SMG-4450 Aurinkosähkö

Transkriptio

1 SMG-4450 Aurinkosähkö Neljännen luennon aihepiirit Aurinkosähkö hajautetussa sähköntuotannossa Tampereen olosuhteissa Tarkastellaan mittausten perusteella aurinkosähkön mahdollisuuksia hajautetussa energiantuotannossa Tampereen olosuhteissa. 1 KERTAUSTA: AURINGOSTA MAAN ILMAKEHÄÄN TULEVA SÄTEILY Aurinkovakio S on auringon säteilyintensiteetti maan kiertoradalla: W S m 2 1

2 SÄHKÖMAGNETIIKAN AURINKOSÄHKÖMITTAUSJÄRJESTELMÄ Aurinkopaneeli ja säteilyintensiteettimittari sijaitsevat TTY:n sähkökonehallin katolla, 45 asteen kulmassa vaakatasoon nähden. Mittausjärjestelmä rakennettiin, koska: haluttiin käytännön kokemusta aurinkokennojen käyttäytymisestä Suomen sääolosuhteissa. haluttiin selvittää, kuinka paljon aurinkosähköenergiaa olisi Tampereen olosuhteissa saatavilla esimerkiksi kotitalouksien omaan tuotantoon. Tietoa järjestelmän aurinkopaneelista: valmistaja Kyocera, malli KC125G-1. monikiteinen pii, 36 kennoa sarjaankytkettyinä. V oc = 21.7 V, I sc = 8.0 A, P max = 125 W (STC). 3 MITTAUSTEN KÄYTÄNNÖN TOTEUTUS Paneelin I(V)-käyrää mitataan toistuvasti. Yksi mittaus kestää noin 20 s. Koska vuorokausi kestää s, I(V)-käyriä mitataan vuorokaudessa noin 4300 kpl. Yksittäisestä I(V)-käyrästä tallennetaan useita muuttujia, kuten V oc, I sc, V pmax ja I pmax. Kun I(V)-käyriä mitataan toistuvasti vuorokauden ajan, pystytään laskemaan, kuinka paljon paneeli tuottaisi sähköenergiaa vuorokaudessa. Tällöin oletetaan, että paneeli tuottaa 20 sekunnin mittausjakson ajan kyseisen I(V)-käyrän osoittamaa maksimitehoa. 4 2

3 VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN: KEVÄT JA KESÄ Aurinkoisina kevät- ja kesäpäivinä 125 W:n paneelin tuottama sähköenergia on luokkaa Wh. Paneeli tuottaa sähköenergian, joka vastaa noin 6-7 h:n toimintaa nimellisteholla. Puolipilvisinä kevät- ja kesäpäivinä 125 W:n paneelin tuottama sähköenergia on luokkaa Wh. Paneeli tuottaa sähköenergian, joka vastaa noin 3-5 h:n toimintaa nimellisteholla. 810 Wh 500 Wh 5 VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN: KEVÄT JA KESÄ 862 Wh Tuotettu energiamäärä vastaa paneelin toimimista noin 7 h:n ajan nimellisteholla. 6 3

4 VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN: SYKSY JA TALVI Syys- ja talvipäivinä, joina aurinko välillä näyttäytyy, 125 W:n paneelin tuottama sähköteho on luokkaa Wh. Paneeli tuottaa sähköenergian, joka vastaa noin 1-3 h:n toimintaa nimellisteholla. Pilvisinä syys- ja talvipäivinä aurinkosähkön tuotanto jää hyvin vähäiseksi: 125 W:n paneelin tuottama sähköteho on luokkaa Wh. Paneelin tuottama sähköenergia vastaa korkeintaan tunnin toimintaa nimellisteholla. 140 Wh 20 Wh 7 VUOTUINEN AURINKOSÄHKÖENERGIA TAMPEREELLA (1/2) marraskuu lokakuu

