ERIKA KAITARANTA AURINKOKENNON JA KERÄIMEN YHDISTÄMINEN ENERGIANTUOTON KASVATTAMISEKSI Kandidaatintyö Tarkastaja: Aki Korpela
II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma KAITARANTA, ERIKA: Aurinkokennon ja keräimen yhdistäminen energiantuotannon kasvattamiseksi Kandidaatintyö, 18 sivua, 0 liitesivua 23.5.2008 Pääaine: Vaihtoehtoiset sähköenergiateknologiat Tarkastaja: Aki Korpela Avainsanat: Aurinkopaneeli, Aurinkokeräin Tässä työssä tutkitaan aurinkopaneelin ja aurinkokeräimen toimintaa Suomessa. Lisäksi pohditaan, olisiko järkevää valmistaa paneeleja, joissa on yhdistetty rakenteellisesti aurinkokenno ja keräin niin, että yhdellä järjestelmällä voitaisiin tuottaa lähinnä kesäisin osa kotitalouksien tarvitsemasta sähkö- ja lämpöenergiasta. Työssä tarkastellun aurinkopaneelin aineisto on saatu Jukka Kitusen diplomityöstä, jonka mittaukset perustuvat Kyocera KC125G-1 -aurinkopaneeliin, joka sijaitsee Tampereella. Aurinkokeräimen data on saatu Jyväskylän yliopiston Uusiutuvan energian koulutus- ja tutkimusohjelman puitteissa Vaajakoskelle vuoden 2004 alusta rakennetusta aurinkokeräinjärjestelmästä. Siellä tuotetusta datasta on ollut tässä työssä käytössä mittaustuloksia Wagner LB HT-AR 7,6 -tyyppiseltä tasokeräimeltä. Vesijäähdytteisen yhdistelmäpaneelin käyttömahdollisuuksia Suomessa on tutkittu aurinkopaneelin lämpötiloista saatujen tietojen ja yhdistelmäpaneelista tehtyjen aiempien tutkimusten avulla. Tuloksiksi saatiin, että aurinkokeräimeltä saatava lämpöenergia on vuodessa noin 290 kwh/m 2 ja vastaavasti aurinkopaneelilta saadaan noin 117 kwh sähköä neliömetriä kohden. Suurin osa tästä energiasta saatiin maaliskuun ja syyskuun välisenä aikaan, jolloin aurinko paistaa eniten. Kitusen työn pohjalta saatiin selville, että aurinkopaneelin toimintalämpötila jää Suomessa melko alhaiseksi, joten täällä vesijäähdytteinen yhdistelmäpaneeli ei todennäköisesti toimisi kovin tehokkaasti. Tulosten perusteella voidaan kuitenkin todeta, että Suomessa saadaan kesäaikaan aurinkopaneelilla ja -keräimellä tuotettua hyvin energiaa ja ne soveltuvat tänne yhtä hyvin kuin Keski-Eurooppaankin. Suurin potentiaali niillä on kesämökeillä, koska niitä voidaan käyttää itsenäisinä yksikköinä ilman sähköverkkoon liittymistä tuottamaan sähköä ja lämmintä käyttövettä. Kesämökeillä niiden potentiaalia lisää se, että energiankulutus on suurinta juuri silloin, kun energiaa on runsaasti tarjolla.
III ALKUSANAT Haluaisin kiittää työni ohjaajaa Aki Korpelaa avusta työni kanssa. Jouko Korppi- Tommolalle ja Jussi Maunukselle kiitos aurinkokeräimen mittausdatasta sekä muista tiedoista keräimeen liittyen. Kiitos myös opponoijalleni Pilvi Pirkoselle rakentavasta palautteesta. Lisäksi haluaisin kiittää perhettäni ja ystäviäni, jotka ovat kannustaneet minua tämän työn teossa. 23. toukokuuta 2008 Erika Kaitaranta
IV SISÄLLYS Tiivistelmä... II Alkusanat... III Symbolit ja termit... V 1. Johdanto...VI 2. Teoreettinen tausta... 2 2.1. Aurinkopaneeli... 2 2.1.1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne... 2 2.1.2. Lämpötilan vaikutus aurinkopaneeliin... 3 2.2. Aurinkokeräin... 4 2.2.1. Aurinkokeräimen rakenne ja toimintaperiaate... 4 2.2.2. Tasokeräin... 5 2.3. Yhdistelmäpaneeli... 6 3. Tutkimusmenetelmät ja aineisto... 8 4. Tulokset ja niiden tarkastelu... 9 4.1. Aurinkopaneelin energiantuotanto... 9 4.2. Aurinkokeräimen tuotanto... 11 4.3. Yhdistelmäpaneelin tuotanto... 13 4.4. Yhdistämisen hyödyt ja ongelmat... 14 5. Johtopäätökset... 15 Lähteet... 17
5 SYMBOLIT JA TERMIT A A abs G ISC P max p Q 1 Q 2 q k q ka q p VOC η Yhdistelmäpaneeli Aurinkopaneelin pinta-ala Aurinkokeräimen absorptiopinta-ala Valon säteilytehotiheys Aurinkopaneelin oikosulkuvirta Sähköteho maksimitehopisteessä Päiviä kuukaudessa Lämmöntuotannon kertymä päivän alussa Lämmöntuotannon kertymä päivän lopussa Energiantuotanto kuukauden aikana Kuukauden keskimääräinen päivittäinen energiantuotto Päivän aikainen energiantuotto Aurinkopaneelin tyhjäkäyntijännite Hyötysuhde Järjestelmä, jossa tuotetaan sekä sähköä että lämpöä aurinkoenergiasta.
