Kuvassa 3 laatikon sisäpuoli kuvaa akun hallintajärjestelmän toimintoja ja tehtäviä, ener-giavarastolla tarkoitetaan tässä tapauksessa sähkökemiallista akkua, ja ulkoinen järjes-telmä käsittää esimerkiksi akkua varaavaan aurinkosähköjärjesjärjes-telmän, sekä ulkoiset kuormat ja sähköverkon. [24]
Akun hallintajärjestelmän ensimmäisenä tehtävänä on kerätä mittausdataa suoraan energiavarastolta. Tyypillisesti dataa kerätään ainakin kennojännitteiden, yksittäisten kennojen lämpötilan, sekä koko energiavaraston virran osalta. Kennojännite mitataan jokaisen yksittäisen kennon osalta, joissain BMS ratkaisuissa mitataan myös kokonais-jännite, toisissa se vain lasketaan yksittäisten kennojännitteiden perusteella. Energiava-raston käyttökohteesta riippuen, mittausdataa voidaan kerätä esimerkiksi minuutin tai 10 sekunnin välein. Tällainen mittaustaajuus on riittävä esimerkiksi varaenergialähteenä toi-mivien akkujen yhteydessä, tai aurinkosähkön energiavarastoissa. Vähintään yksi mit-taus sekunnissa vaaditaan käyttökohteissa, joissa virran arvo vaihtelee nopeasti. Tällai-nen mittaustaajuus vaaditaan esimerkiksi ajoneuvojen yhteydessä. Energiavaraston lämpötilaa mitataan yleensä joko akkutasolla, tai sitten yksittäisten kennojen osalta. Ken-nokohtainen lämpötilan seuraaminen on akun turvallisuuden ja eliniän kannalta parempi vaihtoehto, mutta nostaa investointikustannuksia merkittävästi, sillä lämpötila-antureita tarvitaan useampia. Virran osalta mitataan tyypillisesti vain energiavaraston kokonaisvir-taa, jonka avulla pystytään määrittämään akun sisäinen resistanssi. Samalla varmiste-taan akun purkaus- ja latausvirran pysyminen määrättyjen raja-arvojen sisällä. Koska akun sisältämät kennot ovat sarjaan kytkettynä, on niiden läpi kulkeva virta myös sama, jolloin vain yksi mittauskohta on riittävä. Energiavaraston virtaa mitataan tyypillisesti joko
antureiden tai resistiivisyydeltään pienen shunttivastuksen avulla. Kennojen sisäisen im-pedanssin määrittämiseksi, tulee hallintajärjestelmän suorittamat virta- ja jännitemittauk-set suorittaa synkronisesti, jotta arvot vastaavat ajanhetkiltään toisiaan. [23, 24]
Sähkökemiallisen akun BMS -komponentti hallitsee energiavarastoa keräämänsä mit-tausdatan ja sille asetettujen turvallisen toiminnan rajojen puitteissa. Kerätyn mittausda-tan perusteella hallintajärjestelmä suojelee ja tasapainottaa akkua. Kennoille on asetettu raja-arvot jatkuvan purkamis- ja varausvirran osalta, sekä raja-arvot niiden huippuar-voille. Hallintajärjestelmä vertaa keräämäänsä mittausdataa kyseisiin arvoihin, ja tarvit-taessa rajoittaa virran kulkua tai katkaisee sen kokonaan. Myös kennojännitteet pidetään asetettujen rajojen sisällä virran arvoa säätelemällä. Osaltaan myös kennojen lämpötilaa voidaan säädellä purkamis- tai varausvirtaa rajoittamalla, mutta joissain sovelluksissa käytetään myös aktiivista lämmitystä ja viilennystä. Usein akuissa on passiivisia tasapai-notukseen tarkoitettuja kuormia, jotka alkavat lämmittää energiavarastoa kun niihin oh-jataan virtaa. Samoin energiavarastojen yhteydessä olevia tuulettimia voidaan tarvitta-essa säätää päälle ja pois viilennystarpeen perusteella. [23, 24]