5 VUOTUINEN AURINKOSÄHKÖENERGIA TAMPEREELLA (2/2) Tampereen Sähkölaitoksen mittausdataa vuosilta Suuruusluokkasääntö aurinkosähkön tuotannosta Tampereen olosuhteissa: Paneeli tuottaa vuoden aikana sähköenergian, joka vastaa noin tuhannen tunnin toimintaa nimellisteholla. 9 LÄMPÖTILAN JA SÄTEILYINTENSITEETIN VAIKUTUKSET Vasemmanpuoleisen kuvan lämpötilat ovat aurinkopaneelin puolenpäivän lämpötilojen keskiarvoja vuoden aikana (marraskuu lokakuu 2007). Suurin puolenpäivän lämpötila oli 56 o C, pienin -11 o C. Suurin mitattu paneelilämpötila oli 60 o C, pienin -30 o C. Oikeanpuoleinen kuva esittää nimellisteholtaan 125 W:n paneelin sähkötehon mitattua riippuvuutta säteilyintensiteetistä ja lämpötilasta. 10 5

6 VUOROKAUDENAJAN VAIKUTUS Auringon nousun ja laskun välisenä aikana aurinkosähkötehon käyrämuoto noudattaa pilvettömänä päivänä likimain sinikäyrän positiivista puolijaksoa. Aamun valoisuuden lisääntyessä tyhjäkäyntijännite nousee nopeasti. Kunhan kennot alkavat toimia, V oc :n G-riippuvuus on heikko. Virran merkittävä tuotanto alkaa, kun aurinko nousee horisontin yläpuolelle. I sc :n G-riippuvuus on lineaarinen. 11 PILVIEN VAIKUTUS Ohuet ja vaaleat poutapilvet eivät merkittävästi heikennä auringonsäteilyn tehoa, mutta tummat sadepilvet pudottavat säteilytehoa luokkaa 75%. Kirkkaana päivänä ( ) energiantuotanto on suurimmillaan, mutta puolipilvisyys ( ) näyttää kasvattavan säteilyintensiteettiä ja samalla aurinkopaneelin maksimitehoa. Kyse on siitä, että pilvet taittavat auringonsäteilyä. Säteilyintensiteetti kasvaa juuri ennen pilven tuloa auringon tielle tai vastaavasti juuri sen jälkeen, kun pilvi on poistunut auringon edestä. 12 6

7 PANEELIN KALLISTUSKULMAN VAIKUTUS (1/2) Kun otetaan huomioon vaihtosuuntaajan häviöt, 125 W:n paneeli tuotti vuodessa noin 111 kwh sähköenergiaa, kun paneelin kallistuskulma oli 45 o. Paneelin optimaalinen kallistuskulma riippuu maantieteellisestä sijainnista. Tampereella kallistuskulman optimi on noin 40 o (vaakatasosta). Kiinteänä asennuksena tämä olisi kuitenkin lisännyt energiantuotantoa vain 0.2%. 13 PANEELIN KALLISTUSKULMAN VAIKUTUS (2/2) Paneelin optimaalinen kallistuskulma vaihtelee Suomessa vuoden aikana merkittävästi. Energiantuotantoa kuukausittain säädettävä kallistuskulma ei kuitenkaan merkittävästi kasvata. Energiantuotannon maksimoinnin kannalta paneelin olisi oltava jatkuvasti aurinkoa seuraava. Samalla järjestelmän huoltotarve ja hinta kuitenkin kasvaisivat rajusti. 14 7

8 AURINKOSÄHKÖVOIMALAN TEHOJAKAUMA Aurinkopaneelin tuottama energia tulee pääosin tuotettua nimellistehoa alhaisemmilla tehon arvoilla. Esimerkkitilanteessa energiaspektrin huippu on kohdassa 106 W, kun nimellisteho on 125 W. Huomattavaa on myös pienten tehojen suuri osuus kokonaisenergiasta. 15 AURINKOSÄHKÖ HAJAUTETUSSA ENERGIANTUOTANNOSSA (1/4) Maailmalla aurinkosähkön tuotanto on kasvanut voimakkaasti, kun eri valtiot ovat alkaneet panostaa uusiutuviin energiamuotoihin. Kasvu on ollut erityisen voimakasta verkkoon kytketyssä hajautetussa tuotannossa. Tuulivoiman maailmanlaajuinen kapasiteetti on vuonna 2010 noin MW. 16 8

