AURINKOA, JOPAS! JOHDATUS, OPASTUS JA PEREHDYTYS AURINKOENERGIAN SALOIHIN

1 AURINKOA, JOPAS! JOHDATUS, OPASTUS JA PEREHDYTYS AURINKOENERGIAN SALOIHIN Tämän oppaan tarkoituksena on selittää, miten aurinkoenergiaa voi hyödyntää erilaisin menetelmin erilaisissa tapauksissa, sekä valottaa hieman kaiken takana olevan ilmiön teoreettista pohjaa, laitteiden teknistä toteutusta ja niiden hankinnan taloudellisia lainalaisuuksia. Ennen kaikkea tarkoitus on luoda selkeä kuva siitä, kuinka kuka tahansa aiheesta kiinnostunut voi hyödyntää aurinkoenergiaa itseään koskevat lähtökohdat huomioiden. Tuotevalmistajien tai markkinoijien antamat tiedot ovat usein puutteellisia, virheellisiä ja parhaimmassa tapauksessakin usein epäselviä. Julkaistut saattavat olla epäselviä ja ne voivat sekoittaa eri käsitteitä keskenään. Mahdollisuuksien sekä ongelmien syitä ja laajuuksia ei myöskään aina esitetä selkeästi, jolloin kokonaiskuvan ymmärtäminen voi olla haastavaa. Tässä oppaassa pyritään antamaan selkeä ja oikea kuva ilmiöistä, tekniikasta, olosuhteista ja suunnittelunäkökulmista. Miksi aurinkoenergiaa pitäisi hyödyntää? Aurinkoenergian hyödyntäminen on kannatettavaa, koska: a) aurinkoenergian tuottaminen on ekologisesti ajateltuna suositeltavaa, koska itse energiantuotanto tapahtuu täysin päästöittä ja edistää siten kestävän kehityksen ajatusta erittäin hyvin vaihtoehtoisista tavoista tuottaa energiaa b) aurinkoenergian hyödyntäminen on useimmiten tilanteen mukaan taloudellisesti kannattavaa erityisesti tulevaisuudessa, sillä energian hinta voi mahdollisesti nousta c) aurinkoenergia voi olla ainoa järkevä tapa esimerkiksi kesämökin energiatarpeen kohtaamiseen, ainakin joiltain osin d) kun uudis- sekä korjausrakentamista koskevat määräykset tiukentuvat, aurinkoenergia voi olla ainoa tapa päästä tavoitteisiin (määräyksiin) talon energiantuotannosta e) aurinkoenergian hyödyntäminen on järjestelmäkohtaisesti ajateltuna helppoa ja luotettavaa, kunhan otetaan huomioon energiantuotannon kausiluonteisuus

2 f) asennetut aurinkoenergiaa hyödyntävät järjestelmät voivat kohottaa rakennuksen jälleenmyyntiarvoa Miten aurinkoenergiaa voi hyödyntää? Aurinkoenergian hyödyntäminen on mahdollista kolmella eri tavalla: a) aurinkosähkönä, jossa auringon säteilyenergiaa muutetaan sähköksi; muuttuminen perustuu valosähköiseen ilmiöön, ja siihen käytetään aurinkosähköjärjestelmää (aurinkokennoa sekä siihen liittyviä komponentteja) b) aurinkolämpönä, jolloin auringon säteily luovuttaa energiaansa lämpönä aurinkolämpöjärjestelmään ja siinä kiertävään lämmönsiirtonesteeseen (tai kaasuun) c) passiivisesti, jolloin auringonenergiaa hyödynnetään ilman välimuotoja siten, että säteilyn annetaan esimerkiksi lämmittää seinää, joka varastoi lämpöä luovuttaen sitä hitaammin Toki aurinkoenergiaa voidaan hyödyntää muillakin tavoin esimerkiksi erilaisissa biologisissa tai kemiallisissa prosesseissa, mutta edellä mainitut kolme tapaa ovat ne, jotka koskevat lähinnä asumista ja energiataloutta. Kaikissa edellä mainituissa tavoissa on hyvät ja huonot puolensa, haasteensa, mutta myös mahdollisuutensa, joita käydään yksityiskohtaisemmin läpi. Edellä mainitut tavat eivät myöskään ole toisiaan poissulkevia, joskin käytettävissä oleva kattopinta-ala voi asettaa rajoitteita aurinkosähkön ja aurinkolämmön yhtäaikaiselle käytölle. Uudehkona tekniikkana on tarjolla myös yhdistettyjä järjestelmiä, joiden avulla voidaan tuottaa sekä sähköä että lämpöä samanaikaisesti. Tällaisia järjestelmiä on nykyään saatavilla myös Suomessa. Ominaisuuksiltaan ne muodostavat jonkinlaisen kompromissin aurinkosähkö- ja aurinkolämpöjärjestelmien välillä, sähkön lisätuotteena saadaan lämpöä. Lisäksi aurinkolämpöä voidaan käyttää jäähdytykseen käyttäen absorptio- tai adsorptiojäähdytystekniikkaa. Myös on huomattava, ettei aurinkoenergia itsessään yleensä riitä kattamaan koko rakennuksen energiantarvetta vuositasolla, vaan tuottaa lisäenergiaa ja toimii yleensä parhaiten yhdistettynä johonkin muuhun energiantuotantomuotoon. Poikkeuksen tähän sääntöön tekevät loma-asunnot, erityisesti jos ne eivät ole ympärivuotisessa käytössä; yleisemmin sanottuna kesämökit. Tällöin käyttö osuu hyvin yhteen aurinkoenergian saatavuuden kannalta parhaan ajanjakson kanssa, jolloin riittävillä energianvarastointijärjestelmillä varustetut järjestelmät pystyvät kattamaan koko energiantarpeen.