Energiavaraston tasapainottaminen on yksi akun hallintajärjestelmän tärkeistä tehtä-vistä, jolla varmistetaan että jokaisen yksittäisen kennon varaustilanne on sama. Jos osassa akun kennoista on eri varaus kuin toisissa, jää osa kennojen täydestä potentiaa-lista hyödyntämättä. Tämä johtuu siitä, että kennojen varausta seurataan yksittäisen kennon tasolla, ja jos yhden kennon varaus pääsee sallitulle DOD -rajalle, alkaa hallin-tajärjestelmä rajaamaan ja lopulta katkaisemaan akun purkamisvirtaa, vaikka muissa kennoissa varausta olisikin vielä jäljellä. Akun katsotaan olevan tasapainossa, kun tie-tyllä ajanhetkellä kaikkien sen yksittäisten kennojen kennojännite on yhtä suuri. Tyypilli-sin lähestymistapa kennojen tasapainottamiseen on akun varaushetkellä. Kun suuri osa kennoista saavuttavat täyden varauksensa, mutta jotkin yksittäiset kennot eivät ole sitä vielä saavuttaneet, osa täysien kennojen varauksesta johdetaan kennon sisäisiin passii-visiin kuormiin, jossa se muuttuu lämmöksi. Tätä prosessia jatketaan kunnes kaikki ken-not ovat saavuttaneet täyden varauksensa, ja niiden keskinäiset kennojännitteet ovat yhtä suuret. [24]
Mittaamansa datan perusteella akun hallintajärjestelmä pystyy laskemaan ja arvioimaan tiettyjä energiavaraston tilan kannalta merkityksellisiä suureita. Nämä arvot ovat lähinnä olennaisia käyttäjän kannalta, eikä niitä suoraan käytetä itse energiavaraston toimintoi-hin. Kuva 4 havainnollistaa mitä parametrejä akun hallintajärjestelmä tyypillisesti kerätyn mittausdatan perusteella muodostaa.
Kerätyn jännite-, virta- ja lämpötiladatan lisäksi akun hallintajärjestelmä saa tiedon akun tilasta aktivointi- ja erotus-/liittämissignaalien välityksellä (engl. Interlock signal), joiden avulla hallintajärjestelmä tietää onko akku aktiivisena vai valmiustilassa, sekä jos akku on aktiivisena, niin puretaanko vai varataanko sitä. Tämä tieto välitetään edelleen eteen-päin myös käyttäjälle. Kerätty data muutetaan käyttäjäystävällisempään muotoon, ja esi-merkiksi akun varaustilanne eli SOC (engl. State Of Charge) ilmoitetaan prosentteina akun nimellisiin ominaisuuksiin verrattuna. [23, 24]
Akun hallintajärjestelmä vastaa myös kommunikoinnista energiavaraston ja ulkoisen jär-jestelmän välillä. Jotta energiavarasto pystyy suorittamaan sille tarkoitettua tehtävää, tu-lee ulkoisen järjestelmän tietää, milloin akussa on hyödynnettävissä olevaa varausta ja vastaavasti milloin akun varausta voidaan lisätä. Akun hallintajärjestelmän taas tulee tie-tää, milloin akusta on tarvetta purkaa energiaa, ja kuinka suurelle määrälle energiaa on kulloinkin tarvetta. Kaikki tämä kommunikointi järjestelmien välillä on jatkuva-aikaista, ja eri toimenpiteitä vaativat tehtävät tulisi tapahtua mahdollisimman pienellä viiveellä. Kom-munikointi tapahtuu tyypillisesti joko suoran datakaapelin välityksellä, tai langattomasti datalinkkien avulla. Kommunikointi voi tapahtua esimerkiksi Ethernetin kautta paikalli-sessa lähiverkossa eli LAN:issa (engl. Local Area Network) tai RS-232 kommunikaati-ostandardin mukaisessa suorassa ja pysyvässä datakaapeliyhteydessä. Aurinkosähkö-akuston tapauksessa akun hallintajärjestelmä kommunikoi itse aurinkosähköjärjestel-män kanssa tyypillisesti järjestelmään liitetyn vaihtosuuntaajan eli invertterin välityksellä, jolloin järjestelmät tietävät, milloin akkua voidaan aurinkosähkön avulla varata. Vastaa-vasti hallintajärjestelmä keskustelee itse käyttökohteen kanssa esimerkiksi AC-sensorin välityksellä, jolloin tiedetään, milloin akkua tulee purkaa tai varata. [23, 24]
Akun hallintajärjestelmän viimeisenä tehtävänä on kirjata keräämänsä mittausdata ja sen perusteella lasketut parametrit ulkoiseen muistiin. Ulkoisen muistin käyttäminen on huomattavasti kapasiteetiltaan kustannustehokkaampaa, kuin datan säilyttäminen itse Kuva 4. Litiumakun hallintajärjestelmän muodostamat parametrit [23].
