SMG-43: Yhteenveto viidennestä luennosta Yleisimmät aurinkokennomateriaalit: pii: yksikiteinen, monikiteinen, amorfinen galliumarsenidi (GaAs) kadmiumtelluridi (CdTe) kupari-indiumdiselenidi (CIS, CIGS) väriaineaurinkokennot Yksikiteisen piiaurinkokennon valmistaminen: piin erottaminen hiekasta puhdistaminen (Siemens-menetelmä) yksikiteistäminen (CZ-menetelmä) kiekkojen sahaaminen pn-liitoksen tekeminen (fosforidiffuusio) ARC:n ja metallikontaktien tekeminen tyhjiöhaihdutuksella kotelointi ja kytkeminen säänkestäviksi paneeleiksi 1
SMG-43 Aurinkosähkö ja Tuulivoima Aurinkosähkön 6. luento Aurinkosähkön soveltuvuus hajautettuun energiantuotantoon Suomessa ja Euroopassa. Aurinkosähkö hajautetussa energiantuotannossa: Esitellään TTY:n Sähkötalon katolla sijaitseva mittausjärjestelmä ja käydään läpi sillä saatuja mittaustuloksia. Pohditaan aurinkosähkön mahdollisuuksia hajautetussa energiantuotannossa Suomen olosuhteissa. Käydään läpi, mitkä asiat ovat tentin aurinkosähköosuuden kannalta oleellisia ja mitkä vähemmän oleellisia. 2
Luento 1: AURINGOSTA MAAN ILMAKEHÄÄN TULEVA SÄTEILY Aurinkovakio S on auringonsäteilyn tehotiheys (W/m 2 ) maan kiertoradalla. W S 1367 m 2 3
SÄHKÖMAGNETIIKAN AURINKOSÄHKÖMITTAUSJÄRJESTELMÄ Aurinkopaneeli ja säteilytehotiheyden mittari sijaitsevat sähkökonehallin katolla, 45 asteen kulmassa vaakatasoon nähden. Mittausjärjestelmä rakennettiin, koska: haluttiin käytännön kokemusta aurinkokennojen käyttäytymisestä Suomen olosuhteissa. haluttiin selvittää, kuinka hyvin aurinkosähkö soveltuu Suomessa kotitalouksien hajautettuun energiantuotantoon. Tietoja järjestelmän aurinkopaneelista: valmistaja Kyocera, malli KC125G-1. monikiteinen pii, 36 kennoa sarjassa. Voc = 21.7 V, Isc = 8. A, Pmax = 125 W. paneelin ulkomitat 1425 652 mm2, josta valaistun piin pinta-alaa on n. 8%. 4
MITTAUSTEN KÄYTÄNNÖN TOTEUTUS Aurinkopaneelin kuormaa säädetään toistuvasti tyhjäkäynnistä oikosulkuun. Paneelin I(V)-käyrää mitataan toistuvasti. Yksi mittaus kestää noin 2 s. I(V)-käyrästä haetaan maksimitehon arvo, ja oletetaan, että paneeli pystyy tuottamaan kyseistä maksimitehoa koko mittausjakson (2 s) ajan. Kun I(V)-käyriä mitataan toistuvasti vuorokauden ajan, pystytään laskemaan, kuinka paljon paneeli tuottaisi sähköenergiaa vuorokaudessa. A 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1.6.27 13:12 G=97 W/m 2 T=38 o C AM=1.3 V oc =2.72 V, I sc =8.1 A P max =117.1 W, V Pmax =15.99 V, I Pmax =7.33 A, FF=.71 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 V 5
VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (1/5) marraskuu 26 - lokakuu 27 7 6 15.6% 15.3% 16.7% 14.6% Energia vuorokaudessa (Wh) 5 4 3 2 1 2.4% 9.6% 12.3% 9% 3.6%.4%.2%.3% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Kuukausi 6
VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (2/5) Tampereen Sähkölaitoksen säteilytehotiheysdataa vuosilta 1984-1992 8 7 Tampereen Sähkölaitos (111 kwh/vuosi) Sähkömagnetiikan laitos (117 kwh/vuosi) Energia vuorokaudessa (Wh) 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Kuukausi 7
VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (3/5) Aurinkosähkön tuotanto on Suomessa vaatimatonta marraskuusta helmikuuhun. Päivät ovat lyhyitä ja tyypillisesti pilvisiä. Ilmamassa on suuri, eli ilmakehä vaimentaa merkittävästi auringon säteilyä. 12 11 1 Puolenpäivän ilmamassa 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11112 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11112 1 Kuukausi 8
VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (4/5) o C 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Kuukausi Kuvan lämpötilat ovat aurinkopaneelin puolenpäivän lämpötilojen keskiarvoja vuoden ajalta. Suurin puolenpäivän paneelilämpötila oli 56 o C, pienin 11 o C. Suurin mitattu paneelilämpötila oli 6 o C, pienin 3 o C. 9
VUODENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (5/5) Lämpötilan ja säteilytehotiheyden mitattu vaikutus aurinkopaneelin sähkötehoon W 2 175 15 125 1 75 5 o C 25 25 o C 5 o C 25 5 75 1 125 15 W/m 2 1
VUOROKAUDENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (1/2) 12 1 8 W 6 4 2 6 12 18 6 12 18 Kellonaika Auringon nousun ja laskun välisenä aikana aurinkosähkötehon käyrämuoto noudattaa pilvettömänä päivänä likimain sinikäyrän positiivista puolijaksoa. 11
VUOROKAUDENAJAN VAIKUTUS AURINKOSÄHKÖÖN (2/2) 125 Sähköteho Tyhjäkäyntijännite Oikosulkuvirta 25 1 2 W 75 5 15 1 V / A 25 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Kellonaika Aamun valoisuuden lisääntyessä paneelin tyhjäkäyntijännite nousee nopeasti. Tyhjäkäyntijännite ei riipu merkittävästi säteilytehotiheydestä. Virran tuotanto alkaa kuitenkin vasta auringon noustua horisontin yläpuolelle. Oikosulkuvirta riippuu lineaarisesti säteilytehotiheydestä. 12
PILVISYYDEN AIHEUTTAMA SATUNNAINEN VAIHTELU (1/2) Ohut pilviharso ei juurikaan vähennä auringonsäteilyn määrää, mutta tummat sadepilvet pysäyttävät suurimman osan säteilystä. Puolipilvisenä päivänä 11.5. energiantuotto jäi alhaisemmaksi kuin lähes pilvettömänä päivänä 12.5., mutta pilvisenä päivänä P max oli selvästi suurempi. 13
PILVISYYDEN AIHEUTTAMA SATUNNAINEN VAIHTELU (2/2) W/m 2 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 Aika (s) Puolipilvisenä päivänä aurinkopaneelin maksimiteho on suurimmillaan, sillä auringonsäteilyä tulee pilvien ansiosta paneeliin laajemmalta alueelta kuin pilvettömänä päivänä. 14
PANEELIN KALLISTUSKULMAN VAIKUTUS (1/2) 115 Vuosittainen energiantuotanto (kwh) 11 15 1 95 9 85 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 6 65 7 75 8 85 9 Kallistuskulma 125 W:n paneeli tuotti vuodessa noin 111 kwh sähköenergiaa (.95 117 kwh, mm. vaihtosuuntaushäviöiden vuoksi), kun paneelin kallistuskulma oli 45 o. Suomen olosuhteissa (Tampereella) paneelin laskennallinen kallistuskulman optimi on noin 4 o. Tämä olisi kuitenkin lisännyt energiantuottoa vain.2% 45 o :n kallistuskulmaan verrattuna. 15
PANEELIN KALLISTUSKULMAN VAIKUTUS (2/2) 9 8 8 7 kiinteä kallistuskulma (111 kwh/vuosi) kuukausittain säädetty kallistuskulma (116 kwh/vuosi) Optimaalinen kallistuskulma 7 6 5 4 3 2 1 Wh vuorokaudessa 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Kuukausi 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 1 Kuukausi Paneelin optimaalinen kallistuskulma vaihtelee vuoden aikana Suomessa merkittävästi, mutta energiantuottoa kuukausittain säädetty kallistuskulma ei merkittävästi kasvata. 16
OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOPANEELIN TOIMINTAAN (1/3) 17
OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOPANEELIN TOIMINTAAN (2/3) 15 14.5 14 Paneelihyötysuhde 1. asteen sovite 4 3.5 3 2.5 16.4.27 8:36 G=34 W/m 2 T=18 o C AM=3.7 V oc =21.4 V, I sc =3.7 A P max =22.41 W, V Pmax =8.11 V, I Pmax =2.76 A, FF=.34 % 13.5 13 12.5 12 2 25 3 35 4 45 5 o C A 2 1.5 1.5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 V Mitattu hyötysuhde noudattaa kohtuullisen hyvin suoran yhtälöä, koska ainoastaan toinen sähkötehoon vaikuttavista suureista (jännite) riippuu voimakkaasti lämpötilasta. Kun auringon säteilytehotiheys muuttuu merkittävästi yhden I(V)-mittauksen aikana, I(V)-käyrästä tulee vääristynyt. Virta-arvot muuttuvat rajusti, mutta jännitearvoihin säteilytehotiheyden muutos ei merkittävästi vaikuta. 18
OLOSUHTEIDEN VAIKUTUS AURINKOPANEELIN TOIMINTAAN (3/3) 2 1.5 % 1.5 25 5 75 1 125 15 175 W Aurinkopaneelin tuottama energia tulee pääosin tuotettua nimellistehoa alhaisemmilla tehon arvoilla. Energiaspektrin huippu on kohdassa 16 W, kun nimellisteho on 125 W. Huomattavaa on myös pienien tehojen suuri osuus kokonaisenergiasta. 19
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (1/7) Suomessa oli vuonna 25 asennettuna 4. MW aurinkosähkökapasiteettia, josta vain 3% oli kytketty sähköverkkoon. 2