3 Aurinkoenergian hyödyntämisen mahdollisuudet vaihtelevat suuresti riippuen asuinpaikasta, rakennuksesta, ympäristöstä sekä käytetystä lämmitysjärjestelmästä. Perinteisesti ongelmana on nähty energian saatavuuden suuri vaihtelu sekä epävarmuus, joita voidaan kuitenkin jossain määrin pienentää käyttäen hyväksi erilaisia varastointimenetelmiä. Huolellisella suunnittelulla on suuri merkitys. Energian saatavuuden suuren vaihtelun aiheuttamat ongelmat koskevat ennen kaikkea aurinkosähköjärjestelmiä, mutta myös aurinkosähkön varastointi on mahdollista akkujen avulla, olkoonkin ettei tällä voida vaikuttaa kuin lyhyehköllä aikavälillä. Akkujen lisääminen järjestelmään lisää hankintakustannuksia jossain määrin, jos halutaan suuria akkuja. Aurinkolämmön varastointi esimerkiksi lämminvesivaraajia käyttäen on helpompaa, muttei silläkään yleensä pystytä kattamaan kaikkia vaihteluja, kesällä lämpöä tulee helposti yli oman tarpeen, kun taas keskitalvella tuotto voi olla vähäistä. Auringon hyödyntämisen kannalta tulisi kuitenkin muistaa, että energiaa on yleensä saatavissa yhdeksänä kuukautena vuodessa vain ajanjakso marraskuusta tammikuuhun on tuotoltaan erityisen heikkoa. Lisätietoa energian varastoinnista Auringonsäteilyä saapuu maapallolle ilmakehän yläosaan jatkuvasti riippumatta vuodenajasta, pilvisyydestä, lämpötilasta tai mistään muustakaan muuttujasta määrä, josta käytetään nimitystä aurinkovakio. Lisätietoa aurinkovakiosta Auringosta saapuva säteily jaetaan suoraan ja hajasäteilyyn eli diffuusiin säteilyyn. Suoralla säteilyllä tarkoitetaan yleensä sitä osaa auringonsäteilystä, joka ei siroa (taitu) ilmakehän vaikutuksesta. Hajasäteilyllä puolestaan sitä osaa säteilystä, joka siroaa pilvien ja ilmakehän molekyyleistä, usein siihen sisällytetään myös maan pinnasta heijastuva säteily. Maanpinnasta heijastunutta säteilyä kutsutaan usein myös yksinkertaisesti heijastuneeksi säteilyksi. Maanpinnasta heijastuvaan auringonsäteilyyn vaikuttaa muun muassa maalaji, maapeite, kasvillisuus, maastonmuodot sekä rakennettu ympäristö rakennuksineen ja teineen. Lumi heijastaa auringonsäteilyä hyvin, tuore lumi erityisen hyvin. Lumi lisää pystysuoralle pinnalle tulevan säteilyn määrää jopa 20 45 % 3. Vesi heijastaa auringonsäteilyä erityisesti silloin, jos säteilyn tulokulma on suuri, esimerkiksi auringon ollessa matalalla. Diffuusi säteily menettää osan energiastaan ollessaan vuorovaikutuksessa (sirotessaan, taittuessaan) ilmakehän kanssa, jolloin sen säteilyintensiteettijakauma on erilainen painottuen enemmän pidemmille aallonpituuksille (matalimmille energioille). Tyypillisesti aurinkoisena päivänä diffuusin säteilyn osuus on noin 10

4 20 % kokonaissäteilystä, pilvisenä jopa yli 90 % 1. Valitettavasti säteilyyn liittyvä termistö on epäselvää, eikä yhtenäistä käytäntöä juuri ole. Usein kuuleekin puhuttavan hajasäteilystä, heijastuneesta säteilystä, taittuneesta säteilystä jne. Tärkeintä on ymmärtää ero suoran säteilyn ja muun kuin suoran säteilyn välillä, ja säteilyn energiajakaumien erilaisuudet. Kuva 1: Suora ja diffuusi säteily 1. Termistön epäselvyys on erittäin valitettavaa. Asiasta tärkein muistettava on kuitenkin se, että Suomen olosuhteissa diffuusin säteilyn osuus on merkittävä, jolloin paljon keräimelle tai paneelille osuvasta säteilystä on matalaenergisempaa, eli kyseisen säteilyn aallonpituus on suurempi. Suomen olosuhteissa vuositasolla suoran säteilyn ja hajasäteilyn vuosittaiset suhteelliset osuudet ovat noin 50 % kummallekin. Tämä vaikuttaa siihen, minkälaisella rakenteella saataisiin mahdollisimman paljon säteilyenergiaa hyödynnettyä. Tällä tarkoitetaan paitsi aurinkokennon materiaalivalintoja (sähkökennoissa moniliitoskennoilla saadaan hyödynnettyä suurempi aallonpituusalue, aurinkolämpökeräimissä tyhjiöputkikeräimet tuottavat yleensä tasokeräimiä paremmin lämpöä), myös kallistuskulman valintaan vaikuttavia tekijöitä. Aurinkoenergian hyödyntämisessä huolellinen suunnittelu on tärkeää, erityisesti kannattaa huomioida ilmansuuntien vaikutus. Parhaiten energiaa on hyödynnettävissä idän ja lännen välille