hallintajärjestelmän muistissa. Tyypillisesti data kerätään joko fyysisesti järjestelmän lä-heisyydessä sijaitsevaan dataloggeriin, tai tallennetaan johonkin etäämpänä sijaitsevaan kohteeseen kuten esimerkiksi pilvipalveluun. Usein akkujärjestelmien toimittajilla on luo-tuna järjestelmän yhteyteen erilaisia käyttöliittymiä, joiden yhteydessä myös kerätty data säilytetään. [24]
Akun hallintajärjestelmän toteutustapoja on erilaisia käyttötarkoituksesta riippuen. Eri hallintajärjestelmiä voidaan jakaa kategorioihin niiden sisältämien toimintojen, käytetyn teknologian, topologian ja tasapainottamiseen liittyvien ominaisuuksien perusteella. Yk-sinkertaisimmillaan akun hallintajärjestelmä voi olla niin sanottu CCCV -laturi, jonka ly-henne tulee englanninkielisestä ilmaisusta constant current constant voltage, eli siis va-kiovirta vakiojännite. Laturi varaa akkua asetetulla vakiovirralla ja kun akun jännite saa-vuttaa asetetun vakioarvon, akun varaaminen tiedetään lopettaa. Tämän tyylinen hallin-tajärjestelmä ei kuitenkaan itsessään sisällä keinoja kennojen ylivaraamisen tai -purka-misen ehkäisemiseksi, eikä CCCV -laturi myöskään kykene kennojen tasapainottami-seen. Toiminnallisten puutteidensa takia, CCCV -laturi vaatisi siis tuekseen muita kom-ponentteja puuttuvia toimintoja suorittamaan. Yksinkertaisissa käyttökohteissa voidaan käyttää hallintajärjestelmänä säädintä (engl. Regulator), joka ei itsessään sisällä akun suojaustoimintoja ylivaraamisen tai -purkamisen osalta, mutta sen avulla akun kennoja pystytään tasapainottamaan. Valvoja -hallintajärjestelmätekniikka (engl. Monitor) lisää toimintoihin suojauksen, mutta ei tasapainottamista. Tasapainottaja -hallintatekniikka (engl. Balancer) sisältää jonkin verran suojausta, sekä kennojen tasapainottamisominai-suuden. Kattavin akun hallintajärjestelmätekniikoista on niin sanottu suojelija (engl. Pro-tector), joka kattaa kaikki aiemmin mainitut hallintajärjestelmän ominaistoiminnot. [24]
Akun hallintajärjestelmät voidaan jakaa myös analogisiin ja digitaalisiin toteutustekniikoi-hin. Analogisia järjestelmiä voidaan käyttää yksinkertaisimmissa sovelluksissa, joissa tarvittavan informaation määrä akun ja hallintajärjestelmän välillä on pieni. Monimutkai-semmissa ja kehittyneemmissä sovelluskohteissa käytettävät hallintajärjestelmät ovat ainakin osittain digitaalisia. Esimerkiksi kennojännitteet voidaan mitata analogisesti, mutta analogiset signaalit ohjataan multiplekserin kautta A/D -muuntimelle (engl. Analog-to-Digital), jonka avulla kerätty tieto saadaan digitaaliseen muotoon. Myös telmien topologioissa voi olla eroja käyttökohteesta riippuen. Keskitetyssä hallintajärjes-telmätyypissä yksi BMS seuraa kaikkien kennojen toimintoja, jolloin kokonaisuus on kompakti ja kustannustehokas. Modulaarisessa järjestelmässä akun kennojen valvonta on jaettu kahden tai useamman hallintajärjestelmäyksikön välille, jotka taas ovat
kom-munikaatioyhteydessä keskenään. Tämä hallintajärjestelmä -topologia on kustannuksil-taan suurempi kuin keskitetty, mutta realistisempi toteutustapa sovelluksissa, joissa ken-noja on esimerkiksi kymmeniä tai satoja. Master-Slave -hallintajärjestelmätyyppi jakaa modulaarisen topologian tapaan kennot eri BMS -yksiköiden välille, mutta toteutusta-vassa on vielä lisäksi erillinen yksikkö, joka kokoaa eri hallintajärjestelmien keräämän datan yhteen käsittelemistä varten. Hajautettu hallintajärjestelmä topologia (engl. distri-buted) eroaa merkittävästi muista tekniikoista. Siinä kennojen sisältämä elektroniikka, kuten mittarit ja sensorit ovat tuotuna kennokotelon ulkopuolelle erilliselle piirilevylle, joka on kuitenkin suoraan yhteydessä itse kennoon. Nyt hallintajärjestelmä pystyy lukemaan dataa suoraan piirilevyiltä yksinkertaisen datayhteyden avulla. Hajautettu topologia pa-rantaa kerätyn datan luotettavuutta, mutta samalla nostaa investointikustannuksia mer-kittävästi. [24]
