LUT GC aurinkovoimala
Antti Kosonen
30.3.2015
Päästötön energian tuotanto ja käyttö?
Lähde: Birgitta Resvik, Fortum
Sähkön nettotuotanto ja ‐kulutus Suomessa vuonna 2013
9000000
Energia (MWh/kk)
8000000
7000000
• Vuosikulutus 81,4 TWh
• Vuosituotanto 66,0 TWh (81 %)
• Kulutushuippu 14 GW
• Suomi on ostosähkön varassa
• Viikkorytmin näkyminen
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
‐1000000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
Osto
Myynti
Lähde: Fingrid, (www.fingrid.fi)
Tuotanto omaan käyttöön
Kuva Kuukausijakauma.
10000
9000
Teho (MW)
8000
7000
6000
5000
Oma tuotanto
4000
Osto
3000
2000
1000
0
Kuva Kesäkuu, 2013.
Yliopiston sähkönkulutus
700000
Energia (kWh/kk)
600000
• Vuosikulutus 7235 MWh
• Kulutushuippu päiväsaikaan
• Pohjakuorma 600 kW
• Esimerkki julkisesta rakennuksesta
• Viikkorytmin näkyminen
500000
400000
300000
200000
100000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
Kuva Kuukausijakauma.
1800
1600
Teho (kW)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Kuva Kesäkuu, 2013.
Auringon säteily Euroopassa • Valmistukseen käyte‐
tyn energian takaisin‐
maksuaika Suomessa alle 3 vuotta
• Globaalisti parhailla alueilla säteilysumma on n. 2500 kWh/m2
Lähde: European Union, Joint Research Centre, (http://re.jrc.ec.europa.e
u/pvgis/cmaps/eur.htm)
Ajallinen vertailu aurinkosähkön tuotantoon vaikuttavista tekijöistä
25.0
Air temperature (°C)
20.0
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
• Lappeenranta vastaa Frankfurtia aurinkosähkön tuotantopotentiaaliltaan
• Suomessa viileämmät olosuhteet
• Kuukausijakauma erilainen
• Päivät pitkiä kesäaikaan
• Maailman parhailla alueilla tuotanto noin kaksinkertainen Suomeen verrattuna
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
21:36
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
19:12
Day length (hh:mm)
Daily solar radiation (kWh/m2/d)
7.0
16:48
14:24
12:00
9:36
7:12
4:48
1.0
2:24
0.0
0:00
Barcelona
Frankfurt
Lappeenranta
LUT aurinkosähkövoimala, Pn = 220 kWp
Tutkimusympäristö
Koulutusympäristö
Demonstraatiokohde
Uusiutuvan energian tuotantolaitteisto
Teema 1: Kustannustehokas ja turvallinen asennus suomalaisille tasakatoille
• Rakennuskanta uusiutuu 1–1.5 %/a
• Aurinkosähkön markkinaehtoinen yleistyminen: päivittäistavarakauppa, toimistot ja julkiset rakennukset
• Miten tasakattoasennuksia nykyiselle rakennuskannalle kustannustehok‐
kaasti?
Kuva Paneeliteline tasakatolle.
Kuva 51,5 kW:n voimala LUT:n tasakatolla 9.4.2014.
Teema 2: Aurinkopaneelit rakenteen katteena
• Miksi aurinkopaneeli pitäisi asentaa olemassa olevan pintamateriaalin päälle? • Paneelia itsessään voidaan soveltaa aurinkoverhona tai katteena.
• Tavoitteena demonstroida autokatos, jossa katemateriaalina aurinkopaneeli.
Kuva Suojaisa parkkipaikka autoille.
“Suomen suurin
aurinkosähköautokatos”
Kuva 108 kW paneeleita autokatoksiin. Autokatokset 9.4.2014.
Teema 3: Aurinkopaneelit rakenteen julkisivuna • Miksi aurinkopaneeli ei voisi olla näyttävä julkisivuelementti? • Paneeli ei näytä ikkunaan verrattuna kovinkaan erilaiselta.
• Paneeli voi toimia aurinkoverhona ikkunoille.
• Tavoitteena demonstroida aurinkopaneeli julkisivuelementtinä.