5 sijoittuvilla keräinpinnoilla. Paras tuotto saavutetaan etelään suunnatuilla laitteilla, mutta suuntaaminen kaakon ja luoteen välille ei laske saatavia energiamääriä kovin merkittävästi. Suuntaamisella voidaan vaikuttaa myös siihen, mihin aikaan vuorokaudesta säteilyä saadaan eniten hyödynnettyä. Tämä johtuu siitä, että saapuvan säteilyn ja keräimen tai paneelin pinnan normaalin välisen kulman kasvaessa suurempi osa säteilystä heijastuu eikä näin ollen luovuta kaikkea energiaansa keräimeen tai paneeliin. Keräimen tai paneelin suuntaaminen etelään on tärkeää erityisesti silloin, jos energiaa halutaan saada talteen mahdollisimman useana kuukautena vuositasolla, sillä keskitalvea kohti siirryttäessä aurinko esiintyy horisontissa melko kapealla, etelään painottuvalla kaistalla. Mitkä tekijät vaikuttavat aurinkoenergian hyödyntämiseen? Suurin ja merkittävin tekijä aurinkoenergian hyödyntämisen kannalta on tietenkin järjestelmän saavuttava säteily, tarkemmin säteilyintensiteetti. Säteilyintensiteetillä tarkoitetaan auringon säteilyn tehoa pinta-alayksikköä kohden. Lisätietoa leveysasteen vaikutuksesta Ilmamassalla tarkoitetaan auringon säteiden ilmakehässä etenemää matkaa. Jos aurinko paistaa suoraan yläpuolelta, ilmamassa saa arvon yksi. Suomessa aurinko ei kuitenkaan koskaan paista suoraan yläpuoleltamme, joten ilmamassan arvot vaihtelevat, Tampereen seudulla esimerkiksi välillä 1,2 ja 38. Lisätietoa ilmamassasta Auringon säteily vaimenee erilaisten vuorovaikutusten takia, joten suurempi ilmamassan arvo tarkoittaa vähäisempää hyödynnettävää säteilymäärää. Myös on huomioitavaa, että ilmassa tapahtuvat vuorovaikutukset ilmakehän molekyylien kanssa vaikuttavat auringon säteilyn intensiteettijakaumaan, jolloin optimaaliset parametrit säteilyn hyödyntämiseen muuttuvat. Erilaiset ilmakehän molekyylit, lähinnä otsoni, vesi ja hiilidioksidi, saavat auringonsäteiden energiasta osansa, jolloin vähemmän energiaa saavuttaa maanpinnan. Säteilyn määrään vaikuttaa huomattavasti myös pilvisyys. Lisätietoa pilvisyyden vaikutuksesta Erittäin tärkeä tekijä energian hyödyntämisen kannalta on myös saapuvan säteilyn tulokulmalla kennoon/paneeliin/keräimeen nähden. Tämän tekijän merkitys vaihtelee tosin suuresti riippuen käytetystä järjestelmästä, mutta tasokeräimissä, jotka ovat markkinoilla vallitsevassa asemassa, säteilyn ns. tulokulmalla on erittäin suuri merkitys. Paras mahdollinen hyöty järjestelmästä saadaan, jos säteily osuu paneeliin/keräimeen kohtisuoraan, jolloin tulokulma (keräimen pinnan

6 normaalin ja säteilyn välisen kulma) on nolla. Tulokulman merkitys on tekijänä huomattava, tosin ehkä pienempi kuin yleisesti luullaan. Tulokulma voidaan jakaa kahteen eri komponenttiin: pysty - ja vaakasuoraan. Vaakasuorakomponentti tarkoittaa pinnan normaalin ja auringon korkeudesta riippumattoman suuntakulman välistä kulmaa. Yleisesti asiaa selventämään käytetään termiä atsimuuttikulma, joka yleensä määritellään keräimen/paneelin akselin sekä etelän väliseksi kulmaksi. Etelää kohti suunnatun laitteen atsimuutti on siis nolla. Tällöin, auringon noustessa idästä ja laskiessa länteen, tulokulman vaakasuorakomponentti vaihtelee välillä -90-90. Vuositasolla suurin säteilymäärä saadaan hyödynnettyä suuntaamalla paneeli tai keräin etelään, mutta säteilymäärä ei merkittävästi laske suuntauksen ollessa kaakon ja lounaan välillä. Paras hyöty saataisiin tietenkin silloin, jos paneeli tai keräin kääntyisi auringon mukana seuraten auringonnousua idästä ja laskua länteen. Kulman valinnalla voidaan vaikuttaa myös siihen, mihin aikaan energiaa saadaan eniten talteen. Suuntaamalla paneeli tai keräin itään, auringon säteily osuu siihen pääasiassa aamulla ja aamupäivällä. Jos energian kulutuksen tiedetään olevan jaksottaista, voidaan näin saada energiantuotanto paremmin vastaamaan kulutustarvetta. Pystysuorakomponentti tarkoittaa tulevan säteilyn ja pinnan normaalin välistä kulmaa vaakatasosta mitattuna. Niin kutsuttu kallistuskulma tarkoittaa paneelin tai keräimen pystysuoraa kallistusta vaakasuoraan tasoon, maanpinnan tasoon nähden. Yleensä optimaalinen kallistuskulma vaihtelee suuresti ollen Tampereen seudulla kesäaikaan noin 41, talvella lähempänä 90.