6 1. JOHDANTO Tämä työ käsittelee aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksia ja mahdollista energiantuotannon parantamista Suomessa. Lisäksi pohditaan, olisiko järkevää valmistaa paneeleja, joissa on yhdistetty rakenteellisesti aurinkokenno ja keräin niin, että yhdellä järjestelmällä voitaisiin tuottaa osa kotitalouksien tarvitsemasta sähkö- ja lämpöenergiasta. Aurinkoenergian hyödyntäminen on tärkeä ja ajankohtainen aihe, koska Eurooppaneuvosto hyväksyi keväällä 2007 ilmastopoliittiset tavoitteet. Keskeisenä tavoitteena on vähentää kasvihuonekaasujen päästöjä. Tämän ohella tavoitteena on lisätä uusiutuvien energialähteiden osuus keskimäärin 20 %:iin EU:n energian loppukulutuksesta, mikä tarkoittaa Suomen kohdalla 38 % osuutta loppukulutuksesta, kun se nykyisellään on 28 %. Myös energiatehokkuutta pyritään parantamaan. Tavoitteiden on tarkoitus toteutua vuoteen 2020 mennessä.[1] Lisäksi kiinnostusta aurinkoenergian käyttömahdollisuuksia kohtaan on lisännyt jatkuvasti kallistuva polttoaineen hinta. Aurinkoenergia on myös Suomessa varteen otettava uusiutuvan energianmuoto, vaikka täällä aurinkoenergiaa ei saadakaan talvikuukausina. Sillä pitkistä kesäpäivistämme johtuen täällä saadaan yhtä paljon aurinkoenergiaa kuin Keski-Euroopassa.[2] Tämän takia aurinkoenergian hyödyntäminen sähkön ja lämmön tuotannossa on myös täällä hyvä vaihtoehto. Tällä hetkellä aurinkoenergialla tuotettu sähkö on vielä kallista (n.0,6-0,8 /kwh), mutta aurinkolämpö on jo erittäin kilpailukykyistä noin 0,1 /kwh, mikä on vain hieman kalliimpaa kuin öljyllä tai sähköllä tuotettu lämpö [3]. Työn aiheenkäsittely aloitetaan kertomalla tarkemmin aurinkokennon ja keräimen rakenteesta ja toiminnasta. Tämän jälkeen kerrotaan yhdistelmäpaneelista, jonka tarkoitus on tuottaa sähköä ja lämpöä. Tämän jälkeen siirrytään tarkastelemaan aurinkopaneelin ja -keräimen vuosituottoja kahden esimerkkijärjestelmän kautta. Ensimmäinen niistä on aurinkopaneeli Kyocera KC125G-1, jota on tutkittu Tampereen teknillisellä yliopistolla ja josta on tehty diplomityö[4]. Toinen esimerkki järjestelmä on Jyväskylän yliopiston Uusiutuvan energian koulutus- ja tutkimusohjelman Viitasaaren ABC:lle toteuttama aurinkokeräinjärjestelmä, jonka tasokeräimen mittausdataa on tätä työtä varten saatu käyttöön. Työn lopuksi pohditaan aurinkopaneelin lämpötilan ja sen laskemismahdollisuuden kautta vesijäähdytteisen yhdistelmäpaneelin soveltuvuutta Suomen olosuhteisiin.
2 2 2. TEOREETTINEN TAUSTA Tässä luvussa kerrotaan ensin aurinkopaneelin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta sekä lämpötilan vaikutuksista aurinkopaneeliin. Tämän jälkeen käydään läpi aurinkokeräimen toimintaperiaatetta ja rakennetta ja lisäksi syvennytään tarkemmin yleisimpään aurinkokeräimeen eli tasokeräimeen. Lopuksi kerrotaan vielä yhdistelmäpaneelista, jossa yhdistyvät molemmat aiemmin esitellyt osat aurinkopaneeli ja aurinkokeräin. 2.1. Aurinkopaneeli 2.1.1. Aurinkopaneelin toimintaperiaate ja rakenne Aurinkopaneeli koostuu useista aurinkokennoista. Tavallisin kennoissa käytetty puolijohdemateriaali on pii. Kun piihin lisätään epäpuhtausatomeja, niin siitä saadaan muodostettua n-tyypin puolijohdetta, jossa on ylimääräisiä elektroneja ja p-tyypin puolijohdetta, josta puuttuu elektroneja. Kun nämä erilailla varautuneet materiaalit yhdistetään, niin saadaan aikaan pn-liitos. Aurinkokenno onkin itse asiassa suuren pinta-alan omaava pn-liitos. Valaisematon aurinkokenno muistuttaa toiminnaltaan tavallista pn-diodia.[4] Kun aurinkokenno valaistaan, niin valo sitoutuu liitokseen niin, että sen energia siirtyy materiaalien elektroneihin luoden vapaita varauksenkuljettajia. Kiinteässä puolijohdemateriaalissa nämä varauksenkuljettajat ovat elektroni-aukkopareja. Pn-liitoksessa varauksenkuljettajat aiheuttavat potentiaalieron, joka aiheuttaa virran ulkoiseen piiriin. Kuitenkaan kaikki säteily ei irrota elektroneja tai elektronit palaavat takaisin alemmalle energiatasolleen, jolloin vapautuu lämpöä.[5] Kenno siis toimii kuten diodi, mutta valo saa siinä aikaan virran, joka on tavalliseen diodiin verrattuna estosuuntainen.[4] Aurinkopaneelin hyötysuhde η on paneelista saadun sähkötehon ja sen pinnalle osuvan kokonaissäteilytehon suhde: η = P max / (GA), (2.1) jossa P max on sähköteho maksimitehopisteessä, G valon säteilytehotiheys ja A paneelin pinta-ala.[4] Kuvassa 2.1 on aurinkokennon periaatteellinen rakenne. Liitoksen molemmilla puolilla on pinnassa metalliset kontaktorit, joilla kerätään syntynyt virta. Kontaktoreiden määrä on tarkoin optimoitava, sillä niiden suuri määrä pienentää keruuhäviöitä, mutta toisaalta varjostaa kennoa, jolloin virtaa syntyy vähemmän. Keruuhäviöillä kuvataan sitä, kuinka