Lähde: Schletter GmbH, (http://www.schletter.de
Kuva Aurinkoverho ikkunoille.
Kuva 39 kW paneeleita seiniin. Osa seinäasennuksesta 16.10.2014.
Teema 4: Aurinkoa seuraava järjestelmä
• Aurinkoa seuraava aurinkovoimala tuottaa n. 30‐40% enemmän kuin kiinteä asennus
• Ei kustannustehokkain ratkaisu
• Sisältää mekaniikkaa • Kuinka saadaan suurin mahdollinen tuotanto?
Kuva Trackerin teline ja perustukset.
Kuva 5 kW säätyvä 2‐akselinen järjestelmä LUT:n puistossa 5.6.2014.
Suomen suurimmat aurinkosähkövoimalat
 Suomen suurimmat verkkoon kytketyt aurinkovoimalat
1. Helsinki, Suvilahti, 340 kWp
2. Salo, Astrum Keskus, 322 kWp
3. Lappeenranta, LUT, 208,6 kWp
Kuva LUT.
Kuva Suvilahti. Kuva Helen Oy.
Kuva Astrum keskus. Kuva Soleras.
LUT aurinkosähkövoimala, Pn = 220 kWp
 LUT:n aurinkovoimala koostuu erilaisista kokonaisuuksista
•
•
•
•
•
•
•
Tasakatto, 51,50 kWp
Autokatos, 108,00 kWp
Seinä, 39,02 kWp
Automaattisesti säätyvä (tracking system), 5,06 kWp
Kiinteä asennus (verrokki säätyvälle), 5,06 kWp
Ohutkalvo, 10.08 kWp (asentamatta)
Korkeahyötysuhteiset paneelit (Panasonic, eff = 19 %), 1.92 kWp (asentamatta)
•
Yhteensä 220,64 kWp
LUT aurinkosähkövoimala, Pn = 220 kWp
Taulukko Aurinkovoimalan tiedot.
Mounting information
Panel information
Slope
Name
Mounting
Facing
South
Flat roof
Flat roof
South
South
15
Carport
Wall
Solar tracker
Carport roof
Pmax
Module Amount
efficiency (%)
(kWp)
Inverter
Inverter model
Amount
Mounting system
Panel type
15
Schletter AluGrid
mono‐Si
Tianwei TWY250M660
250
15.3
102
25.50
String
ABB PVS300‐TL‐8000W‐2
3
15
Schletter AluGrid
poly‐Si
Tianwei TW250P60‐FA
250
15.3
70
17.50
String
ABB PVS300‐TL‐8000W‐2
2
Schletter AluGrid
poly‐Si (bc)
Cencorp Chrome 250
250
17
34
8.50
String
ABB PVS300‐TL‐8000W‐2
1
Total flat roof
206
51.50
(°)
Panel model
Inverter information
Total
(Wp)
type
6
South
15
Schletter Park@Sol
mono‐Si
Tianwei TWY250M660
250
15.3
36
9.00
String
ABB PVS300‐TL‐8000W‐2
1
South
15
Schletter Park@Sol
poly‐Si
Tianwei TW250P60‐FA
250
15.3
396
99.00
String
ABB PVS300‐TL‐8000W‐2
11
Total carport
432
108.00
12
South
90
Ruukki
poly‐Si (bc)
Cencorp Chrome 255
255
17
75
19.13
String
ABB PRO‐33.0‐TL‐OUTD‐SX‐400
1
West
90
Ruukki
poly‐Si (bc)
Cencorp Chrome 255
255
17
78
19.89
String
ABB PRO‐33.0‐TL‐OUTD‐SX‐400
1
Total wall
153
39.02
Tracking
DEGERtraker 5000HD
poly‐Si
Tianwei TW230P60‐FA2
230
14.1
22
5.06
String
ABB PVS300‐TL‐4600W‐2
1
15
Schletter AluGrid
poly‐Si
Tianwei TW230P60‐FA2
230
14.1
22
5.06
String
ABB PVS300‐TL‐4600W‐2
1
Wall
Dual‐axis tracking Tracking
2
Fixed installation
Flat roof
?
Flat roof
poly‐Si
Panasonic VBHN240SE10
240
19
8
1.92
String
SMA Sunny Boy SB 2100TL
1
?