3.2 Aurinkosähköjärjestelmän topologiat
Aurinkosähköakustojen yhteydessä käytettävät erilaiset järjestelmätopologiat jaotellaan pääasiassa itse energiavaraston sijainnin perusteella. Eri toteutustavat poikkeavat toi-sistaan asennusteknisesti, sekä järjestelmän komponenteille asetettujen vaatimusten ja ominaisuuksien perusteella. Tällä hetkellä kaupallisessa käytössä on pääasiassa kol-mea erilaista toteutustapaa, joissa energiavarasto tulee joko järjestelmän DC -puolelle, AC -puolelle tai kyseessä on näiden välinen hybridiratkaisu. Tyypillisesti valittavan topo-logian määrittää aurinkosähköjärjestelmän yhteydessä oleva vaihtosuuntaaja, tai itse ak-kujärjestelmä. Kuva 5 havainnollistaa AC -puolelle tulevan aurinkosähköakuston järjes-telmätopologiaa.
Kuva 5. Aurinkosähköjärjestelmän AC -puolella olevan akun topologiakaavio [26].
Kuvassa 5 PV -merkintä tarkoittaa akuston varaamiseen käytettävää aurinkosähköjär-jestelmää. Nuolten suunta kuvaa virran kulkusuuntaa, punaisella merkitty nuoli tarkoittaa tasavirtaa DC ja sininen nuoli tarkoittaa vaihtovirtaa AC. Kuvan 5 mukaisessa topologia-ratkaisussa aurinkosähköjärjestelmän tuottama tasavirta tuodaan suoraan järjestelmän vaihtosuuntaajalle eli invertterille, joka muuttaa tasavirran vaihtovirraksi. Invertteri on keskusteluyhteydessä joko suoran datakaapelin tai langattoman datalinkin välityksellä kohteen sähkökeskuksessa olevaan mittariin, jonka avulla invertterille saadaan tieto koh-teen sähkökulutuksesta kullakin ajanhetkellä mahdollisimman reaaliaikaisesti. Invertte-rillä itsellään taas on tieto kohteen aurinkosähköjärjestelmän energiantuotannosta. Ilman aurinkosähköakkua ylituotanto ohjattaisiin sähköverkkoon, mutta nyt akun kanssa ti-lanne on toisin. Kun invertteri havaitsee että aurinkosähköjärjestelmän tuottama energia ylittää kohteen hetkellisen kulutuksen, ohjaa se tuotannon ja kulutuksen välisen erotuk-sen akun yhteydessä olevalle tasasuuntaajalle, joka muuttaa saamansa vaihtovirran ta-savirraksi akun varaamista varten. Mikäli invertteri saa akun hallintajärjestelmältä tiedon, että akun kapasiteetti on täynnä eikä se pysty vastaanottamaan enempää varausta, yli-tuotanto ohjataan tässä tapauksessa sähköverkkoon. Vastaavasti kun kulutus ylittää tuo-tannon ja akusta aletaan purkamaan varausta kohteen kulutuksen käyttöön, tulee tasa-virta jälleen kerran muuttaa vaihtovirraksi. Jos akun kapasiteettia ei ole tarpeeksi käy-tössä vastaamaan kulutuksen tarpeeseen, tai akku ei pysty antamaan tarpeeksi tehoa
kerralla tarpeen kattamiseksi, otetaan puuttuva energia sähköverkosta. Jotta tässä topo-logiaratkaisussa akulta saadaan lopulta energiaa kohteen käyttöön, tulee virran muutok-sia siis yhteensä kolme kappaletta. [26]
Kuvassa 6 on esitettynä topologiaratkaisu, jossa aurinkosähköjärjestelmän akusto liite-tään suoraan järjestelmän DC -puolelle.
Kuva 6. Aurinkosähköjärjestelmän DC -puolella olevan akun topologiakaavio [26].
