ESEn aurinkosähköpaketeilla

Miten syntyy aurinkosähkö

Aurinkosähkö syntyy valosähköisessä ilmiössä, kun valon sisältämät fotonit (säteily) irrottaa aurinkopaneelin materiaalista elektroneja, jotka ovat sähkövirran ”alkeisyksikköjä” ja synnyttävät sähkövirran suljetussa virtapiirissä.

Aurinkopaneelit valmistetaan materiaalista, jossa valosähköisen ilmiön tapahtuminen on mahdollisimman voimakasta. Au-rinkopaneelit kytketään kuormaan virtajohdoilla, jolloin aurinkopaneelien synnyttämää sähköenergiaa voidaan käyttää ai-van kuten mitä tahansa sähkö. Sähköenergia voidaan käyttää lähellä aurinkopaneelia tai siirtää sähköverkkoa pitkin muille käyttäjille.

Auringonvalo

Heijastus

Jännite U

Elektronit

Kuorma

pn-liitos Virta I+

R

Kuva 1. Valosähköinen ilmiö

Aurinkopaneelit Invertteri Turvakytkin Sähköpääkeskus

Kulutus

Sähkömittari Sähköverkko

Varsinaisena sähköenergian lähteenä käytettävän aurinkopaneelin lisäksi aurinkosähköjärjestelmään tarvitaan kuvan 2 mu-kaiset laitteet.

Kuva 2. Aurinkosähköjärjestelmän komponentit.

Aurinkopaneeleista korkeajännitteinen (n. 700 volttia) tasavirta johdetaan invertterille, joka muuntaa sähkön vaihtovirraksi eli yleisesti kiinteistöissä käytettäväksi sähkölaaduksi (230 volttia/50 Hz). Yleensä invertteri asennetaan sähköpääkeskuksen läheisyyteen, sisätiloihin. Sähköverkon vikatilanteessa invertteri irrottaa automaattisesti aurinkopaneelit pois tuotannosta ja myös palauttaa aurinkopaneelit takaisin tuotantoon, kun sähköverkon vikatilanne on poistunut. Turvakytkin on pakollinen varuste ja siihen on paikallisen sähköverkon haltijan päästävä ehdottomasti käsiksi ilman kiinteistön omistajan toimia eli käytännössä turvakytkin on syytä olla ulkoseinässä. Turvakytkimen kautta sähkö siirtyy käytettäväksi kiinteistön sähköä käyt-täville laitteille (kulutus) tai jos kiinteistössä ei ole kulutusta riittävästi, niin sähkö siirtyy sähkömittarin kautta sähköverkkoon. Paikalliselta sähköverkon haltijalta (esimerkiksi ESE-Verkko Oy), on pyydettävä verkkoon kytkentä lupa ja samalla verkon haltija/verkkoyhtiö varmistaa, että sähkömittari on oikeaa tyyppiä ja mittaa myös verkkoon siirtyneen sähkön. Verkkoyhtiö käy myös tarkastamassa kytkennän ennen kuin se saadaan kytkeä sähköverkon rinnalle.

Auringon määrä Suomessa

Auringon säteilyn määrä Mikkelin korkeudella vastaa noin Pohjois-Saksan määriä (kts. kuva 3). Paneeleille kertyvä säteily koostuu suorasta- ja hajasäteilystä, joista viimeksi mainittu on Suomessa hyvin merkittävää, paikoitellen jopa puolet kerty-neestä säteilystä. Hajasäteilyä tulee vesistöistä, rakenteista, pilvistä ja lumesta tulevista heijastuksista. Aurinkopaneelin kan-nalta on täysin sama tuleeko säteily suoraan vai heijastuksesta. Kaiken kaikkiaan voidaan todeta aurinkosähköpotentiaalin olevan Mikkelin korkeudella vertailukelpoinen Pohjois-Saksaan, jossa aurinkosähkö on yleisesti käytössä.

