötysuhde, purkaussyvyys, latausaika tai lämpötila eivät heikkene käytön aikana. Kehittyneimmillä litium-ioni akuilla ja muilla kehittyneillä lyijypitoisilla akuilla käyttöikä on yli 15 vuotta. Uusimmat tuotekehitykset osoittavat, että akuilla voidaan saavuttaa erittäin suuri C-arvo (jopa C10). Tämä kehitys lupaa erittäin hyvää akkuteknologioiden sovelluksien tulevaisuuden kannalta. C-arvo ilmoittaa kuinka nopeasti akun voi ladata tai purkaa. Esimerkiksi akku, jonka C-arvo on neljä, sietää nelinkertaisen virtamäärän kapasiteettiinsa nähden. C4-akusto tarvitsee neljänneksen vähemmän akkuja kuin C1-akusto. Korkean C-arvon akut ovat oleellisessa asemassa, kun pyritään minimoimaan akuston kustannuksia. Tämä on erityisen tärkeää suurissa, voimalaitos kokoluokan aurinkosähköjärjestelmissä. Toisaalta yksinkertaiselta akustolta ei yleensä vaadita suurta C-arvoa, ellei sähköverkkoon liittyminen edellytä suurta energian varastointikapasiteettia täyttämään verkkoon liittymisen kriteereitä, kuten esimerkiksi taajuuden säätely, toiminta jännitevaihteluiden aikana (Voltage Ride Through (LVRT tai HVRT)), ja muut vaatimukset, jotka on esitetty seuraavassa kappaleessa. Perinteisen autonakun C-arvo on AKKUTEKNOLOGIAAN PERUSTUVAN ENERGIANVARASTOINTIJÄRJESTELMÄ Akut ovat yksi vanhimmista energianvarastointiteknologioista. Akut ovat olleet markkinoilla yli vuosisadan ja teknologia kasvaa ja kehittyy edelleen. Perinteisesti akkuja on hyödynnetty esimerkiksi kulkuneuvoissa ja datakeskuksissa. Akkujen yleisimmät käyttökohteet ovat: Maksimituotannon tasoitus, tehon ja kustannusten pienentäminen, UPS Hajautettu energiantuotanto ja mikroverkot Kysyntähuiput Keskeytymätön energiansyöttö Energianvarastointi hajautetuissa järjestelmissä verkon stabiloimiseksi, pienen ja suuren kokoluokan uusiutuvan energiaan perustuvan voimalaitokset Sähköverkosta irrallaan olevat sovellukset Sähköverkkoon liittymisen vaatimukset o Reagointi ramppivasteeseen sekä outputin heilahteluihin o Reaktiivisen tehon säätö o Jännitteen säätely o Toiminta jännitevaihteluiden aikana; LVRT, HVRT o Taajuuden säätely o Parantunut tehokerroin o Kuorman tasoitus o Tehon laadun ja sähköverkon luotettavuuden kohennus Yksittäisen vauhtipyörän kapasiteetti on tällä hetkellä noin 150 kw (vauhtipyörävalmistaja Beaconin esitteen mukaan) Vauhtipyörä, jonka kapasiteetti on 100 kw voi tarjota 25 kwh 15 minuutin ajan tai vaihtoehtoisesti 150 kw:n vauhtipyörä voi tarjota noin 12,5 kwh 5 minuutin ajan. 100 kwh:n akusto C-arvolla 10 (saatavissa markkinoilla) voi tuottaa 1 MW:n tehon kuuden Confidential 37