Flat roof
thin‐film
Tianwei TW‐TF120
120
8.4
84
10.08
String
SMA Sunny Boy SB 3000HF‐30
3
927
220.64
LUT solar total
South
Hankkeen eteneminen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Päätös voimalan rakentamisesta
30 % investointituki voimalan rakentamiseen (TEM)
Lupa rakennuksen omistajalta (SYK)
Lupa kaupungin rakennusvalvonnalta
 Ilmoitusmenettely (tasakattovoimala)
 Toimenpidelupa (autokatosvoimala)
Hankintaprosessi (yli 30 keur hankinnoissa hankintalain mukaan)
 Telineet, invertterit, paneelit, kaapelit, työt
Rakentaminen (työturvallisuus)
Sähkösuunnittelu ja ‐työt (suojaukset, kaapelit, mittaukset, kytkennät , keskukset)
Varmennustarkastus ja ilmoitus Lappeenrannan Energialle mikrotuotantolaitteiston liittämisestä sähköverkkoon
Käyttöönotto
LUT tasakattovoimala (1/2)





Vesikattoa läpäisemätön pinta‐asennus bitumikermikatolle
Neliöpaino 20‒40 kg/m2
Asennuskulma 15°
Paneelikiinnikkeet paneelikehyksen korkeuden mukaan
Lisäpainot (“jätekivi”) valmistajalta saadun tuulikuormalaskelman mukaan
LUT tasakattovoimala (2/2)
Inv.
Panels
Type
Manuf.
1
2
3
2x17
4
5
2x18
6
2x17
Poly
Tianwei
Mono
Poly
Cencorp
Totally: 206x250 W = 51,5 kWp
LUT autokatosvoimala (1/2)





Rakenne modulaarinen (pulttiliitokset, ei paikan päällä tehtyjä hitsauksia)
Aluskate estämässä vesivuodot
Kattokulma 15°
Paneelikiinnikkeet paneelikehyksen korkeuden mukaan
Lumikuormalaskelmat valmistajalta
LUT autokatosvoimala (2/2)
Inv.
Panels
Type
Manuf.
2x18
Poly
Tianwei
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
Poly
2x18
Tianwei
5
Mono
6
Poly
Totally: 432x250 W = 108 kWp
LUT seinävoimala (1/2)




Asennus olemassa olevan julkisivun päälle
Asennuskulma 90°
Paneelit pystyyn ja vaakaan
Kehyksettömät paneelit
LUT seinävoimala (2/2)
Inv.
Panels
1
2x24(25)
2
2x24(26)
Type
Manuf.
Poly
Cencorp
Totally: 153x255 W = 39,02 kWp
Sähköistys
 Autokatosvoimala kytketty 6‐vaiheen sähkökeskukseen
 Tasakatto‐ ja seinävoimala kytketty 3‐vaiheen sähkökeskukseen
• Aurinkovoimala ei lisää kuormitusta
• Aurinkovoimaa voi laittaa saman verran kuin kuormaa
• Aurinkovoimala merkittävä näkyvin kyltein
• Voimala täytyy pystyä irrottamaan mekaanisesti verkosta
Kuva Kaaviokuva LUT aurinkovoimalan sähköistyksestä. Kuva Merkintäkyltti.
Paneelit
Rated power (W)








Standardipaneelikoko: n. 1640 992
Moni‐ ja yksikidekennot (hyötysuhde ≥15 %, nimellisteho 250 W)
Liitintyyppi MC4 (muita esim. Amphenol ja Tyco Solarlok)
Jännitekesto 1000 VDC ja toimintalämpötila ‒40 °C − 85 °C
IP‐luokitus: ≥IP65 (myös liittimien osalta)
Mekaaninen kuormituskesto 5400 Pa
Flash testausdokumentit (takuu paneelin todellisesta nimellistehosta)
TÜV tai IEC standardin mukainen hyväksyntä
250.00
Tianwei
245.00
Cencorp
240.00
10 a
235.00
25 a
230.00
225.00
220.00
215.00
210.00
205.00
200.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Year
Kuva Paneelin tuotanto vähintään. • Suorituskyky: ≥90 % (10 a), ≥80 % (25 a)
• Kestää n. 550 kg/m2 tasaista kuormaa
• Tuotanto heikkenee lämpötilan noustessa standardiolosuhteiden yläpuolelle n. 0.5 %/°C
• Jännite nousee lämpötilan laskiessa. Huom. jännitekesto sarjaankytkennässä.