Kuva 3. Auringon vuotuinen säteily maan pinnalle kWh/m2. Lähde: Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) – Joint Research Centre

Säteilyn ja siitä syntyvän sähkön määrä on taulukossa 1.

Taulukko 1. Säteily ja siitä saatava sähkö Suomessa.

Vaihe Määrät

Auringon vuotuinen säteily per neliömetri (Suomessa)* n. 1000 kWh/m2

Aurinkopaneelien ”standardikoko” (ESE) n. 1,7 m2

Aurinkopaneelin pintaan tulevasta säteily n. 1700 kWh/a

Josta sähköksi muuttuu n. 15 % 255 kWh/a*) Vaakatasolle tuleva säteily vaihtelee välillä 980(etelä)-790 (pohjoinen) kWh/m2, 45 asteen kulmassa vaihtelee noin 1200-1000 kWh/m2, joten 1000 kWh/m2 on käyttökelpoinen nyrkkisääntö eri tulokulmille.

Miksi Suomessa on vähemmän asennettua aurinkopaneelikapasi-

teettia kuin muualla Euroopassa?

Auringon säteilyn määrä ei selvästikään selitä aurinkopaneelien vähyyttä Suomessa. Merkittävin syy aurinkopaneelien yleis-tymisessä ovat valtion tuet. Saksassa, Tanskassa ja Espanjassa valtio on tukenut avokätisesti uusiutuvan sähkön pientuotan-toa veronmaksajien rahoilla ja näin valtiot ovat onnistuneet kiihdyttämään myös aurinkopaneelijärjestelmien asentamista. Toisaalta sähköenergian hinta verkosta ostettuna on esimerkiksi Tanskassa huomattavasti korkeammalla tasolla kuin Suo-messa ja näin, käytännössä yhtä kalliin, investoinnin takaisinmaksuaika on tanskalaisen pientuottajan laskelmissa lyhempi kuin suomalaisen - myös ilman tukia.

Suomalaisessa toimintaympäristössä (kevään 2015 arvoilla) aurinkopaneelijärjestelmän takaisinmaksuaika on jossain 15 ja 20 vuoden välissä. Toisin sanottuna esimerkiksi 10 vuoden tarkasteluaikana verkosta ostetun sähkön kokonaishinta (siirto, sähköenergia ja verot) ovat nykyisellä hintatasolla halvemmat kuin itse aurinkopaneeleilla tuotettu sähkö. Sähkön koko-naishinta tuskin kuitenkaan laskee laitoksen pitoaikana, vaan pikemminkin pitkänvälin trendillä nousee. Teknisesti paneelien on todettu kestävän yli 20 vuotta, paneelien tuottokapasiteetin ollessa jopa 20 vuodelle asti paneelivalmistajan takaamia. Aurinkopaneelijärjestelmä voikin tulla koko pitoaikana hyvin kannattavaksi ja samalla ympäristön CO2-päästöt laskevat. Tu-levaa hintakehitystä ja laitekehitystä täytyy jokaisen investoijan tarkastella omista näkökulmistaan hankintapäätöstä teh-dessään.

Toinen paneelien yleistymistä hidastanut syy lienee, suomalaisessa ympäristössä, tuotannonjakauma. Suomessa jakauma on haasteellisempi verrattuna maihin, joissa aurinko paistaa tasaisemmin ympäri vuoden. Aurinkosähköseurannan mukainen keskimääräinen toteutunut jakauma Suomessa kuvattu kuvassa 4.

0 %

2 %

4 %

6 %

8 %

10 %

12 %

14 %

16 %

18 %

Tammikuu

Helmikuu

Maaliskuu

Huhtiikuu

Toukokuu

Kesäkuu

Heinäkuu

Elokuu

Syyskuu

Lokakuu

Marraskuu

Joulukuu

Kuva 4. Aurinkotuotannon jakauma kk-tasolla, Suomi

Auringosta saadaan siis energiaa eniten silloin, kun energian kulutus on pienimmillään. Tämä täytyy huomioida mitoitukses-sa. Toisaalta huomataan, että tuotanto on todella hyvällä tasolla jo maaliskuussa, mitä selittää runsas hajasäteily ja alhainen ulkolämpötila, joka on eduksi aurinkopaneelin toiminnalle.