7 Kuva 21. Auringonsäteilyn kannalta keskeisiä kulmia. Toiminnan kannalta pienillä vaihteluilla on varsin vähäinen merkitys, mutta aurinkoseuraajaan perustuvalla kallistuskulman muuttamisella saavutetaan suurin hyöty. Käytännössä asennus tehdään usein kuitenkin kiinteänä, jolloin kulmaan ei pystytä myöhemmin vaikuttamaan. Jos kallistuskulmaa voidaan muuttaa, varsiin hyvät tulokset saavutettaisiin helposti esimerkiksi sillä, että keväällä asetetaan kulmaksi 45 ja loppusyksyllä 90. Lisätietoa kallistuskulman merkityksestä Jos kiinnostusta riittää ja naapurusto sekä rakennustarkastajat ovat myötämielisiä, saatavilla on erilaisia järjestelmiä auringon seurantaan. Yleisimmin käytössä on yksi- tai kaksiakselisia järjestelmiä. Yksiakseliset järjestelmät liikkuvat joko vaaka- tai pystyakselinsa suhteen, kaksiakseliset järjestelmät molempien. Yleisimmin käytössä ovat vaakasuoran akselin ympäri pyörivät järjestelmät niiden paremman tuulenkestävyyden vuoksi. Seurantajärjestelmät voivat rakentua joko yhden tai kahden akselin päälle, tai ne voivat liikkua ympyrän muotoisen radan päällä. Lisätietoa seurantajärjestelmistä

8 Erilaisilla varjoilla on suuri merkitys erityisesti aurinkosähköjärjestelmissä, koska paneelit on kytketty sarjaan. Sarjaankytkentä on yleisesti käytössä, koska sen avulla saadaan minimoitua sähköisiä häviöitä. Sarjaankytkennässä paneelin yksittäisissä kennoissa on kaikissa sama virta, joka asettuu pienimmän virran mukaisesti. Tällöin, jos yhden kennon virta jää varjostuksen vuoksi pieneksi, laskee koko paneelin virta samaan arvoon. Varjostuksen vaikutus saatavaan tehoon vaihtelee myös erilaisten tekniikoin välillä. Perinteiset yksi- tai monikiteiseen piihin pohjautuvat kennot ovat huomattavasti alttiimpia varjostuksen aiheuttamille häviöille kuin ohutkalvokennot. Varjojen vaikutusta on mahdollista pienentää erilailla teknisillä ratkaisuilla, kuten esimerkiksi niin sanottujen mikroinverttereiden avulla. Aurinkolämpöjärjestelmät eivät yleensä ole niin alttiita varjojen aiheuttamille häviöille. Aurinkopaneelin lämpötila vaikuttaa myös hyödyksi saatavan energian määrään. Aurinkosähkökennoissa kennon lämpötilan nousu laskee hieman kennon tehoa, perinteisillä piikennoilla vaikutus on noin -0,6 % yhtä Celsius-astetta kohti kennon toiminta-alueella. Tätä on havainnollistettu kuvassa 6, jossa näkyy nimellisteholtaan 125 W paneelin tehon riippuvuus tulevasta säteilystä kolmella eri lämpötilalla. On huomattavaa, että kyseiset lämpötilat edustavat kennon lämpötilaa, joka on yleensä selvästi ympäristön lämpötilaa suurempi 2. Aurinkolämpökeräimissä taas hyötysuhde paranee, jos keräimen lämpötila ja ulkolämpötila ovat mahdollisimman lähellä toisiaan, koska tällöin lämpöhäviöt pienenevät merkittävästi. Epäsuorasti kennon/keräimen lämpötilaan vaikuttaa myös ulkoilman lämpötila, tuuli sekä ilmanpaine ja kosteus. Epäsuora vaikutus tarkoittaa sitä, että kyseiset tekijät vaikuttavat edellä mainittuihin, oleellisimpiin tekijöihin 2. Aurinkosähkö Aurinkosähköjärjestelmissä auringon säteilyä muutetaan sähköksi. Useimmiten tämä tapahtuu perustuen valosähköiseen ilmiöön, jonka esittelemisestä Albert Einstein vastaanotti fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1921. Vasta puolijohdekomponenttien kehittely muutamia kymmeniä vuosia myöhemmin mahdollisti ilmiön laajemman hyödyntämisen. Alkujaan aurinkosähköjärjestelmiä kehitettiin avaruusteknologian sovelluksiin, mutta kuten monet muutkin tekniset innovaatiot, ne ovat sieltä levinneet laajemmin myös arkikäyttöön.