2. Teoreettinen tausta 3 suuri osa aurinkokennossa syntyneistä varauksenkuljettajista saavuttaa kontaktorit. Kennon etupuolella tämän kerroksen päällä on heijastamaton pinta, jonka tavoitteena on vähentää valon heijastumista kennolta ja parantaa hyötysuhdetta. Päällimmäisenä on katelasi, jonka tarkoitus on suojata kennoa. [5] Kuva 2.1 Aurinkokennon rakenne. [5] 2.1.2. Lämpötilan vaikutus aurinkopaneeliin Koska aurinkopaneeli voidaan rakenteensa puolesta käsittää puolijohteeksi, niin tästä seuraa, että sen toiminta on samalla tapaa riippuvainen lämpötilasta. Lämpötila vaikuttaa elektronien siirtymiseen valenssivyöltä johtavuusvyölle niin, että niiden välinen energia-aukko kapenee hieman lämpötilan noustessa ja laajenee lämpötilan laskiessa. Tästä johtuen saturaatiovirta lähes kaksinkertaistuu jokaista viiden asteen lämpötilan nousua kohden. Saturaatiovirta on pääasialliseen virtaan nähden vastakkaissuuntainen vähemmistövarauksen kuljettajista muodostuva virta, joka riippuu lämpötilasta. Tärkein lämpötilasta johtuva muutos aurinkopaneeleilla on tyhjäkäyntijännitteen pieneneminen lämpötilan kasvaessa. Tämä tarkoittaa piikennolla noin -2,3 mv/k muutosta lämpötilan noustessa. Tyhjäkäyntijännitteen mukana myös siitä riippuvainen täytekerroin muuttuu. Täytekertoimella kuvataan virta-jännite-käyrän suorakulmaisuutta. Lämpötilan nousu nostaa hieman oikosulkuvirtaa, koska lämpötilan kasvaessa tarvitaan yhä vähemmän energiaa elektroni-aukkoparien synnyttämiseen.[4, s.14-15] Kuitenkin kennon tuottamalla sähköteholla mitattuna lämpötilan nousulla on negatiivinen vaikutus, koska kennon maksimitehopiste siirtyy lämpötilan nousun
2. Teoreettinen tausta 4 seurauksena pienemmille jännitteille. Tällöin myös kennosta saatava teho pienenee. Voidaankin sanoa, että aurinkokenno toimii parhaiten, kun lämpötila on verrattain matala ja säteilytehotiheys on korkea.[4, s.15] 2.2. Aurinkokeräin 2.2.1. Aurinkokeräimen rakenne ja toimintaperiaate Aurinkokeräimen tehtävä on muuttaa auringon säteily hyödynnettäväksi lämmöksi. Keräin toimii siten, että auringon säteily tulee ensin yleensä keräimen päällä olevan lasin tai muovin läpi. Tämä ensimmäinen kerros toimii samalla tapaa ikkunan kanssa eli auringon lyhytaaltoinen lämpösäteily läpäisee katteen helposti, mutta sen lämmittämän kappaleen lähettämä pitkäaaltoinen lämpösäteily ei enää pääse poistumaan samaa tietä. Tämän kerroksen alla on lämpöä itseensä sitova musta pinta eli absorptiokerros, johon auringon säteily sitoutuu. Seuraavassa vaiheessa sidottu lämpö siirretään pois keräimestä. Tämä lämmönsiirto tapahtuu keräimessä kiertävän nesteen tai kaasun avulla, johon lämpö sitoutuu, kun neste tai kaasu on keräimen lämpötilaa alhaisempi. Tämä jäähdyttävä aine voi olla esimerkiksi vettä, ilmaa tai jotain jäätymätöntä nestettä.[6] Kuitenkaan keräin ei ole häviötön. Häviöitä aiheuttaa se, että keräin alkaa luovuttaa lämpöään ympäristöön, ollessaan sitä lämpimämpi, säteilemällä ja johtumalla.[6] Osa säteilystä myös heijastuu pois keräintä peittävältä lasilta.[5] Kuvassa 2.2 on esitetty aurinkolämpöjärjestelmään kuuluvat osat. Aurinkokeräimen (1) lisäksi aurinkolämpöjärjestelmään kuuluvat tärkeinä komponentteina varaaja, pumppuyksikkö, putkisto, lämmönvaihdin ja säätöyksikkö. Kun energia on keräimellä sidottu siellä kiertävään nesteeseen, niin se siirretään putkistoa pitkin lämpövaraajaan (3), jossa se luovuttaa lämpönsä lämmönvaihtimen (4) kautta veteen. Tämän jälkeen jäähtynyt neste kierrätetään pumpun avulla takaisin aurinkokeräimelle. Pumppu ei kuitenkaan toimi koko ajan vaan lämpötilaeroa mittaava säätöyksikkö (7) käynnistää sen, kun aurinkokeräimen lämpötila on korkeampi kuin lämpövaraajan lämpötila. Koska nestetilavuus muuttuu lämpötilan mukana, niin täytyy tätä muutosta kompensoida paisunta-astian (9) avulla.[2] Koska vesi varastoi hyvin lämpöä, niin käytön ollessa pientä lämpövaraajan lämpötila pysyy korkeana, mistä seuraa, ettei aurinkokeräin ei aina pysty hyödyntämään kaikkea tarjolla olevaa energiaa. Toisaalta systeemi aiheuttaa sen, että energiaa varastoidaan automaattisesti käyttöä varten.