Tulevaisuudessa uusiutuvan energian kustannustehokas varastointi voi ratkaista jakaumaan liittyvän ongelman ja syys-hel-mikuu katetaan muina kuukausina varastoidulla energialla. Vielä varastointi ei ole lähellekään taloudellisesti kannattavaa.

Järjestelmän koon valinta

Aiemmin esitetyn yksittäisen paneelin tuotosta voidaan laskea helposti järjestelmän tuottama vuotuinen sähkömäärä (tau-lukko 2).

Taulukko 2. Aurinkosähköjärjestelmän vuotuinen sähkötuotto.

Järjestelmän koko (kW)

Paneelien määrä (kpl)

Vuotuinen tuotto (kWh/a)

2 8 8*255 = 2 0405 20 20*255 =5 1007 28 28*255=7 140

10 40 40*255= 10 200

Kuitenkin, käytännön seurannoissa on havaittu, että järjestelmän koko eli huipputeho kerrottuna luvulla 800 saadaan hyvin lähelle keskimääräinen tuottoarvio (35 asteen asennuskulmaan). Tällä tavoin laskettuna vuotuiset tuotot ovat

Taulukko 3. Vuotuiset tuotot 800 piikkitehotunnin perusteella.

Järjestelmän koko (kW)

Vuotuinen tuotto (kWh/a)

2 2*800 = 1 6005 5*800 =4 0007 7*800=5 600

10 10*800= 8 000

ESEn mitoituslaskelmissa käytetään taulukon 3 tietoja. Mitoituksena tämä on realistinen, kaikki tämän yli on paneelien omis-tajan kannalta positiivista.

Varsinainen mitoitus erilaisille tyyppikäyttäjille on ESEn mitoituksessa tehty simuloidun tuotannon ja kulutuksen yhteenso-vittamisella. Kulutussimulaatio on mallinnettu energiayhtiöiden pitkäaikaisseurantaan perustuvan tyyppikuluttajien kulu-tuskäyrien perusteella ja tuotantosimulaatio perustuu kokemusperäisiin paneelien tuoton ja sääolosuhteiden vaikutusten mallinnuksiin Mikkelin korkeudelle. Simulaatiot siis huomioivat auringon liikkeiden lisäksi pilvisyyksiä lämpötiloja jne. Näin on pyritty ottamaan molemmissa käyrissä (kulutus/tuotto) huomioon todelliset luonteet mutta yksittäistä kohdetta katsot-taessa on syytä muistaa, että mitoituksessa käytettävät arvot ovat keskiarvoja.

Simulointien lopputuloksena on tyyppikäyttäjille saatu seuraavat ohjearvot:

Taulukko 4. Varaavalla sähkölämmityksellä varustetut kiinteistöt (tyyppikäyttäjä L2):

Sähkönkäyttö (kWh/vuosi)

Paneelikoko (kW)

Omakäyttöosuus (%)

7000 – 15 000 2 kW 75 – 8715 000 - 30 000 5 kW 73 – 9330 000 – 60 000 7 kW 89 – 9060 000 – 90 000 10 kW 89 – 94>90 000 Yksilöllinen

mitoitusYksilöllinen mitoitus

Varaavan lämmityksen ajastus on ehdottomasti muutettava päiväsähkölle ainakin välillä maalis-lokakuu.

Taulukko 5. Suoralla sähkölämmityksellä varustetut kiinteistöt (tyyppikäyttäjä L1) ja pienyritykset.

Sähkönkäyttö (kWh/vuosi)

Paneelikoko (kW)

Omakäyttöosuus (%)

5000 – 15 000 2 kW 50 – 9015 000 - 40 000 5 kW 63 – 9140 000 – 65 000 7 kW 83 – 9465 000 – 90 000 10 kW 86 – 93

>90 000 Yksilöllinen mitoitus

Yksilöllinen mitoitus

Taulukko 6. Ei sähkölämmitystä (käyttösähkö).