9 Aurinkosähköjärjestelmiä on erilaisia, mutta yleensä niistä kaikista löytyy aurinkokenno tai paneeli, säädin sekä jonkinlainen akusto, joka ei kuitenkaan ole välttämätön. Aurinkokennot ovat perinteisesti 10 cm x 10 cm rakenteita ja tuottavat nimellisesti 0,5 voltin jännitettä ja 2,5 3 ampeerin virtaa. Kennot voidaan yhdistää paneeliksi, joka on pinta-alaltaan yleensä noin 2 m 2. Paneelit voidaan puolestaan kytkeä usean paneelin muodostamaksi paneelistoksi. Paneelit tuottavat noin 75 140 W p /m 2 8. Tämä koskee siis yksikiteisestä piistä valmistettuja kennoja. Aurinkokennon tuottama sähkö on tasavirtaa, ja jos sitä halutaan käyttää talouslaitteiden energianlähteenä, on tasavirta muutettava vaihtovirraksi vaihtovirtasuuntaajan eli invertterin avulla. Akkujen avulla voidaan säädellä sitä, milloin järjestelmä tuottaa sähköä kuormaan (käytettäviin laitteisiin, verkkoon) varastoimalla ylimääräistä sähköenergiaa. Akut toisaalta parantavat järjestelmän käyttömahdollisuuksia, mutta toisaalta kasvattavat hintaa. Kuva 10. Aurinkosähköpaneelit rakennuksen katolla 13.

Kuva 11. Invertteri sekä turvakytkimet 13. 10

11 Aurinkokennon yleinen toiminta Yleisesti aurinkosähkökennojen ovat puolijohteista, useimmiten piistä, valmistettuja laitteita, joita voisi toiminnaltaan verrata diodiin. Kennossa on niin sanottu n-puoli, jossa piiatomien lisäksi on muita, esimerkiksi fosforiatomeja, joilla on yksi ylimääräinen elektroni ulkokuorellaan verrattuna piihin. Tällöin rakenteeseen syntyy ylimääräisiä elektroneja, jotka voivat kuljettaa sähkövirtaa. N- puoli on siis negatiivisesti varautunut ylimääräisten elektronien vuoksi. Vastaavasti toinen puoli kennosta saostetaan atomeilla, joilla on ulkokuorellaan yhden elektronin vajaus piihin verrattuna. Tällöin elektroniaukot voivat toimia varauksenkuljettajina. Tätä puolta kutsutaan p-puoleksi. P-puoli on siis positiivisesti varautunut elektronien vajauden vuoksi. Kun nämä kaksi puolta yhdistetään, syntyy niin kutsuttu tyhjennysalue, jolla vapaat elektronit sekä elektroniaukot yhdistyvät eli rekombinoituvat. Tällöin tyhjennysalue tulee sähköisesti neutraaliksi, ja sen yli syntyy jännite. Tyhjennysalue on oleellinen aurinkokennon toiminnan kannalta, sillä auringonsäteily pyritään ohjaamaan nimenomaan tyhjennysalueelle, jolla sähköinen jännite erottelee auringonsäteilyn fotonien vaikutuksesta syntyvät vapaat varauksenkuljettajat, elektronit ja elektroniaukot, jolloin rekombinaatiota tapahtuu vähemmän ja kennon hyötysuhde paranee. Valon absorbaatio tapahtuu perinteisissä piikennoissa pääosin p-kerroksessa, joka on siten rakenteellisesti paksumpi sekä seostussuhteeltaan alhaisempi. Toisen sukupolven kennoissa valon absorbaatio tapahtuu puolestaan p- ja n-kerrosten välisessä i-kerroksessa, kun taas kolmannen sukupolven kennojen toiminta ei oikeastaan perustu valosähköiseen ilmiöön vaan fotosynteesiin 6. Käytännön aurinkokennosovellukset koostuvat yhteen kytketyistä kennoista. Tällaisia usean kennon kokonaisuuksia kutsutaan moduuleiksi, ja ne ovat varsinaisesti kaupoissa myytäviä aurinkosähkösovelluksia. Aurinkosähköjärjestelmän on paitsi annettava mekaaninen tuki itse kennoille, myös kestettävä sään ja ilmaston rasitus sekä tarjottava sähköinen eristys. Moduulin kustannuksista jopa yli puolet muodostuu piikiekon materiaalikustannuksista, kennon ja moduulin valmistusprosessin muodostaessa loput kustannuksista 6. Aurinkokennon tehontuotantoa voidaan arvioida virta-jännitekäyrällä. Virta-jännitekäyrä edustaa kennon mahdollisia virran ja jännitteen arvoja. Tämä tarkoittaa sitä, että virta ja jännite saavat vain tiettyjä arvoja siten, että jotain virran arvoa vastaa tietty jännitteen arvo ja päinvastoin. Tällä käyrällä vallitsee tasapainotilanne kertyneiden varausten (jännite) ja purkautuvien varausten

12 (virta) välillä. Aurinkokenno saa maksimivirtansa silloin, kun sen yli oleva jännite on nolla. Tätä virran arvoa kutsutaan oikosulkuvirraksi ja sitä merkitään I SC. Vastaavasti aurinkokennon jännite saavuttaa maksimiarvonsa, kun siinä kulkeva virta menee nollaksi. Tätä jännitteen arvoa kutsutaan tyhjäkäyntijännitteeksi ja merkitään V OC. Aurinkokenno toimii koko ajan jossain pisteessä, jossa virran arvo on nollan ja oikosulkuvirran välillä ja jännitteen arvo nollan ja tyhjäkäyntijännitteen välillä. Aurinkokennon tuottama teho saadaan virran ja jännitteen tulona, ja tietyssä pisteessä teho saavuttaa suurimman mahdollisen arvonsa eli maksimitehon P max. Maksimitehopisteessä virran arvoa merkitään I m ja jännitteen arvoa V m. Aurinkokennon virta-jännite-käyrä on esitetty kuvassa 7. Aurinkokennon tyhjäkäyntijännite ja oikosulkuvirta on helposti mitattavissa, ja valmistajat ilmoittavatkin ne usein tuotetiedoissaan. Sitä, kuinka lähellä suurin tehon arvo P max on oikosulkuvirran ja tyhjäkäyntijännitteiden tulon arvoa, kuvaa niin sanottu täytekerroin. Täytekerroin kaupallisissa kennoissa on tyypillisesti luokkaa 0,7 0,8 1.

