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
© Copyright 2024