Sähkönkäyttö (kWh/vuosi)

Paneelikoko (kW)

Omakäyttöosuus (%)

4000 – 15 000 2 kW 53 – 9715 000 - 35 000 5 kW 67 – 9535 000 – 50 000 7 kW 86 – 9650 000 – 75 000 10 kW 86 – 97

>75 000 Yksilöllinen mitoitus

Yksilöllinen mitoitus

Taulukko 7. Yritykset ja maatilat, ei varaavaa sähkölämmitystä

Sähkönkäyttö (kWh/vuosi)

Paneelikoko (kW)

Omakäyttöosuus (%)

5 000 – 10 000 2 kW 64 – 9210 000 - 25 000 5 kW 64 – 9225 000 – 40 000 7 kW 84 – 9440 000 – 70 000 10 kW 87 – 96

>70 000 Yksilöllinen mitoitus

Yksilöllinen mitoitus

ESE-miehen mitoituksessa on tärkeää huomioida, että etenkin varaavaa lämmitystä käyttävien on oletettu säätävän varaaja päiväsähkökäyttöön ja mieluiten klo 10-15 välille. Tällöin yllä olevat ESE-miehen mitoitukset ja omakäyttöosuudet ovat keski-määrin voimassa. Vaikutus näkyy hyvin alla olevissa kuvissa, kun asiaa on tarkasteltu tunti tunnilta yhdellä kesäkuun viikolla.

Varaava lämmitys yöllä

Kuva 5. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu, kun varaava lämmitys ajastettu yölle.

Kuva 6. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu, kun varaava lämmitys ajastettu päivälle.

Omakäyttö kuvassa 5. on 41,6 % ja kuvassa 6. vastaavasti 77,5 %, koko vuoden ajalta laskettuna. Varaajan ajastuksen merkitys on ratkaiseva.

Vertailun vuoksi kuvassa 7 perinteinen pohjakuorman mukaan tapahtuva mitoitus tarkoittaisi tässä tapauksessa paneelite-hoa mikä olisi vain 20 % ESE-miehen mitoituksesta eli tuotettu aurinkosähkön määrä olisi olematon. Pohjakuormamitoituk-sessa aurinkotuoton huipun korkeus on maksimissaan noin sähkönkäytön pohjakuorma. Omakäyttöprosentti olisi tällöin tosin lähes 100 %.

Varaava lämmitys päivällä

Varaava lämmitys yöllä

Kuva 7. Aurinkotuotto- ja kulutuskäyrän vertailu pohjakuormamitoituksella.

Muilla tyyppikäyttäjillä tällaista isoa säätömahdollisuutta ei ole oletettu mitoituksissa, vaan mitoitus on tehty suoraan tyyp-pikäyttäjien kulutuskäyrien mukaan, ilman muokkausta.

Sähkökäytön lisäksi oikean järjestelmäkoon valinnassa on erityisen tärkeää varmistaa riittävä vapaa kattopinta-ala. Alla ole-vassa taulukossa 8. järjestelmien vaatima pinta-ala:

Taulukko 8. paneelien vaatima vapaa kattopinta-ala.

Paneelikoko (kW) Vapaa kattopinta-ala (min.)2 kW 16 m2

5 kW 40 m2

7 kW 56 m2

10 kW 80 m2

+1 kW + 8 m2

Lisäksi, asennuskuviosta riippuen, on paneelirivien väliin jätettävä kulku-uria ja alla olevan kuvan 9 mukaisia etäisyyksiä es-teisiin. Tämä voi nostaa helposti tilan tarvetta >10 %, tämä tilantarve on laskettava mukaan pinta-alaan.

Kuva 9. Minimietäisyyksiä esteisiin. Kuva FinnWind Oy.