9 AURINKOSÄHKÖ HAJAUTETUSSA ENERGIANTUOTANNOSSA (2/4) Tarkastellaan aurinkosähkön soveltuvuutta hajautettuun energiantuotantoon Suomessa huipunkäyttöajan t h avulla. Huipunkäyttöaika kertoo, kuinka monta tuntia voimalan tulisi toimia nimellistehollaan P nim vuoden aikana, jotta se tuottaisi toteutuneen vuotuisen energian E a. Huipunkäyttöajan teoreettinen yläraja t hmax on: t E P 8760 h a nim hmax Pnim Pnim 8760 h. Etelä-Suomessa aurinkosähkölle tyypillinen huipunkäyttöaika on noin 1000 h. Käytännössä tämä tarkoittaa watteina annetun nimellisteholukeman suuruista energiantuotantoa kilowattitunteina vuodessa. Esimerkiksi Kiillon kw:n aurinkosähkövoimalalle saadaan siis: E t E P t W 1000 h = MWh. a h a nim h Pnim 17 AURINKOSÄHKÖ HAJAUTETUSSA ENERGIANTUOTANNOSSA (3/4) Huipunkäyttöaika on käyttökelpoinen suure, kun halutaan vertailla eri paikkojen soveltuvuutta aurinkosähkön tuotantoon. Sähkömagnetiikan mittausjärjestelmällä marraskuun lokakuun 2007 huipunkäyttöajaksi saatiin noin 936 tuntia. 18 9

10 AURINKOSÄHKÖ HAJAUTETUSSA ENERGIANTUOTANNOSSA (4/4) Saksa ja Japani ovat olleet edelläkävijöitä aurinkosähkön hyödyntäjinä hajautetussa energiantuotannossa. Huipunkäyttöaikoja vertaamalla havaitaan, ettei aurinkosähköjärjestelmän vuotuinen energiantuotanto ole Suomessa juuri sen alhaisempi kuin Saksassa tai Japanissa. Saksassa ei paista merkittävästi enempää kuin Suomessa. Aurinkosähkön mahdollisuudet hajautetussa energiantuotannossa eivät Suomessa kaadu säteilyintensiteettiolosuhteisiin. 19 AURINKOSÄHKÖN ONGELMIA SUOMESSA (1/2) Aurinkosähkö ei toistaiseksi ole taloudellisesti kilpailukykyinen energiantuotantomuoto. Kasvava tarve uusiutuvien energiamuotojen käytölle on aiheuttanut sen, että valtiot ovat alkaneet tukea ympäristöystävällisiä energiantuotantomuotoja. Aurinkosähkön suosio maailmalla perustuu pääosin valtioiden tukitoimiin. Syöttötariffi on osoittautunut tehokkaaksi aurinkosähkön tukitoimeksi. Kotitalouksien aurinkosähköjärjestelmät on kytketty sähköverkkoon, ja sähköyhtiöt ovat velvoitettuja ostamaan aurinkopaneeleilla tuotetun sähköenergian ennalta määrättyyn kiinteään hintaan tietyn rajallisen ajan. Aurinkosähköjärjestelmä on tällöin yksittäisen kotitalouden kannalta sijoituskohde, joka alkaa tuottaa omistajalleen taloudellista voittoa käyttöikänsä aikana

11 AURINKOSÄHKÖN ONGELMIA SUOMESSA (2/2) Vaikka Suomessa ja Saksassa paistaa lähes yhtä paljon, Saksa on kuitenkin otollisempi paikka aurinkosähkön tuotannolle, koska: Saksassa on aurinkosähköteollisuutta, joten valtion tukitoimet tukevat samalla kotimaista teollisuutta. Suomessa aurinkosähköteollisuutta ei ole. Sähkön hinta on Saksassa noin kaksinkertainen Suomen hintaan verrattuna. Suomessa on vallalla yleinen asenne, ettei aurinkosähköllä tee Suomessa mitään. Lähtökohta kuitenkin on, että aurinkosähkön taloudellinen kilpailukykyisyys Suomessa vaatii valtion tukitoimia, joita ei toistaiseksi käytännössä ole. Tällä hetkellä aurinkosähkön tuottaminen ei ole Suomessa taloudellisesti kannattavaa. Hajautettuun energiantuotantoon suunniteltu syöttötariffi saattaa kuitenkin muuttaa tilanteen. Tuulisähkölle syöttötariffi on jo olemassa. Lisäksi kiristyvät ympäristövaatimukset ja alati nouseva sähkön hinta parantanevat aurinkosähkön asemaa. Joka tapauksessa aurinkosähkön hyödyntäminen Suomessa laajassa mittakaavassa edellyttää poliittista tahtoa