• 1 kW:n voimala tuottaa Suomessa n. 800 kWh/a
• 1 kW paneeleja vie tilaa n. 6,5 m2
Mitoitus ja paneelikytkennät
 Invertterivalmistajilla mitoitusohjelmia paneelikenttien mitoittamiseen
 LUT: 8,9 kW ja 30 kW invertterit ⇒ 2×17‒18 ja 3×24 paneelin sarjat (string)
• Sarjaankytkennällä nostetaan DC‐jännite riittäväksi
• Rinnankytkennällä nostetaan kenttien tuottamaa virtaa
INVx.3 INVx.1 INVx.2
7
15
16
7
8
8 9
10
14 13 12 11
17 1 2 3
6 5 4
9 10 11 12
5
4
13
12
13
6
3
14
11
14
7
2
15
10
15
8
1
16
9
16
9
18
17
8
17
14
13
4
3
7
15
12
5
2
6
16
11
6
1
5
17
10
7
1
4
18
9
8
2
3
13
14
15
16
INVx.1
12 5 4
11 6 3
10 7 2
9 8 1
Kuva Esimerkki tasakaton paneelikytkennöistä. 18
17
16
15
11
12
13
14
10
9
8
7
3
4
5
6
2
1
18
17
13
14
15
16
INVx.3
12 5 4
11 6 3
10 7 2
9 8 1
18
17
16
15
11
12
13
14
10
9
8
7
3
4
5
6
2
1
18
17
13
14
15
16
INVx.2
12 5 4
11 6 3
10 7 2
9 8 1
18
17
16
15
11
12
13
14
10
9
8
7
3
4
5
6
2
1
18
17
Kuva Esimerkki autokatoksen paneelikytkennöistä. 3
4
9
10
Kuva Kaapelit suojaan UV‐säteilyltä. 2
5
8
11
1
6
7
12
6
7
18
19
13
5
8
17
20
14
4
9
16
21
15
3
10
15
22
16
2
11
14
23
17
1
12
13
24
25
INV1
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
25 24 23 22 21 20 19 18 23 24 25
Kuva Esimerkki seinäasennuksen paneelikytkennöistä. Paneelien sijoittelu
 Hyvin suunniteltu paneelien sijoittelu lisää tuotantoa, helpottaa kytkentöjen tekemistä ja kaapelointia
• Kokonaisuus tärkein
 Asennuspaikat kannattaa valita kokonaisuuden kannalta ottaen huomioon sähkönkulutus
Kuva Lumi vaikuttaa tuotantoon. Kuva Varjot vaikuttavat tuotantoon. Kuva Seinälle ei kerry lunta. Tuotannon mittaaminen ja seuraaminen
 Energiamittarit mittaavat jokaista kokonaisuutta ⇒ voimaloiden tuotannot erotellaan
• Päivittäiset tuotantotiedot esitetään minuuttitasolla
 Kommunikaatio ja mittausohjelmisto oleellisessa asemassa
• Valmistajat tarjoavat omia ohjelmistoja tuotannon seuraamiseen
Kuva LUT aurinkovoimalan kommunikaatiojärjestelmä. Kuva Tuotantolukemia (160 kWp voimala). Tuotannon simulointi ja suunnittelu
 Tuotantoa voidaan simuloida ottaen huomioon paikalliset olosuhteet
• Säteily, lämpötila, suuntaus, paneelikulma, teho, lumi, yms.