Invertteri, joka muuntaa tasavirran vaihtovirraksi eli normaaliin sähköjärjestelmään sopivaksi, vaatii karkeasti kuvan 10 mu-kaiset asennustilat. Asennuspaikka mahdollisimman lähelle sähkökeskusta ja samaan tilaan. Tarkat tiedot toimitetaan tar-jouksen yhteydessä. Osalla inverttereistä on myös ulkoasennusmahdollisuus mutta ulkoasennus kuormittaa laitetta aina enemmän kuin sisäasennus.

300 mmMinimitäisyys matalaan estee-seen, kuten lapetikkaat, lumieste tai matala ilmastointihormi.

500 mmMinimietäisyys päätyräystääseen tai korkeaan esteeseen,kuten piippu tai korkeailmastointihormi.

Minimitäisyys katon harjalle tai esteeseen,kuten savupiippuun tai ilmastointihormiin.30

0 m

m80

0 m

m Minimitäisyys lumiesteeseen tai räystääseen.

Min

imi v

apaa

lape

pitu

us:

1 pa

neel

irivi

n as

ennu

kses

sa =

280

0 m

m2

pane

eliri

vin

asen

nuks

essa

= 4

500

mm

3 pa

neel

irivi

n as

ennu

kses

sa =

620

0 m

m4

pane

eliri

vin

asen

nuks

essa

= 7

900

mm

Kuva 10. Verkkoinvertterin vaatimat asennustilat yhdellä esimerkillä. Riippuu invertterimallista. Kuva FinnWind Oy.

Aurinkopaneelien asennuspaikan valinta

Aurinkopaneelit on järkevintä asentaa kiinteästi rakennuksen katolle. Maavaraset telineet perustuksineen ovat usein kalliita ja auringon mukaan kääntyvät telineet tuovat liikaa kustannuksia ja hajoavia osia, verrattuna katolle asennettaviin.

Katolle asennettaessa ensin on varmistettava riittävä vapaa pinta-ala, kuten aiemmin on kerrottu ja lisäksi on syytä varmistaa kattomateriaalin kunto. Jos kattomateriaali joudutaan vaihtamaan pian paneelien asentamisen jälkeen, koituu omistajalla kaksinkertainen asennuskustannus, mikä romuttaa aurinkopaneelihankinnan kannattavuuden.

Fronius Symo

Käyttölämpötila -25°C/+60 °CSuhteellinen Kosteus 0-100%Paino 16,0/19,9 kg

Suositeltava asennuskorkeusnäyttö noin 1,5 m lattiatasosta

Laitteen korkeusseinästä n. 204 mm.

Tila oltava edestä vapaana

Suos

itelta

va

vapa

a til

a

Suositeltava vapaa tila

verkkoinvertterin leveys

verk

koin

vert

terin

kor

keus

johdotukselle varattava tila

Suos

itelta

va

vapa

a til

a

200 mm 200 mm

200

mm

100

mm

645

mm

431 mm

Optimaalinen ilmansuunta on etelä. Paneelin suuntaaminen ei ole kuitenkaan kovin tarkkaa, koska kaakkoon tai lounaaseen suunnatut paneelit tuottavat 95 % etelään asennettuihin verrattuna (kuva 11).

Kuva 11. Asennussuunnan vaikutus vuotuiseen tuottoon. Etelä 100 %.

Asennuskulmana optimaalinen (Mikkelissä) on 40 astetta. Mutta tuotto ei ole kovin herkkä myöskään asennuskulmalle, esi-merkiksi 20 tai 60 asteen kulmaan asennetut paneelit tuottavat yli 95 % verrattuna 40 asteen optimikulmaan asennettuihin paneeleihin (kuva 12).

Kuva 12. Asennuskulman vaikutus vuosituottoon. 40 astetta 100 %.