2. Teoreettinen tausta 5 Kuva 2.2 Aurinkolämpöjärjestelmä [2]. 2.2.2. Tasokeräin Tasokeräin on yleisin keräintyyppi, koska se on taloudellinen ja pystyy toimimaan aina 100 C asti.[7] Kuvassa 2.2 on esitetty tasokeräimen rakenne ja osat. Rungon ja katteen tehtävänä on suojata absorptiolevyä ja eristekerrosta muun muassa kostumiselta. Runko on yleensä alumiinia. Kate toimii myös keräimen lämpöeristeenä, koska se läpäisee hyvin auringon lyhytaaltoista säteilyä ja heijastaa pitkäaaltoisen lämpösäteilyn takaisin keräimen sisään. Katemateriaali on lasia tai muovia. Muovin ongelmana on kuitenkin sen huono lämmöneristävyys ja suurempi lämpölaajenemiskerroin, joka voi aiheuttaa rakenteellisia ongelmia. Eristekerros sijaitsee absorptiolevyn alla ja on materiaaliltaan puhallusvillaa, lasivillaa tai polyuretaania. Lämmönsiirto keräimestä tapahtuu absorptiolevyyn kiinnitetyssä putkistossa tai kanavissa levyn sisällä. Lämmönsiirtonesteenä käytetään yleensä joko vettä tai vesi-glykoliseosta.[8, s.42-43]
2. Teoreettinen tausta 6 2.3. Yhdistelmäpaneeli Kuva 2.3 Tasokeräimen rakenne[9] Lähtökohtana yhdistelmäpaneeleiden kehittelyssä on se, että aurinkopaneelin hyötysuhde alenee, kun paneelin lämpötila nousee. Aurinkopaneeleita voidaan jäähdyttää kierrättämällä viileämpää fluidia, yleensä vettä tai ilmaa, paneelin ylä- tai alapinnoilla tai kummallakin näistä.[10] Yhdistelmäpaneelit voidaan jakaa kahteen eri ryhmään sen perusteella, miten niitä jäähdytetään. Ensimmäiseen ryhmään kuuluvat vesijäähdytteiset paneelit ja toiseen ilmajäähdytteiset paneelit. Vesijäähdytteisissä paneeleissa käytetään vettä lämmönsiirtonesteenä. Yleisin rakenne on aurinkopaneelin ja keräimen yhdistelmä, jossa kennot on liitetty suoraan absorptiopintaan, jonka sisällä kulkevat lämpöputket, joiden avulla hukkalämpö kerätään pois. Vettä voidaan kierrättää joko pumpulla tai antaa sen kiertää vapaakierrolla. Kuvassa 2.4 on esitetty rakenteeltaan melko kuvaava vesijäähdytteinen yhdistelmäpaneeli. [11] Vesijäähdytteisissä yhdistelmäpaneeleissa aurinkopaneeli ja keräin muodostavat yhdessä sekä lämpö- että sähköenergiaa tuottavan järjestelmän. Nämä tyydyttävät lähinnä kotitalouskuluttajan tarvetta, sillä yhdistelmäpaneeleissa keräimet voivat tuottaa vain matalalämpöistä energiaa. Tämä johtuu siitä, että muutoin aurinkopaneelia vastaavan osan hyötysuhde alenisi. Järjestelmän hyötysuhde on parempi, koska auringon säteilyteho saadaan talteen paljon suuremmalta osalta kuin pelkästään aurinkopaneelia tai keräintä käyttämällä, sillä aurinkopaneeli toimii pääasiassa näkyvän valon aallonpituuksilla ja aurinkokeräin taas toimii infrapuna-alueen aallonpituuksilla.[10] Toiseen ryhmään kuuluvat ilmajäähdytteiset paneelit, joiden rakenne on sellainen, että ilma pääsee kiertämään, joko paneelin alta tai paneelin ja suojalasin välistä. Ilma voi joko kulkea vapaasti tai sitä voidaan kierrättää pumpulla. Pääasiallisesti kaupalliset
2. Teoreettinen tausta 7 sovellukset ovat juuri ilmajäähdytteisiä, johtuen vesijäähdytteisten paneelien ongelmista pitkäaikaisessa käytössä. Ilma ei kuitenkaan ole hyvä lämmön kuljetin pienen tiheytensä takia.[11] Tällä hetkellä tutkimus on kuitenkin voimakkaasti painottunut juuri ilmajäähdytteisiin paneeleihin. Kuva 2.4 Vesijäähdytteinen yhdistelmäpaneeli.[11]
8 8 3. TUTKIMUSMENETELMÄT JA AINEISTO Tutkimusaineistona on aurinkopaneelin datan osalta käytetty tietoja Jukka Kitusen diplomityöstä [4], jonka mittaukset perustuvat Kyocera KC125G-1 -aurinkopaneeliin, joka sijaitsee Hervannassa Tampereella. Aurinkokeräimen data on saatu Jyväskylän yliopiston Uusiutuvan energian koulutus- ja tutkimusohjelman puitteissa Vaajakoskelle vuoden 2004 alusta rakennetusta aurinkokeräinjärjestelmästä. Siellä tuotetusta datasta on ollut tässä työssä käytössä mittaustuloksia Wagner LB HT-AR 7,6 -tyyppiseltä tasokeräimeltä ajalta 1.5.2005-31.12.2007. Mittaukset on suoritettu järjestelmästä minuutin välein. Aurinkokeräin järjestelmä sijaitsee Viitasaaren ABC:llä ja sen koordinaatit ovat 63,07 P ja 25,86 I. Järjestelmä koostuu viidestä etelään päin suunnatusta tasokeräimestä, joiden yhteenlaskettu pinta-ala on 38 