13 Kuva 7. Aurinkokennon virta-jännite-käyrä ja maksimitehopiste 1. Aurinkokenno siis tuottaa sähkötehoa, jonka arvo vaihtelee. Kuinka paljon aurinkokenno sitten tuottaa? Aurinkokennon tuotanto riippuu aiemmin mainituista tekijöistä. Se, mikä ilmoitetaan järjestelmän nimellistehoksi, riippuu paljon myös kytkettyjen paneelien pinta-alasta. Usein valmistajat käyttävät ilmaisuja maksimiteho tai huipputeho tarkoittaessaan nimellistehoa. Maksimiteho ilmaistaan usein watteina käyttäen yksikköä W p, jossa alaindeksi p tulee englannin kielen sanasta p, peak eli huippu. Suuremmalta pinta-alalta saadaan tietenkin enemmän tehoa. Myyjien ilmoittama nimellisteho mitataan ns. standardimittausolosuhteissa, jotta järjestelmistä saadaan yhtenäisempi kuva ja eri järjestelmien vertailu on helpompaa. Lisätietoa standardimittausolosuhteista

14 Kuva 9. 12 vuoden säteilyintensiteettikeskiarvoihin perustuva käyrä energiantuotannosta 1. Kuva 9 esittää selvästi, miten suuria energiantuotannon kuukausivaihtelut tyypillisesti voivat olla. Energiantuotannon vaihtelu vähenee arviointijakson pidentyessä, toisin sanoen, vuorokauden tuotannon vaihtelut voivat olla todella huomattavia (ja usein mahdottomia ennustaa), mutta tarkasteltaessa kuukausittaisia energiantuotantomääriä, vaihtelu on jo selvästi pienempää. Vuositasolla pystytään yleensä jo arvioimaan tuotantomääriä kohtuullisesti. Eteläisessä Suomessa saavutettavien energiamäärien voidaan arvioida olevan kilowattitunteina noin 700 800 x W p, huomioiden järjestelmän kaikki häviöt. Lisätietoa energiantuotannosta Energiamääriä arvioidessa törmätään usein käsitteeseen huipunkäyttöaika, joka yksinkertaisesti tarkoittaa sitä aikaa tunteina, jonka järjestelmän tulisi toimia huipputehollaan tuottaakseen vuosituotantoa vastaavan määrän energiaa. Vuodessa on tunteja 24 h/vrk x 365 vrk = 8760 h. Suuret ja kalliit voimalaitokset toimivat usein suuren ajan vuodesta, esimerkiksi ydinvoimaloita pyritään yleensä pitämään toiminnassa koko ajan, jolloin niiden huipunkäyttöaika on tyypillisesti yli 8000 h. Aurinkosähkön saatavuus on varsin kausiluontoista, ja tyypillinen huipunkäyttöaika on noin 800 h.

15 Erilaiset aurinkokennot Aurinkokennot jaetaan tekniikaltaan kolmeen sukupolveen: ensimmäisen, toisen ja kolmannen sukupolven aurinkokennoihin. Kullakin on omat erityispiirteensä sekä hieman toisistaan poikkeavat toimintatapansa. Valmistusmenetelmät poikkeavat toisistaan merkittävästi, samoin kustannukset, hyötysuhteet sekä ominaisuuksien pysyväisyys, kuten myös jotkut muut ominaisuudet. Ensimmäisen sukupolven aurinkokennot Ensimmäiseen sukupolveen lasketaan perinteiset puolijohteisiin, yleensä piihin, perustuvat yksi- ja monikidekennot. Nämä ovat myös markkinaosuudeltaan merkittävin ryhmä: noin 80 90 % saatavilla olevista kennoista on ensimmäisen sukupolven piikennoja. Etuna ovat tunnettu teknologia sekä suuret valmistusmäärät, kohtuullisen hyvät hyötysuhteet sekä stabiilius. Haittana ovat kalliihkot valmistuskustannukset johtuen suurista tarvittavista raaka-ainemääristä. Yksikiteisestä piistä valmistetut kennot voi tunnistaa jo ulkonäön perusteella, ne ovat muodoltaan kulmistaan pyöristettyjä neliöitä. Lisätietoa piikennojen valmistuksesta Toisen sukupolven aurinkokennot Toiseen sukupolveen lasketaan niin kutsutut ohutkalvokennot, joiden valmistusmenetelmä poikkeaa suuresti ensimmäisen sukupolven kennoista. Ohutkalvokennoja on mahdollista myös yhdistää muodostaen moniliitoskennoja, joiden hyötysuhde voidaan saada hyvinkin korkealle tasolle. Ohutkalvokennojen valmistaminen on myös huomattavasti edullisempaa kuin ensimmäisen sukupolven kennojen, mutta kennojen käyttöikä ei yleensä ole kovin pitkä. Ohutkalvokennoissa kalvomateriaalit sietävät epäpuhtauksia huomattavasti perinteisiä piikennoja paremmin, mikä vähentää valmistuskustannuksia merkittävästi. Ohutkalvokennojen liittäminen osaksi moduulia on lisäksi helpompaa, jolloin ohutkalvokennojen tuottama jännite on helppo suunnitella halutuksi ja käyttö monenlaisissa erikoissovelluksissa on luontevaa. Ohutkalvokennoilla on havaittu olevan myös pienempi tuotantokapasiteetin investointikustannus, minkä vuoksi niiden markkinaosuuksien uskotaan kasvavan voimakkaasti tulevina vuosina. Kasvava tuotantokapasiteetti puolestaan laskee tuotantohintaa edelleen, mikä yhdessä energian sääntelypolitiikan kanssa tulee kasvattamaan ohutkalvoteknologian kilpailukykyä entisestään. Lisätietoa amorfisesta piistä

