Aurinkokennoista saadaan paras tuotto kirkkaalla, kylmällä säällä

15.1.2014

Aurinkokennojen tuottama teho kasvaa säteilyvoimakkuuden kasvaessa ja lämpötilan pienentyessä, joten aurinkokennovoimalan tehon tuotannon kannalta otollisin sää on kirkas ja kylmä.

Aurinkokennovoima on yksi merkittävimmistä uusiutuvaan energiaan perustuvista sähköenergian tuotantomuodoista. Aurinkokennot ovat toimiessaan jatkuvasti alttiina ympäristöolosuhteiden muutoksille. Kaksi keskeisimmin aurinkokennojen toimintaan vaikuttavaa ympäristötekijää ovat kennon toimintalämpötila ja kennoon kohdistuva säteilyvoimakkuus. Näistä kahdesta säteilyvoimakkuudella on merkittävämpi vaikutus. Aurinkokennojen tuottama teho kasvaa säteilyvoimakkuuden kasvaessa ja lämpötilan pienentyessä, joten aurinkokennovoimalan tehon tuotannon kannalta otollisin sää on kirkas ja kylmä.
  

Likaantunut kenno tuottaa huonosti

Aurinkokennovoimalan yksittäisten kennojen toimintaolosuhteiden välisillä eroilla on haitallisia vaikutuksia voimalan toimintaan. Erityisesti voimalan osittaisesta varjostuksesta voi olla suurta haittaa sen toiminnalle. Osittaisella varjostuksella tarkoitetaan tilannetta, jossa voimalan eri kennot vastaanottavat eri määrän säteilyä johtuen varjostuksesta. Osittaisvarjostus voi johtua monista syistä, kuten voimalan yli liikkuvista pilvistä, voimalaa ympäröivistä puista ja rakennuksista tai paneelien likaantumisesta.

Aurinkokennojen sarjaankytkentä on hyvin altis osittaisvarjostuksen vaikutuksille. Kennon läpi kulkeva virta on sama kaikille sarjaankytketyille kennoille. Joten jos yhdellä kennoista on muita matalampi oikosulkuvirta, johtuen esimerkiksi pienemmästä säteilyvoimakkuudesta, rajoittaa tämä kenno koko sarjaankytkennän virtaa. Kun sarjaankytkennän virta ylittää tämän kennon oikosulkuvirran, kenno ei enää tuota tehoa, vaan kuluttaa osan sarjaankytkennän muiden kennojen tuottamasta tehosta.

Kennon kuluttaman tehon kasvu voi johtaa kennon liialliseen kuumenemiseen ja tuhoutumiseen. Tästä ilmiöstä käytetään nimitystä hotspot. Sarjaankytkettyjä kennoja voidaan suojata hotspot-ilmiöltä kytkemällä sarjaankytkettyjen kennojen rinnalle ohitusdiodeita. Tällöin kennon oikosulkuvirran ylittävä osa sarjaankytkennän virrasta kulkee ohitusdiodin kautta, eikä vaurioita kennoa. Ohitusdiodien käytöllä on myös haittapuolia. Usein haitallisin ongelma on se, että ohitusdiodit voivat aiheuttaa sarjaankytkennän tehokäyrälle useita maksimitehopisteitä. Tällöin järjestelmän maksimitehopisteen seuranta vaikeutuu, eikä järjestelmää välttämättä pystytä käyttämään globaalissa maksimitehopisteessään.

Aurinkokennojen rinnankytkentä ei ole yhtä altis osittaisen varjostuksen vaikutuksille kuin kennojen sarjaankytkentä. Rinnankytkennän tapauksessa jokaisen kennon jännite on yhtä suuri. Aurinkokennon maksimitehopisteen jännite ei riipu kuin heikosti kennoon kohdistuvasta säteilyvoimakkuudesta, joten eri säteilyvoimakkuudelle altistettujen kennojen maksimitehopisteiden jännitteet eivät eroa paljoa toisistaan. Pieni poikkeama maksimitehopisteen jännitteestä ei aiheuta huomattavaa menetystä tuotetussa energiassa.
  