m 2 ja niiden kallistuskulma on 35. Koska järjestelmän toiminnassa on ollut katkoksia asennus- ja korjaustöiden takia, niin työssä on keskitytty laskemaan keskimääräisiä tuottoja vuoden eri kuukausille. Lisäksi on laskettu vuosituotto vuodelle 2006, jolloin keskeytyksiä on ollut vain vähän. Tutkimusaineiston avulla on lisäksi pyritty määrittämään yhdistelmäpaneelin mahdollisuuksia Suomen olosuhteissa. On olemassa myös valmiita teoreettisia malleja tämän laskemiseksi, kuten Bergenen ja Løvvikin laskentamalli tasokeräimen ja aurinkokennojen yhdistelmäpaneelille [12]. Tämä tarkastelu on kuitenkin jo hyvin vaativaa, mistä johtuen tarkastelussa on keskitytty aurinkopaneelin tuoton muutoksiin sen lämpötilan laskiessa.
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 9 4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU Tässä luvussa tarkastellaan aurinkopaneelin ja keräimen energiantuottoa ja sen jakautumista vuodelle. Lisäksi pohditaan vesijäähdytteisen yhdistelmäpaneelin soveltuvuutta Suomeen aurinkopaneelin lämpötilatietojen avulla. Lopuksi on pohdittu mitä hyötyä ja haittaa on yhdistää aurinkokenno ja keräin yhdeksi sovellukseksi. 4.1. Aurinkopaneelin energiantuotanto Aurinkopaneelin kuvaajat on saatu Kitusen diplomityöstä [4]. Kuvaajat on esitetty tarkastellulle paneelille, jonka pinta-ala on 0,93 m 2, josta tehollista pinta-alaa on 0,74 m 2. Sen nimellisteho on 125 W. Paneeli sijaitsee Tampereella ja mittaukset on tehty marraskuun 2006 ja lokakuun 2007 välisenä aikana. Kuvasta 4.1 nähdään, että suurin osa energiasta saadaan kesäkuukausien aikana ja 93 % koko vuoden energiasta saadaan maaliskuun ja syyskuun välisenä aikana. Kuva 4.1 Aurinkopaneelin energiantuotto vuorokaudessa kuukausittain[4]. Kuvassa 4.2 on esitetty aurinkopaneelin sähkötehon riippuvuus auringon säteilytehotiheydestä ja paneelin lämpötilasta. Sähköteho riippuu voimakkaasti säteilytehotiheydestä. Kuitenkin kuten kuvasta 4.2 nähdään myös lämpötila vaikuttaa
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 10 niin, että matalammassa lämpötilassa paneeli tuottaa enemmän sähköä. Kuvaajassa esitetyt lämpötilat ovat realistisia, sillä suurin paneelilla mitattu lämpötila oli 60 C ja matalin -30 C [4]. Tämän kyseisen paneelin kohdalla lämpötilariippuvuus on määritelty siten, että säteilytehotiheyden ollessa 1000W/m2 saadaan lausekkeiksi tyhjäkäyntijännitteelle VOC ja oikosulkuvirralle ISC:[13] VOC(T) = 21,7V 84,2mV/ C * (T 25 C) (4.1) ISC(T) = 8,00A + 8,60 ma/ C * (T 25 C) (4.2) jossa T on aurinkopaneelin lämpötila. Kuva 4.2 Aurinkopaneelin tuottaman sähkötehon riippuvuus säteilytehotiheydestä ja lämpötilasta.[4] Koska lämpötilan noustessa sähköteho pienenee, niin myös paneelin hyötysuhde pienenee talven 16 %:sta kesän 12 %:iin. Kuitenkin myös muut tekijät kuten kesän säätila ja vuodesta riippuva energiantuotannon vaihtelu vaikuttavat energiantuotantoon. Lisäksi vaikutuksensa on paneelin sijoituspaikalla esimerkiksi onko lähellä taloja tai puita, joista aiheutuisi varjostusta. Myös se onko paneeli auringon mukaan kääntyvä vai kiinteä on merkityksellinen asia. Tarkasteltava paneeli on suunnattu kiinteästi etelää kohti, mikä aiheuttaa sen, että sähköteho nousee puoleen päivään asti ja alkaa sen jälkeen laskea. [4]
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 11 4.2. Aurinkokeräimen tuotanto Tässä aliluvussa on tarkasteltu aurinkokeräimeltä saatavan lämpöenergian määrää ja tuoton jakautumista eri kuukausille. Aurinkokeräimen mittausdata on mitattu Viitasaaren ABC:llä, joka sijaitsee Keski-Suomen maakunnassa. Mittauskohde toimii lähes sataprosenttisesti uusiutuvalla energialla. Päivittäinen energiantuotanto neliömetriä kohti saadaan kaavalla: q p = ( Q 2 Q 1 ) / A abs, ( 4.3 ) jossa Q 1 on lämmöntuotannon kertymä päivän alussa, Q 2 on lämmöntuotannon kertymä päivän lopussa ja A abs on absorptiopinta-ala. Energiantuotanto kuukauden aikana saadaan laskemalla yhteen päivittäiset energiantuotot: q k = q p (4.4) Kuukauden keskimääräinen päivittäinen energiantuotto on q ka = q k / p, (4.5) jossa p on päiviä kuukaudessa Edellä esitettyjä kaavoja hyväksi käyttäen pystyttiin mittausdatan pohjalta laskemaan kuvassa 4.3 esitetty päivittäinen tuotto, taulukossa 4.1 esitetty energiantuotannon jakautuminen eri kuukausille ja vuonna 2006 aurinkokeräimellä tuotettu lämpöenergia. Laskuissa on käytetty absorptiopinta-alana 38 m 2. Kuvassa 4.3 esitetty päivittäinen tuotto on laskettu välillä toukokuu 2005 ja joulukuu 2007 olleista päivistä, jolloin mittauksissa ei ollut päivän aikana keskeytystä. Edellä mainittu kuva ja taulukko 4.1 on haluttu esittää tässä muodossa, sillä näin on pystytty helposti vertaamaan tuloksia aurinkopaneelin tuloksiin.