16 Lisäksi on mahdollista muodostaa usean peräkkäin kytketyn p-i-n-rakenteen avulla kennoja, joilla on parempi hyötysuhde. Tällöin kyseessä ovat ns. moniliitoskennot. Yleensä pyritään siihen, että päällekkäiset kerrokset kykenevät absorboimaan valoa eri aallonpituuksilla, jolloin absorptiokaista kasvaa. Usein päällimmäisen rakenteen energia-aukko on suurin, jolloin se absorboi kaikkein lyhytaaltoisinta säteilyä. Koko kennorakenteen yhteenlaskettu tyhjäkäyntijännite saadaan kunkin yksittäisen päällekkäisen rakenteen tyhjäkäyntijännitteiden summana. Lisätietoa toisen sukupolven kennoista Lisäksi aktiivisen tutkimuksen kohteena ovat orgaanisiin materiaaleihin pohjautuvat ohutkalvokennot. Usein rakenteissa mukana on fullereenia jossain muodossa. Orgaanisten ohutkalvokennojen etuna on edullinen hinta sekä raaka-aineiden hyvä saatavuus. Myös niistä on mahdollista muodostaa monimutkaisempia, usean kerroksen rakenteita ja siten parantaa hyötysuhdetta. Kolmannen sukupolven aurinkokennot Kolmannen sukupolven kennot ovat nanotekniikkaan perustuvia väriainekennoja, joiden toiminta ei teknisesti perustu valosähköiseen ilmiöön, kuten edellisten sukupolvien kennojen. Hyötysuhteessa ne häviävät ensimmäisen sukupolven kennoille, mutta edulliset valmistuskustannukset tekevät niistä kustannustehokkaan vaihtoehdon. Väriaineaurinkokennoissa vapaiden varauksenkuljettajien syntyminen tapahtuu tiettyjen puolijohdepartikkelien pintaan kiinnittyneissä väriainemolekyyleissä. Valoa absorboidessaan ne synnyttävät puolijohdemateriaaliin vapaita elektroneja. Kyse on siis itse asiassa fotosynteesistä. Edulliset materiaalikustannukset, yksinkertaiset valmistusmenetelmät sekä kohtalaiset hyötysuhteet tekevät väriainekennoista kiinnostavan vaihtoehdon. Niidenkin valmistamiseen liittyy erilaisia haasteita. Lisätietoa väriaineaurinkokennoista Aurinkosähkösovellusten kehitys on keskeinen osa nykypäivän tieteellistä tutkimusta. Yleisesti voidaan sanoa, että kaikkiin teknologioihin liittyy sama tavoite: luoda kustannustehokas, käyttövarma sekä ekologinen tapa tuottaa sähköä. Tekniset innovaatiot, ymmärryksen lisääntyminen sekä mahdollinen massatuotanto tuovat erilaisia vaihtoehtoja osaltaan lähemmäs kaupan hyllyjä. Ehkä myös varsin merkittävässä osassa on energian, erityisesti sähkön hintakehitys. Kehityksen ennustaminen on vaikeaa, mutta valtaosa ennusteista povaa hinnan nousua laskun

17 sijaan. Kun ympäristötietoisuus lisääntyy, myös kiinnostus ekologiseen aurinkosähköteknologiaan kasvaa. Tähän liittyvät läheisesti myös mahdolliset ohjaustoimet valtion taholta, ilmenevät ne sitten tukina tai sanktioina. Aurinkolämpö Aurinkolämpöjärjestelmät ovat toiminnaltaan varsin yksinkertaisia ja luotettavia järjestelmiä. Auringon säteily lämmittää keräintä, esimerkiksi tyhjiöputkia, joiden lämpö siirtyy lämmönsiirtoon soveltuvaan nesteeseen tai kaasuun, joka siirretään rakennuksen lämpövarastoon, yleensä jonkinlaiseen varaajaan, jossa se luovuttaa lämpönsä varaajaan. Lämmönluovuttimena käytetään yleensä kampakierukkaa tai levylämmönvaihdinta. Varaajasta lämpö johdetaan tarpeen ja tapauksen mukaan käyttöön, esimerkiksi lämpimänä käyttövetenä tai nestekiertoa hyödyntävään lämmitykseen. Kuva 12. Aurinkolämpöjärjestelmän yleinen rakenne.