39 minuutin ajan. 100 kwh:n akusto C-arvolla 4 voi tuottaa 400 kw:n tehon 15 minuutin ajan. IPS suosittelee tässä hankkeessa käytettäväksi akkuteknologiaan perustuvaa varastointijärjestelmää vauhtipyörän sijaan, koska se on edullinen ja se on todistettu käytössä toimivaksi. 8.4 AKUSTON RAKENNE IPS suosittelee käytettäväksi kehittynyttä lyijyakkuteknologiaa sen edullisen hankintahinnan ja luotettavuuden vuoksi. Litium-ioni akkujen energiatiheys ja elinikä ovat ylivoimaisia, mutta ne ovat 3,5 kertaa kalliimpia kuin kehittyneimmät lyijypohjaiset akut, joita on saatavilla markkinoilla. Lyijyakkuihin lukeutuvat MCFT-akut hyödyntävät microcell-teknologiaa. MCFTakkujen elinikäiset kustannukset ovat alhaiset ja ne kilpailevat muiden kehittyneiden akkujen kanssa. Microcell-teknologian ominaisuuksia ovat: Häiriytymättömät prosessit ja suorituskyky Akkuteknologialla voidaan hyödyntää useita eri aineita Lyijykemioiden hyödyntämisellä saavutetaan suurimmat edut Kehittynyt suorituskyky lyijyakkujen hinnalla Epäherkkä latausasteelle 2-3-kertainen latausaste Odotettu käyttöikä 2-3 kertaa suurempi kuin lyijyakuilla Odotettu sykli-ikä on 2-3 kertaa suurempi kuin lyijyakuilla Valmistuskustannukset ovat yhtä suuret kuin lyijyakun Kasvanut energiatiheys perinteisiin lyijyakkuihin verrattuna Uudenlainen yhdistelmä, joka koostuu jo saatavilla olevista yhdisteistä o 12-15%:a vähemmän lyijyä o ympäristölle turvallinen Soveltuu olemassa olevaan lyijyakun infrastruktuuriin o valmistus o käyttö o kierrätys Perinteisillä lyijyakuilla on rajallinen pinta-ala, josta noin % on käytettävissä hyväksi. Microcell-teknologiaa hyödyntävien akkujen pinta-ala on noin 2000 kertaa suurempi ja siitä on käytettävissä hyväksi noin 90 %. Tämä mahdollistaa kolme kertaa suuremman latausvirran ja kahdeksan kertaa suuremman purkuvirran. Esimerkiksi 12V-100AH:n MCFT-akkua voidaan ladata 300 ampeerin virralla ja purkaa 800 ampeerin virralla. Akkujen suorituskyvyn määrittää C-arvo ja tällä hetkellä MCFT-akkujen C-arvo on 8 kun litium-ioni akkujen arvon on 4. MCFT-akkujen elinikä 80 %:n purkaussyvyydellä on noin 1000 sykliä, sama kuin litium-ioni akuilla. Perinteisten lyijyakkujen elinikä 80 %:n purkaussyvyydellä on vain noin 300 sykliä. Suositeltavat MCFT-akut ovat suljettuja. Käyttötarkoituksensa vuoksi tässä hankkeessa korkean C- arvon ei katsota pienentävän lataussäätimen ja invertterin hintaa. 1, kwdc:n aurinkosähköjärjestelmä on voimalaitos kokoluokassa suhteellisen pieni, joten verkkoon Confidential 38

40 liittymisparametreja kuten esimerkiksi toiminta jännitevaihteluiden aikana, taajuuden säätelyä jne. ei tarvitse säätää tämän hankkeen aurinkosähköjärjestelmässä. Suositeltavan akuston kapasiteetti on 360 kwh, joka jakautuu kolmeen semi-autonomiseen ryhmään vastaamaan invertterin maksimitehopisteenseuranta kokoonpanoa. Invertterissä (1050 kw) on kolme maksimitehopisteenseuranta yksikköä (350 kw), joista jokaiseen liittyy yksi 120 kwh:n akustojärjestelmä. Jokainen kolmesta 120 kwh:n akustojärjestelmää koostuu sadasta 12V-100Ah MCFT-akusta. 100 akkua jaetaan kahteen riviin, joista molemmissa 50 akkua (60 kwh). Nämä 50 MCFT-akkua kytketään sarjaan (useassa tasossa), jotta saavutetaan lataussäätimen (525V-850V) sekä maksimitehopisteseuraajan edellyttämä jännite invertterissä (585 Vdc-850 Vdc). Lataussäätimen maksivirta on 150 A. 150 A on myös jokaisen kokoojalaatikosta invertteriin menevän DCvirtajohtimen sulakekoko. Jokaine kolmesta 120 kwh:n akustosta kytketään invertterimoduulin tasasähköpuolen kaapeliin (nimellisvirta, ja jännite 150 A, 690 Vdc). Akuston yksityiskohtainen kytkentäkaavio on esitetty liitteessä 4. Akuston maksimaalinen latausjännite on 720 Vdc (14.4 Vdc x 50 akkua) 90 %:n latausasteella. Absoluuttinen minimi purkausjännite 100 %:n purkaussyvyydellä on 570 Vdc (11.4Vdc x 50 akkua). Suunniteltu minimi asetusarvo on 580 Vdc (11.6 Vdc x 50 akkua) 70 %:n purkaussyvyydellä. Toisin sanoen suunnitellun akuston jänniteraja on 580 Vdc-720 Vdc. Akuston tulee toimia tämän jännitevaihteluvälin sisällä, jotta pysytään invertterin ja lataussäätimen maksitehopistealueiden sisällä. Akustoa voidaan purkaa jopa yli 70 % purkaussyvyydellä. Korkeilla purkaussyvyyden arvoilla akun elektrolyytti saattaa jäätyä, jos lämpötila laskee liikaa. Akun odotettu käyttöikä 70 % purkaussyvyydellä on sykliä ja 50 % purkaussyvyydellä sykliä. Elektrolyytti saattaa jäätyä -10 C lämpötilassa mikäli toimitaan 70 % purkaussyvyydellä. Akuston odotettu sähkövaraus käytön aikana on Ah (2 x 1300 x 100 Ah x 70%), kun jokainen kolmesta 120 kwh akkuosiosta toimii 70 % purkaussyvyydellä. Akuston odotettu sähkövaraus käytön aikana 50 % purkaussyvyydellä on Ah (2 x 3000 x 100 Ah x 50 %) ja sykliä ovat akkujen käyttöiät purkaussyvyyden arvoilla 70 % ja 50 %. Akuston maksimaalinen hyödyntäminen edellyttää 70 % purkaussyvyyttä, mutta suositeltavaa on kuitenkin käyttää 50 % purkaussyvyyttä, jotta akuston käyttöikä olisi pitempi, sykliä. Akusto ja lataussäädin tulee suojata eristetyllä, ilmastoidulla, lämmitetyllä rakenteella muiden tyhjökatkaisimen kaltaisten kontaktorien, kuten akuston tasapainotusjärjestelmän, erotuskytkin, poistotuulettimen jne. kanssa. Aurinkosähköjärjestelmän käyttäjän/operaattorin tulee ylläpitää suojarakennelman lämpötila välillä 0-30 C. Kontaktori joka yhdistää aurinkopaneeliston ja akuston invertteriin on auki-asennossa päivän alussa. Lataussäädin lataa akkuja kunnes jännite niissä saavuttaa 720 volttia (14,4V x 50). Tämän jälkeen kontaktori sulkeutuu, jolloin tuotettu sähköenergia siirretään suoraan invertteriin. Tässä tapauksessa invertterin virtakiskon tasavirran jännite määräytyy aurinkopaneelirivin jännitteen mukaan. Jokaista akkua (12V-100Ah) kohden on yksi akun tasapainotusjärjestelmä tasapainottamaan 50:tä akusta muodostuvaa riviä. Jokaista 7-8 akkua kohden on vielä erillinen tasapainotusjärjestelmä, jolla Confidential 39