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 12 Päivittäisen energiantuoton keskiarvot neliötä kohti Vuorokauden energiantuoton keskiarvo (kwh/m^2) 2,5 2 1,5 1 0,5 0 tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu Kuukausi kuva 4.3 Päivittäiset energiantuoton keskiarvot neliömetriä kohden aurinkokeräimellä. Taulukosta 4.1 nähdään, että aurinkokeräimen pääasiallinen lämmöntuotto sijoittuu aikavälille huhtikuusta elokuuhun. Tästä voidaan todeta sama kuin, mikä Aurinkolämmön itserakennusoppaassa [2], että aurinkolämpö soveltuu hyvin käyttöveden lämmittämiseen, mutta huonosti rakennusten lämmittämiseen. Tämä johtuu siitä, että käyttöveden lämmittämisen tarve on koko vuoden ajan suunnilleen sama, kun taas rakennusten lämmittäminen ajoittuu pääasiassa kylmiin talvikuukausiin, jolloin aurinkolämpöä ei saada. Kuukausi osuus (%) tammikuu 0 % helmikuu 0,53 % maaliskuu 3,15 % huhtikuu 11,90 % toukokuu 15,53 % kesäkuu 21,25 % heinäkuu 22,84 % elokuu 16,69 % syyskuu 7,04 % lokakuu 1,05 % marraskuu 0,02 % joulukuu 0,00 % Taulukko 4.1 Energiantuotannon jakautuminen eri kuukausille.
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 13 Kuvassa 4.4 esitetty vuosituotanto on haluttu esittää nimenomaan vuodelle 2006, eikä yleisesti, sillä vuoden 2006 mittaustuloksissa keskeytyksiä on muihin vuosiin verrattuna vähän ja tuloksia voidaan pitää luotettavampina. Tulokseen vaikuttavat merkittävät keskeytykset ovat yhteensä kymmenen päivän keskeytys maaliskuussa ja viiden päivän keskeytys heinäkuussa. Joulukuussa 2006 järjestelmä ei ole käytännössä toiminut ollenkaan, mutta toisaalta muiden vuosien tarkastelun kautta voidaan olettaa joulukuun tuotoksi 0 Wh. Näistä keskeytyksistä johtuen voidaan olettaa maaliskuun ja heinäkuun energiantuotannon olleen esitettyä korkeammat. Vuonna 2006 vuosituotoksi neliömetriä kohti saadaan 266kWh. Käyttämällä kuvassa 4.3 esitettyjä arvoja saadaan vuosituotoksi 290 kwh/m 2. Näiden tulosten suuri ero selittyy suurimmilta osin vuoden 2006 mittauksista puuttuvilla päivillä. Kuukausituotto vuonna 2006 neliötä kohden energiaa kuukaudessa (kwh) 70 60 50 40 30 20 10 0 tammikuu helmikuu maaliskuu huhtikuu toukokuu kesäkuu heinäkuu elokuu syyskuu lokakuu marraskuu joulukuu kuukausi Kuva 4.4 Energiantuotto neliömetriä kohden eri kuukausina vuonna 2006. 4.3. Yhdistelmäpaneelin tuotanto Kuvaa 4.2 katsoessa nähdään, että aurinkopaneelin sähkön tuottoa voitaisiin kasvattaa laskemalla paneelin lämpötilaa, sillä lämpötilan kohoaminen huonontaa paneelin hyötysuhdetta. Kitusen diplomityön [4] avulla on laskettu, kuinka paljon suunnilleen kesäkuukausina voitaisiin saada lisää energiaa aurinkopaneelista, jos sitä pystyttäisiin jäähdyttämään yhdistelmäpaneelin aurinkokeräin osalla. Tulokset on esitetty taulukossa 4.2 kuukausittain tietyn suuruista paneelin keskilämpötilan alenemaa kohden. Tulokset eivät ole kovin tarkkoja, mutta niistä nähdään suuntaa antavia lukuja. Taulukosta nähdään, että jos halutaan saada merkittäviä sähkötehon lisäyksiä, niin täytyy paneelia jäähdyttää melko paljon. Toisaalta Kitunen on työssään todennut, että paneelin
4. TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU 14 lämpötila oli aina keskimäärin matalampi kuin valmistajan ilmoittama normaali operointilämpötila, joka on 47 C. Näin matalassa lämpötilassa keräimen suorituskyky ei ole enää kovin hyvä ja koska nesteen lämpötila jää melko alhaiseksi, niin sen käyttökohteet vähenevät. Toisaalta jos keräinosan nesteenlämpötilaa halutaan nostaa, niin seurauksena myös aurinkokenno osan hyötysuhde saattaa alentua. Ilman esimerkkilaitteistoa tätä on kuitenkin vaikea tarkasti sanoa. lämpötilan alenema 1 C 2 C 5 C 10 C kesäkuu 0,16 % 0,31 % 0,76 % 1,47 % heinäkuu 0,12 % 0,24 % 0,57 % 1,09 % elokuu 0,02 % 0,03 % 0,06 % 0,03 % Taulukko 4.2 Lämpötilan alenemisen vaikutus aurinkopaneelin energiantuottoon. 4.4. Yhdistämisen hyödyt ja ongelmat Mielestäni yhdistämisen suurin hyöty olisi siinä, että ilman jäähdytystä korkeat lämpötilat laskevat aurinkopaneelin hyötysuhdetta ja lisäksi muodostunut lämpö menee hukkaan. Yhdistelmäpaneelin hinnassa tapahtuu noin 25 % säästö, koska yhdistetty järjestelmä vaatii vähemmän materiaalia kuin jos aurinkopaneeli ja keräin olisivat erillisiä järjestelmiä. Yhdistetty lämmön ja sähköntuotanto neliömetriä kohti kasvaa.[14] Erilaisissa tutkimuksissa tehtyjen laskelmien mukaan yhdistelmäpaneelista saadaan samalta pinta-alalta enemmän energiaa kuin käytettäessä aurinkokeräintä ja paneelia erillisinä laitteina. Tämä on oleellinen asia niissä maissa, missä käytettävissä on vain vähän kattopinta-alaa. Järjestelmällä olisi todennäköisesti myös huomattavasti lyhempi takaisinmaksuaika. [15, s.417] Yhdistelmäpaneelin ongelmana on se, että monimutkaisemmalla järjestelmällä on suurempi riski vikaantua. Järjestelmä myös rajoittuu matalille käyttölämpötiloille, koska aurinkopaneelin materiaalit eivät kestä kovin korkeita lämpötiloja.[14] Yhdistelmäpaneelien, joissa käytetään vettä lämmönsiirrossa, kaupallistumista ovat jarruttaneet pitkänajan stabiilisuusongelmat silloin, kun aurinkokennot on suoraan integroitu absorptiomateriaaliin.[11, s. 9]
5. JOHTOPÄÄTÖKSET 15 5. JOHTOPÄÄTÖKSET Tarkasteltaessa aurinkopaneelia ja aurinkokeräintä nähdään, että niissä saadaan varsin paljon energiaa, jota voidaan käyttää korvaamaan fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Kuitenkin aurinkoenergiankäyttö on Suomessa eräs EU-maiden alhaisimpia ja markkinoiden laajamittainen käynnistäminen vaatisi julkista tukea kuluttajapuolelle. Tällä hetkellä suurin osa Suomen aurinkosähkökapasiteetista on autonomisia järjestelmiä, joita on käytetty muun muassa kesämökkien sähköistykseen. Aurinkokeräin voidaan liittää esimerkiksi muutoin öljyllä lämmitettävään lämminvesivaraajaan, jolloin voidaan vähentää öljyn kulutusta. Vuonna 2004 arviolta 80 % asennettiinkin juuri öljylämmityksen yhteyteen[16]. Työssä tarkasteltavat sovellukset käyttävät hyväkseen auringonsäteilyä. Tästä johtuen niistä saatava energia rajoittuu suurimmilta osilta maaliskuun ja syyskuun väliseen aikaan, jolloin aurinko paistaa eniten. Aurinkokeräimeltä saatava lämpöenergia on vuodessa noin 290 kwh/m 2 ja vastaavasti aurinkopaneelilta saadaan noin 117 kwh sähköä. Aurinkokeräimeltä saatava lämpöenergiamäärä voi olla jopa suurempi, sillä mittausjärjestelmässä on ollut paljon keskeytyksiä, mikä vaikuttaa mittausten luotettavuuteen. Toisaalta aurinkokeräimen arvot on laskettu tehollista pinta-alaa kohden, joka on pienempi kuin koko keräin ja todellisuudessa aurinkopaneelin pinta-ala on pienempi kuin neliömetri. Normaaleina arvoina Keski-Suomessa voidaan pitää tasokeräimille 285 kwh/ m 2 ja aurinkopaneeleille 0,65 kwh/w p, jossa W p on paneelin nimellisteho [16]. Aurinkopaneelin toimintalämpötila jää Suomessa melko alhaiseksi, joten täällä vesijäähdytteinen yhdistelmäpaneeli ei todennäköisesti toimisi kovin tehokkaasti. Tämä johtuu siitä, että myös kiertävän nesteen lämpötila jäisi alhaiseksi, jos pääasiallisena tavoitteena halutaan pitää sähköntuotannon lisäämistä. Viileämmän nesteen käyttö ei taas ole enää kovin järkevää käyttöveden lämmityksen suhteen, koska aurinkokeräimellä päästään paljon parempiin lopputuloksiin. Tulosten perusteella voidaan kuitenkin todeta, että Suomessa saadaan kesäaikaan aurinkopaneelilla ja -keräimellä tuotettua hyvin energiaa ja ne soveltuvat tänne yhtä hyvin kuin Keski-Eurooppaankin. Suurin potentiaali niillä on kesämökeillä, koska niitä voidaan käyttää itsenäisinä yksikköinä ilman sähköverkkoon liittymistä tuottamaan sähköä ja lämmintä käyttövettä. Kesämökeillä niiden potentiaalia lisää se, että energiankulutus on suurinta juuri silloin, kun energiaa on runsaasti tarjolla.