18 Aurinkolämpöjärjestelmän näkyvin ja tärkein osa on aurinkokeräin, oli se sitten tasokeräin, tyhjiöputkikeräin tai jokin muu. Keräimen rakenteella on suuri merkitys hyödyksi saatavan energian määrään, ja keräimen rakenteeseen kiinnitetäänkin luonnollisesti paljon huomiota ja tutkimustyötä tehdään. Parhaat markkinoilla olevat keräimet ovat materiaaliltaan sellaisia, että niiden keräinpinta absorboi jopa yli 95 % tulevasta auringonsäteilystä, jolloin vain pieni osa säteilystä heijastuu 3. Keräimen energiantuotto on keräimeen absorboituneen energian ja lämpöhäviöiden erotus. Keräimen hyötysuhde riippuu keräimen ja ympäristön välisestä lämpötilaerosta. Lisätietoa lämmöntuoton laskennasta Ehkä yleisin tapa asentaa aurinkokeräimet ovat niin sanotut kattoasennukset, joissa katolle asetetaan metalliset kiskot, joiden päälle keräimet sijoitetaan. Tällöin kannattaa pitää mielessä lumikuormat ja niiden mahdolliset haitat. Olosuhteista ja keräintyypistä riippuen lumenpuhdistus voi olla tarpeen, ja niin ollen kannattaa pitää huolta siitä, että se on helposti toteutettavissa. Kuva 13. Tyhjiöputkikeräinjärjestelmä katolle asennettuna 13.

19 Tulee kuitenkin muistaa, että aurinkolämpöjärjestelmään kuuluu muitakin tärkeitä osia. Aurinkolämpöjärjestelmän sanotaan usein muodostuvan neljästä osakokonaisuudesta: keräimistä, putkistosta, pumppuyksiköstä ja ohjausjärjestelmästä. Keräinten kustannus on yleensä melko suoraan verrannollinen niiden pinta-alaan 4. Keräin kannattaa valita huolellisesti tarpeen mukaan. Jos energiaa halutaan hyödyntää paljon, kannattaa laadukkaaseen keräimeen panostaa. Usein pitkä takuu on hyvä merkki hyvästä laadusta. Kannattaa pitää mielessä, että laadukas keräin on varsin pitkäaikainen investointi ja kestänee käytössä 20 40 vuotta. Kuva 14. Tyhjiöputkikeräimiä läheltä 13. Putkilinjan kustannuksiin vaikuttaa yleensä ennemmin putkilinjan pituus kuin keräinten pinta-ala. Pituuden ei yleensä suositella ylittävän 20 metriä, lyhyemmät putkivedot tarkoittavat aina

20 vähemmän häviöitä, jolloin energiaa saadaan enemmän talteen. Putket ovat yleensä kuparia, joka kestää hyvin lämpötilojen vaihtelut, jotka voivat olla erittäin suuria. Lisätietoa putkista Pumppuyksikön voi ostaa valmiina tai koota itse tarvikkeista. Pientalojärjestelmissä pumppuyksikön kustannukset pysyvät käytännössä samoina keräinpinta-alan ollessa 5 15 m 2. Lisätietoa pumpuista Aurinkolämpöjärjestelmä toimii parhaiten, kun siinä on mukana lämpövarasto, jona yleensä toimii vesivaraaja. Varaaja tulisi mitoittaa käyttötarpeen mukaan, jolloin järjestelmä toimii parhaiten. Mahdollista on hyödyntää olemassa olevaa varaajaa, jos sellainen jo on. Aurinkolämpö yhdistetään varaajaan joko valmiin ylimääräisen kierukan tai erillisen levylämmönvaihtimen kautta. Lisätietoa varaajasta Aurinkolämpöjärjestelmän ohjaamiseen tarvitaan säätöyksikkö. Säätöyksikköjen hinnat vaihtelevat paljon riippuen niiden sisältämästä tekniikasta ( älyn määrästä ). Tässäkin tapauksissa kannattaa huolellisesti miettiä omaa tarvettaan ja valita sitä mahdollisimman hyvin vastaava säätöyksikkö. Lisätietoa säätöyksiköstä Tyypillisen omakotitalon energiankulutuksesta noin puolet aiheutuu rakennuksen lämmitystarpeesta, vajaa kolmannes taloussähköstä ja vajaa neljännes lämpimän käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta energiasta. Aurinkolämmöllä katetaan usein osa käyttöveden lämmityksestä, mutta nestekiertoisten lämmitysjärjestelmien yhteydessä aurinkoenergialla voidaan kattaa myös osa lämmitystarpeesta. Märkätiloja voidaan lämmittää aurinkolämmöllä, koska niitä yleensä lämmitetään myös kesäisin. Aurinkolämpöä on mahdollista hyödyntää myös esimerkiksi vain käyttöveden esilämmityksessä tai kesäaikaan jäähdytyksessä. Järjestelmän ominaistuotto pientaloissa (joka on siis eri asia kuin keräimen ominaistuotto) on noin 200 500 kwh/m 2 vuodessa. Tärkein lähtökohta suunniteltaessa aurinkolämmön hyödyntämistä on käyttötarpeen mukainen suunnittelu. Käytettäessä aurinkolämpöä vain lämpimän käyttöveden lämmittämiseen mitoitus tehdään usein siten, että vuoden kokonaistarpeesta järjestelmä tuottaa 30 70 %. Lämpimän käyttöveden tarve pysyy yleensä melko vakiona vuoden ympäri. Lisätieto mitoituksesta