250
June
S15°
Energy (kWh/month)
0.600
kWh/h
0.500
0.400
0.300
0.200
0.100
S45°
200
S90°
Tracking
150
100
50
0.000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
0
S15°
S45°
S90°
Tracking
Kuva Tuotanto erilaisilla järjestelmillä päivän sisällä. South
PV annual production with 1 kW system
1050
East
1000
West
PV annual production with 1 kW system
1050
950
900
850
800
750
700
20
30
40
50
60
70
80
90
PV slope (°)
Kuva Paneelikulman vaikutus tuotantoon. 15°
900
850
800
600
10
30°
950
650
0
45°
1000
PV production (kWh/yr)
PV production (kWh/yr)
Kuva Kuukausi tuotanto erilaisilla järjestelmillä. ‐90
‐70
‐50
‐30
750
‐10
10
30
50
70
Azimuth (° W of S)
Kuva Suuntauksen vaikutus tuotantoon. 90
220 kWp LUT:n omaan käyttöön? Energia (kWh/kk)
Kuukausittainen sähkön jakauma
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
• Simuloitu vuosituotanto 186 MWh
• n. 2,6 % kokonaiskulutuksesta • Kulutuspiikkejä tasataan tuotannolla
• Paneelipinta‐ala n. 1430 m2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
Osto
Myynti
Tuotanto omaan käyttöön
1800
1600
Teho (kW)
1400
1200
1000
Oma käyttö
800
Osto
600
400
200
0
Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 220 kWp voimalalla.
220 kWp voimalan tuotantoa simuloituna
30000
Energia (kWh/kk)
25000
20000
• Vuosituotanto 186 MWh
• Parhaina kuukausina n. 29 MWh
• Parhaina päivinä n. 1500 kWh
15000
10000
5000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
1600.00
Energia (kWh/d)
1400.00
1200.00
1000.00
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Kuva Yliopiston 220 kWp voimalan tuotantoa.
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
800 kWp aurinkovoimala LUT:ssa?
Kuukausittainen sähkön jakauma
700000
Energia (kWh/kk)
600000
• Simuloitu vuosituotanto 676 MWh
• n. 9,4 % kokonaiskulutuksesta • Myyntiin 10,6 kWh (0,002 %)
• Paneelipinta‐ala n. 5210 m2
500000
400000
300000
200000
100000
0
‐100000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Kuukausi
Osto
Myynti
Tuotanto omaan käyttöön
1800
1600
Teho (kW)
1400
1200
1000
Oma käyttö
800
Osto
600
400
200
0
Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 800 kWp voimalalla.
8,6 MWp aurinkovoimala LUT:ssa
Energia (kWh/kk)
Kuukausittainen sähkön jakauma
800000
600000
400000
200000
0
‐200000
‐400000
‐600000
‐800000
‐1000000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
• Simuloitu vuosituotanto 7269 MWh
• n. 100,5 % kokonaiskulutuksesta
• Vuosittainen nettosähkönkäyttö 0 kWh • Myyntiin 4238 MWh (58,3 %)
• Paneelipinta‐ala n. 55960 m2
Kuukausi
Osto
Myynti
Tuotanto omaan käyttöön
1800
1600
Teho (kW)
1400
1200
1000
Oma käyttö
800
Osto
600
400
200
0
Kuva Yliopiston sähkön alkuperä 8,6 MWp voimalalla.
20.0
20.0
18.0
18.0
16.0
16.0
Energy price (c/kWh)
Energy price (c/kWh)
Aurinkosähkön tuotannon kannattavuus Suomessa*
14.0
12.0
10.0
8.0
14.0
4.0
1.3 eur/W
4.0
2.0
1 eur/W
2.0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Nominal interest rate (%)
Kuva. Sisäinen korko, kun itse tuotettu aurinkosähköenergia korvaa aina ostosähköä. Järjestelmän vuotuinen kunnossapitokustannus on 1.5% investoinnista.
20
6.5%
8.0
1.5 eur/W
0
8.5%
10.0
6.0
0.0
10.5%
12.0
4.5%
6.0
2.5%
0%
0.0
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
System price (eur/W)
Kuva. Aurinkosähköenergian tuotantokustannus eri investointi‐
kustannuksilla ja korkotasoilla. Laitteiston vuotuinen kunnossa‐
pitokustannus on 1.5% investoinnista. Elinikä 30 vuotta.
*Simuloitu voimala: Sijainti Lappeenranta, paneelit suunnattu etelään, kulma 15◦, inflaatio 1,5 %, laskenta‐aika 30 vuotta, kunnossapitokustannus 1,5 %/a
Matkalla kohti puhtaampaa ja aurinkoisempaa tulevaisuutta