Osittaisvarjostus aiheuttaa yhteensopimattomuushäviöitä

Yksi merkittävimmistä osittaisvarjostuksen haitoista on yhteensopimattomuushäviöt, joilla tarkoitetaan voimalan kennojen yhteenlasketun saatavilla olevan maksimitehon ja voimalasta saatavan maksimitehon välistä erotusta. Yhteensopimattomuushäviöt ovat seuraavat siitä, että vaikka voimala toimisikin globaalissa maksimitehopisteessään, yksittäiset kennot eivät välttämättä toimi omissa maksimitehopisteissään.

Osittainen varjostus aiheuttaa tyypillisesti useita paikallisia maksimitehopisteitä (MPP, maximum power point) aurinkokennovoimalan teho-jännitekäyrälle.Käytännössä yhteensopimattomuushäviöitä esiintyy aina jossain määrin. Verkkoon kytketyn aurinkokennovoimalan yhteensopimattomuushäviöihin voidaan vaikuttaa voimalan sähköisellä ja fyysisellä kytkentätopologialla sekä vaihtosuuntaajien suunnittelulla.

Aiheesta tehdyssä diplomityössä tutkittiin aurinkokennovoimalan rakenteen vaikutusta voimalan toimintaan liikkuvien pilvien aiheuttamissa osittaisissa varjostustilanteissa, tavoitteena tutkia eri voimalarakenteiden varjostusherkkyyttä. Työssä toteutetun ja kokeellisesti verifioidun aurinkosähkögeneraattorin simulointimallin avulla voidaan tutkia voimalan yhteensopimattomuushäviöitä ja maksimitehopisteen käyttäytymistä osittaisvarjostustilanteissa.

Työssä tutkittiin tätä mallia käyttäen series-parallel (SP), total-cross-tied (TCT) ja multi-string (MS) -rakenteisten aurinkokennovoimaloiden varjostusherkkyyttä kolmessa eri varjojen liikesuunnassa: kohtisuorassa voimalan sarjaankytkettyihin ketjuihin nähden, niiden suuntaisesti ja voimalan lävistäjän suuntaisesti. Lisäksi varjon terävyyttä, joka ilmaisee säteilymuutoksen nopeutta varjon reunalla, vaihdeltiin. Lähellä olevien kohteiden varjot ovat yleensä terävämpiä kuin kaukana olevien kohteiden kuten pilvien.

Jopa varjon muoto ja terävyys vaikuttaa

Työssä saavutetut simulointitulokset osoittavat, että niin voimalan rakenteella ja koolla, varjon liikesuunnalla kuin varjon terävyydelläkin on huomattava vaikutus voimalan yhteensopimattomuushäviöihin. Suhteelliset yhteensopimattomuushäviöt ovat pienimmät varjon liikkuessa kohtisuoraan voimalan sarjaankytkentöihin nähden. Tällöin MS-voimalalla ei ole lainkaan yhteensopimattomuushäviöitä. SP- ja TCT-voimaloiden yhteensopimattomuushäviöt ovat yhtä suuret ja lähes merkityksettömän pienet.

Simulointitulosten mukaan multi-string (MS) -rakenteinen voimala on vähiten herkkä osittaisvarjostuksen haittavaikutuksille. Varjon liikkuessa sarjaankytkentöjen suuntaisesti, jokaisen voimalatyypin yhteensopimattomuushäviöt ovat yhtä suuret. Varjon liikkuessa voimalan lävistäjän suuntaisesti, yleisesti käytettyä kokoluokkaa olevan MS-voimalan yhteensopimattomuushäviöt ovat huomattavasti pienemmät kuin SP- ja TCT-voimaloiden, joiden yhteensopimattomuushäviöt ovat lähes yhtä suuret.