Edellä mainituista syistä aurinkopaneelit kannattaa (yleensä) asentaa katon suuntaisesti eikä optimaalisinta asentoa kannata hakea erillisillä virityksillä, koska asennuskustannukset nousevat hyötyä enemmän. Monen mielestä myös ulkonäkö on pa-ras, kun paneelit ovat mahdollisimman huomaamattomasti samassa linjassa katon kanssa.

Mitä tapahtuu sähkölle jota ei pystytä kuluttamaan kiinteistön omis-

sa kulutuskohteissa?

Niin kutsutun ylijäämäsähkön voi myydä sitä ostaville sähkönmyyjille, jotka välittävät sähkön omille asiakkailleen. Esimerkik-si sähkön voi myydä ESE Oy:lle, asiasta tehdään erillinen sopimus.

Sähkö mitataan kuvan 2 mukaisesti kiinteistön sähkömittarilla, joka pystyy mittaamaan sekä verkosta otetun ja verkkoon siir-retyn sähkön. Sähkönmyyjä (ESE Oy) saa mittarilukemat niin käytöstä kuin verkkoon tuotetusta sähköstä etäluennan kautta ja kiinteistön haltijan ei tarvitse tehdä sopimuksen solmimisen jälkeen mitään, toiminta vastaa täysin sitä tilannetta missä sähkö ostetaan verkosta ja laskut tulevat ajallaan. Tässä tilanteessa sähkön toimittamisesta tulevat tulot vähentävät sähkö-laskua tai voivat tulla jopa euromääräisenä suorituksena sähköyhtiöltä kiinteistölle!

Säästyykö aurinkopaneeleita käyttämällä oikeasti CO2-päästöjä?

Aurinkosähkön valmistuksesta aiheutuvat hiilidioksidipäästöt ovat elinkaarilaskelman mukaan noin 40-120 g/kWh (http://www.parliament.uk/documents/post/postpn_383-carbon-footprint-electricity-generation.pdf). Kun aurinkosähköllä korva-taan suomalaista sekasähköä, päästöt 258 g/kWh, säästetään aurinkosähköllä noin 210-130 g(CO2)/kWh. Näin ollen 2 kW järjestelmä säästää elinkaarellaan

Taulukko 9. Aurinkosähkön tuotolla säästetyt hiilidioksidipäästöt

Osatekijä LukuarvoAurinkosähkön tuotanto 25 vuotta, 2 kW järjestelmä 1600 kWh/a*25 a = 40 000 kWhSäästetty hiilidioksidipäästö 130-210 g/kWh

Säästö yhteensä 5200 – 8400 kg (CO2)

Taulukko 10. Päästöt muutettu henkilöautoilun päästöiksi

Osatekijä LukuarvoSaavutettu hiilidioksidipäästösäästö 5200 – 8400 kg (CO2)Keskimääräinen henkilöauto (v. 2013) 134 g/100 km

Säästö vastaa ha-ajokilometreinä 38 806 – 62 686 km

Suomessa aurinkopaneelien elinkaarelle lasketut hiilidioksidipäästöt ovat (vuonna 2015) todennäköisesti lähempänä 100 g/tuotettu-kWh kuin 40 g/tuotettu-kWh, koska Suomessa aurinkosähkötuotanto jää maista, jotka sijaitsevat aurinkoisemmilla leveyspiireillä. Näin ollen on syytä käyttää arvioissa alempia säästöarvoja, jotka nekin ovat merkittävät. Hankkimalla 2 kW aurinkosähköjärjestelmän, säästää lähes 40 000 kilometrin henkilöautoilun päästöt! Jokainen kW-lisäys tuo siis elinkaaren aikana noin 20 000 kilometrin autoilua vastaavan päästösäästön.

Aluksi päästöt lisääntyvät, koska valmistuksen päästöt syntyvät heti, mutta ajan myötä päästöt pienenevät elinkaaren aikana merkittävästi.

Lisätietoja ja lähteitä

Lisää perusteellisempaa tietoa löytyy esimerkiksi Motivan sivuilta.

http://www.motiva.fi/toimialueet/uusiutuva_energia/aurinkoenergia/aurinkosahko