5. JOHTOPÄÄTÖKSET 16 Tulevaisuus lupaa hyvää aurinkoenergialle ja yhdistelmäpaneeleille. Tänä vuonna World Green Business Award palkinnon voitti aurinkoseinä, jonka tuote nimi on The SolarWall [17]. Aurinkoseinän toiminta vastaa aurinkokeräintä, jonka lämmönsiirtoaineena toimii ilma. Yhtiö on myös kehittämässä samalle teknologialle pohjautuvaa yhdistelmäpaneelia, jonka testitulosten yritys kertoo olevan hyvin lupaavia.[18] Ehkä tämä on se kauan odotettu tulevaisuuden aurinkoenergian hyödyntämismuoto.
17 LÄHTEET [1] EU:n ilmasto- ja energiapaketti.[www]. Viitattu 21.5.2008] Saatavissa: http://www.ymparisto.fi/default.asp?node=22013&lan=fi [2] Aurinkolämmön itserakennusopas. 2000. [WWW]. [Viitattu 4.5.2008]. Saatavissa: http://www.kolumbus.fi/solpros/reports/solarguide.pdf [3] Konttinen, Petri. 2004. Aurinkoenergian merkitys ja aurinkolämpöjärjestelmät. Ekorakentamista kuntaan seminaari, Nummela. [WWW] [Viitattu 4.5.2008] Saatavissa: http://www.helsinki.fi/aikuiskoulutus/lum/ekokylat/tiedostot/aurinkoenergian_ merkitys_ja_aurinkolampojarjestelmat.pdf [4] Kitunen, Jukka. 2007. Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa. Tampereen teknillinen yliopisto. 79 s. [5] Patel, Mukund R. Wind and Solar Power Systems: Chapter 8: Solar Photovoltaic Power System. [6] Fanchi, John R. 2005. Energy in the 21st Century. World Scientific Publishing Company, Incorporated, 257 p. [7] Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy: Chapter 20: Solar Thermal Energy Conversion, T. Agami Reddy [8] Komulainen, Katri. 2006. Aurinkolämpö teknologia ja mahdollisuudet. Jyväskylän yliopisto. 114 s. [9] U.S. Department of Energy. 2006. Solar collectors. [WWW]. [Viitattu 25.3.2008]. Saatavissa: http://www1.eere.energy.gov/solar/sh_basics_collectors.html [10] Tonui, J.K. & Tripanagnostopoulos, Y. 2007. Improved PV/T solar collectors with heat extraction by forced or natural air circulation. Renewable Energy vol. 32 Issue 4. pp.623-637 [11] Bosanac, M., Sørensen, B., Katic, I., Sørensen, H., Nielsen, B. and Badran, J. 2003. Photovoltaic/Thermal Solar Collectors and Their Potential in Denmark. [WWW]. [ Viitattu 20.5.2008]. Saatavissa:
18 http://www.solenergi.dk/rapporter/pvtpotentialindenmark.pdf [12] Bergene, T. & Løvvik, O. 1995. Model calculations on a flat-plate solar heat collector with integrated solar cells. Solar energy vol. 55, No. 6, pp.453-462 [13] SMG-4150 Uusiutuvien energiamuotojen työkurssi. 2008. Luentomoniste. 3.painos. [14] Fraisse, G., Ménézo, C. & Johannes, K. 2007. Energy performance of water hybrid PV/T collectors applied to combisystems of Direct Solar Floor type. Solar Energy Vol. 81, Issue 11, pp.1426-1438 [15] van Helden, Win G. J., van Zolingen, Ronald and Zontag, Herbert. 2004. PV Thermal Systems: PV Panels Supplying Renewable Electricity and Heat. Progress in Photovoltaics: Reseach and Applications Vol. 12, Issue 6, pp.415-426 [16] Solpros ay. 2005. Aurinkoenergian käyttö Suomessa vuonna 2004. [WWW].[Viitattu 21.5.2008]. Saatavissa: http://www.kolumbus.fi/solpros/reports/aurinkotilasto2004.pdf [17] SolarWall Wins Prestigious World Green Business Award In UK. 2008. [WWW]. [Viitattu 22.5.2008]. Saatavissa: http://www.photovoltaics-reports.com/press/119.shtml [18] SolarWall. [WWW]. [Viitattu 22.5.2008]. Saatavissa: http://solarwall.com/en/products/solarwall-pvt.php