Riippumatta pilven liikesuunnasta voimalan suhteelliset yhteensopimattomuushäviöt ovat pienimmillään voimalan koon ollessa pieni, koska pienien voimaloiden säteilyolosuhteet ovat suuria voimaloita tasaisemmat osittaisvarjostustilanteissakin. Simulointitulosten mukaan MS-voimala on vähiten herkkä osittaisvarjostuksen haittavaikutuksille. Tasaisissa säteilyolosuhteissa MS-voimalan kokonaishyötysuhde on kuitenkin pienempi kuin SP- ja TCT-voimaloiden johtuen MS-voimalan DC-DC -muuntimista.

Vaikka eri voimalarakenteiden yhteensopimattomuushäviöt voivatkin erota toisistaan huomattavasti osittaisvarjostustilanteissa, ei yhteensopimattomuus häviöitä esiinny tasaisissa olosuhteissa. Yhteensopimattomuushäviöiden minimoinnilla saavutettu hyöty riippuukin pitkälti osittaisvarjostuksen määrästä voimalan sijoituspaikassa. Käytännössä haluttu voimalan kokoluokka ja pilvisyys sen sijoituspaikassa määrittävät, mikä voimalarakenne on perustelluin. Mikäli voimalan sijoituspaikassa pilvet liikkuvat tyypillisesti tiettyyn suuntaan, tulisi voimala sijoittaa siten, että vallitseva pilvien kulkusuunta on kohtisuorassa voimalan sarjaankytkentöihin nähden.

Tutkimusvoimalan mittausdatasta apua

Jotta liikkuvien pilvien aiheuttamia ilmiöitä voidaan tutkia perusteellisesti, on perehdyttävä pilvien aiheuttamien varjojen tyypilliseen käyttäytymiseen ja ominaisuuksiin, kuten varjon nopeus, suunta, koko ja terävyys. Tampereen teknillisen yliopiston Sähkötekniikan laitoksen katolle asennettu tutkimusvoimala tarjoaa oivalliset edellytykset tähän tutkimukseen.

Tampereen teknillisen yliopiston Sähkötekniikan laitoksen katolle asennettu tutkimusvoimala.Tutkimusvoimalan sääasema sisältää ilman lämpötilan, suhteellisen kosteuden, tuulen suunnan ja nopeuden sekä globaalin ja diffuusin säteilyvoimakkuuden mittaukset, tämän lisäksi voimalassa on joukko antureita paneelien lämpötilan ja niihin kohdistuvan säteilyvoimakkuuden mittaamiseksi eripuolilta voimalaa. Mittausjärjestelmä on ainutlaatuinen ja avaa mahdollisuuksia osittaisvarjostuksen tarkkaan ja kattavaan tutkimiseen.

Jatkossa voimalan mittausdataa tullaan hyödyntämään muun muassa tutkittaessa kuinka suurten aurinkokennovoimaloiden sähköisillä ja fyysisillä topologioilla voidaan vaikuttaa voimalan tehohäviöihin ja globaalin maksimitehopisteen ominaisuuksiin sekä kuinka voimalan tehohäviöt ja globaali maksimitehopiste käyttäytyvät erilaisissa osittaisvarjostustapauksissa. Voimalan rakennetta suunniteltaessa ja valittaessa on ensiarvoisen tärkeää tuntea voimalan sähköisten ja fyysisten topologioiden vaikutukset voimalan tehontuotantoon. Voimalan globaalin maksimitehopisteen käyttäytymisen tunteminen on tärkeää suunniteltaessa ja mitoitettaessa voimalan verkkoonkytkentälaitteita ja kehitettäessä maksimitehopisteen seuranta-algoritmeja.


Kirjoittajan diplomityö “Effects of Climate and Environmental Conditions on the Operation of Solar Photovoltaic Generators” hyväksyttiin 3.4.2013. Tämän jälkeen hän työskenteli Tampereen teknillisessä yliopistossa Sähkötekniikan laitoksella tohtorikoulutettavana.