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (2/7) 4 35 verkkoon kytketty autonominen 4 35 verkkoon kytketty hajautettu verkkoon kytketty keskitetty 3 3 25 25 MW p 2 MW p 2 15 15 1 1 5 5 1992 1994 1996 1998 2 22 24 26 1992 1994 1996 1998 2 22 24 26 Maailmalla aurinkosähkön tuotanto on kasvanut voimakkaasti, kun eri valtiot ovat alkaneet panostaa uusiutuviin energiamuotoihin. Kasvu on ollut erityisen voimakasta verkkoon kytketyssä hajautetussa energiantuotannossa. 21
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (3/7) Tarkastellaan aurinkosähkön soveltuvuutta hajautettuun energiantuotantoon Suomessa huipunkäyttöajan t h avulla. Huipunkäyttöaika kertoo, kuinka monta tuntia järjestelmän tulisi toimia nimellistehollaan P nim vuoden aikana, jotta se tuottaisi saman energian E a, kuin se todellisuudessa vuodessa tuottaa. Huipunkäyttöajan teoreettinen yläraja t hmax on: Ea Pnim 876 h thmax = = = 876 h. P P nim Aurinkosähköjärjestelmälle tyypillinen huipunkäyttöaika on noin 1 h. Käytännössä tämä tarkoittaa watteina annetun nimellisteholukeman suuruista energiantuotantoa kilowattitunteina vuodessa. Esimerkiksi 125 W:n aurinkopaneelille saadaan siis: Ea th = Ea = Pnim th = 125 W 1 h = 125 kwh. P nim nim 22
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (4/7) 18 16 14 12 tuntia vuodessa 1 8 6 4 2 Sodankylä (67) Jokioinen (61) Bergen (6) Moskova (56) Dresden (51) Madrid (4) Osaka (35) Trondheim (63) Helsinki (6) Tukholma (6) Hampuri (54) Stuttgart (49) Tokio (36) Kairo (3) Huipunkäyttöajan perusteella on helppoa vertailla eri paikkojen soveltuvuutta aurinkosähkön hyödyntämiseen. SMG:n mittausjärjestelmällä huipunkäyttöajaksi saatiin noin 936 tuntia. 23
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (5/7) Saksa ja Japani ovat johtavat maat maailmassa aurinkosähkön hyödyntäjinä hajautetussa energiantuotannossa. Huipunkäyttöaikoja vertaamalla havaitaan, ettei aurinkosähköjärjestelmän tuotanto ole Suomessa juurikaan sen alhaisempi kuin Saksassa tai Japanissa. Saksassa ei paista juurikaan sen enempää kuin Suomessa. kwh/m 2 vuorokaudessa 7 6 5 4 3 2 1 Jokioinen Dresden 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Kuukausi Aurinkosähkön mahdollisuudet hajautetussa energiantuotannossa eivät Suomessa kaadu säteilytehotiheysolosuhteisiin. 24
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (6/7) Aurinkosähkö ei ole lähtökohtaisesti taloudellisesti kilpailukykyinen energiantuotantomuoto. Tarve kasvattaa uusiutuvien energianmuotojen osuutta energiantuotannosta on ajanut siihen, että valtiot ovat alkaneet tukea ympäristöystävällisiä tapoja tuottaa energiaa. Aurinkosähkön suosio maailmalla perustuu valtion tukitoimiin. Ympäristönäkökulmien lisäksi tuen perusteena voi olla kotimaisen teollisuuden tukeminen ja uusien työpaikkojen luominen. Syöttötariffi on osoittautunut tehokkaaksi aurinkosähkön tukitoimeksi. Yksittäisten kotitalouksien aurinkosähköjärjestelmät on kytketty sähköverkkoon, ja sähköyhtiöt ovat velvoitettuja ostamaan aurinkopaneeleilla tuotetun sähkön ennalta määrättyyn kiinteään hintaan tietyn rajallisen ajan. Aurinkosähköenergiasta maksettava hyvä hinta tekee järjestelmästä sijoituskohteen, joka tuottaa käyttöikänsä aikana omistajalleen voittoa. 25
AURINKOSÄHKÖ & HAJAUTETTU ENERGIANTUOTANTO (7/7) Aurinkosähkö on laajalti käytössä kotitalouksien energiantuotannossa Saksassa. Mitkä ovat ne tekijät, jotka haittaavat aurinkosähkön mahdollisuuksia Suomessa? Suomessa ei ole aurinkosähköteollisuutta. Sähkö on Suomessa liian halpaa (n. 5% Saksan hinnasta). Yleinen asenne: "Aurinkosähköllä ei voi Suomessa tehdä mitään." Jotta aurinkosähkö, tai jokin muu uusiutuva energiantuotantomuoto, voisi olla taloudellisesti kilpailukykyinen, tarvitaan valtion tukitoimia. Tällä hetkellä näyttää siltä, ettei aurinkosähkö ole Suomessa se energiantuotantomuoto, johon valtio haluaa panostaa. Kiristyvien ympäristövaatimusten ja tulevaisuudessa todennäköisesti nousevan sähkön hinnan seurauksena tilanne saattaa kuitenkin muuttua. Joka tapauksessa aurinkosähkön laajamittainen hyödyntäminen Suomessa vaatii poliittista tahtoa. 26