41 latausjännite rajoitetaan 120 volttiin. Kuusi tasapainotusjärjestelmää sisältää 7 akkua ja yksi tasapainotusjärjestelmä sisältää kahdeksan akkua. Tällä tavoin riviä kohden (60 kwh) on 56 akun tasapainotusjärjestelmää ja 112 tasapainotusjärjestelmää jokaista kolmesta 350 kw invertteriyksikköä kohden. (Akun tasapainotusjärjestelmän yksityiskohtainen layout löytyy liitteestä 5.) Akun tasapainotusjärjestelmät varmistavat, että jokaisen 12V:n akun jännite pysyy 10 mv:n rajan sisällä. Täällä tavoin pysytään turvallisten tomintarajojen sisällä. Akun tasapainotusjärjestelmässä on lisänä sisäinen rele/kontaktori, joka toimii punaisen ledosoittimen kanssa vikatilanteissa, kuten esimerkiksi akkurivistön alijännite tai ylijännite tilanteissa. Automaattisen jännitteen havaitsijan mahdollistamana, akkurivistön yksittäinen akku kytketään irti kriittisissä tilanteissa sulautetun yhteydenohjauksen ja ulkoisen kontaktorin avulla. Lataussäätimen päätehtävä on ladata (säätäen akkujen latausastetta) sekä purkaa akkuja samalla estäen niitä vahingoittumasta. Lataussäädin vartioi minimi purkausjännitettä sekä ylilatausjännitettä, jotka ovat tässä tapauksessa 570V ja 720V. Nämä jännitteet syötetään parametreiksi lataussäätimeen, joka ylläpitää latausastetta ja purkaussyvyyttä. Akut ladataan tilaan, joka on noin 90%:n latausaste ja 70%:a minimi purkauksesta (akun kapasiteetista), jolloin voidaan estää akkuja vahingoittumasta. Akut ja akkujen tasapainotusjärjestelmät asennetaan muovilla päällystettyihin telineisiin ja yhdistetään toisiinsa kuparipäällysteisillä väyläkiskoilla. Lataussäädin ja komponentit sijoitetaan eristettyyn konttiin (4.0m (l) x 3.0 (k) x 2.1 (s)). Kontin galvanoidusta teräslevystä valmistetut seinät eritetään sisäpuolelta mineraalivillalla, jotta lämpötila saadaan pidettyä välillä 0ᵒC - 30ᵒC. Kontissa tulee olla kaksoisovet kunnossapitoa varten. Kontissa tulee olla myös ilmastointi puhaltimet, jotka puhaltavat kuumaa ilmaa kontin sisältä ulkoilmaan pitäen kontin lämpötilan alle 30 ᵒC:n. Kontin lämmitykseen, ilmastointiin ja valaisuun käytetään kolmivaiheista sähköä (380/400V, 50 Hz, 10A). Tämä sähköenergia voidaan ottaa sähköverkosta tai sitten invertterin apumuuntajasta. Kontti on IP 65 suojattu. Confidential 40

42 9 LIITTEET 9.1 LIITE 1: Sijoituspaikan meteorologinen data NASAn, PVGIS ja Meteronorm (Helsingin mittausasema) tietokantojen mukaan Confidential 41

43 Confidential 42

44 Confidential 43

45 9.2 LIITE 2: Aurinkosähköjärjestelmän (1, kwdc) kytkentäkaavio Confidential 44

46 9.3 LIITE 3: Aurinkosähköjärjestelmän layout Confidential 45