Kuvan 6 topologiavaihtoehdossa aurinkosähköakusto sijaitsee heti aurinkosähköjärjes-telmän jälkeen, jolloin ennen akkua vaaditaan vain DC/DC -muunnin. Muunnin vaaditaan sen takia, että aurinkosähköpaneeleiden tuottama jännite ja virta ovat sidoksissa ulkoi-siin olosuhteiulkoi-siin, kuten auringon säteilymäärään ja ulkoilman lämpötilaan, minkä takia paneeleiden syöttämän tasavirran suuruus vaihtelee ajanhetkittäin. DC/DC -muuntajan avulla virta saadaan akulle sopivaksi. Käytännössä DC -muuntajia on kaksi kappaletta, niin sanottu step-down DC/DC -muuntaja laskee aurinkopaneeleilta tulevan jännitteen akulle sopivaksi, ja step-up DC/DC -muuntaja nostaa jännitteen takaisin invertteriä var-ten. Tässä vaihtoehdossa akun hallintajärjestelmän tulee olla aurinkosähköjärjestelmän lisäksi yhteydessä kohteen sähkökeskukseen liitettyyn AC-sensoriin, jotta hallintajärjes-telmä saa mahdollisimman reaaliaikaisen tiedon kohteen kulutuksesta. Tarpeen mukaan akkua voidaan varata tai purkaa, mutta DC/AC -muunnoksia tulee vain yksi kappale, parantaen järjestelmän hyötysuhdetta huomattavasti. Hyötysuhteen lisäksi järjestelmän etuna on se, että se sopii yhteen lähes jokaisen invertterimallin kanssa, ja on helppo asentaa järjestelmään myös jälkikäteen, ilman tarvetta komponenttivaihdoksille. [26]
Kolmas kaupallisessa käytössä oleva topologiavaihtoehto on kahden edellä esitetyn vaihtoehdon välimaastosta, ja sen topologiakaavio on esitettynä kuvassa 7.
Kuva 7. Aurinkosähköjärjestelmän AC/DC hybridiakun topologiakaavio [26].
Kuvan 7 mukaisessa hybriditopologiassa aurinkosähköakku liitetään suoraan invertterin omaan DC -piiriin, jolloin DC/AC -muunnoksia tarvitaan vain yksi kappale. Tapauskoh-taisesti saatetaan kuitenkin vaatia ylimääräinen DC/DC -muunnin, mikäli invertterin ja akun jännitetasot poikkeavat toisistaan. Tässä topologiaratkaisussa akun hallintajärjes-telmä kommunikoi invertterin kanssa akun varaamiseen ja purkamiseen liittyvien toimin-tojen suorittamiseksi. Kuvan mukaisen topologiajärjestelmän ongelmana on niin sanotun hybridi-invertterin tarve. Tämä tarkoittaa, että jos akkujärjestelmä halutaan liittää jo ole-massa olevaan aurinkosähköjärjestelmään, saatetaan järjestelmän perinteinen aurin-kosähköinvertteri joutua vaihtamaan uuteen hybridi -malliin. [26, 27]
3.3 Kokonaishyötysuhteen muodostuminen
Kun tarkastellaan aurinkosähköakuston kokonaishyötysuhdetta, tarkastellaan käytän-nössä erotusta paneeleista akkuihin varattavan ja akuista kulutuksen käyttöön puretta-van energiamäärän välillä. Hyötysuhteella havainnollistetaan, kuinka suuri osa energia-varastoon varaamiseen käytetystä energiasta on konkreettisesti käytettävissä.
Energia-varaston osalta kokonaishyötysuhteessa otetaan huomioon vain energiaEnergia-varaston raja-pinnassa olevat komponentit ja tekijät, eikä huomioon oteta esimerkiksi aurinkosähkö-paneeleiden tai ulkoisten kuormien hyötysuhteita. Pääasiassa kokonaishyötysuhtee-seen vaikuttavat käytetyn akkuteknologian hyötysuhde, sekä järjestelmään liitettyjen tasa- ja vaihtosuuntaajien hyötysuhteet. Myös järjestelmään liitetyillä DC- ja AC -kaape-leilla muodostuvat jännitehäviöt vaikuttavat omalta osaltaan järjestelmän kokonaishyöty-suhteeseen.
Yksi syistä litiumakkujen suosioon on niiden hyvä hyötysuhde. Litium-ion kennon sisäi-nen resistanssi on sangen pieni, minkä takia vain hyvin pieni osa sinne varatusta ener-giasta muuttuu prosessin aikana lämmöksi. Kun otetaan huomioon sekä akun varaami-sesta, että purkamisesta aiheutuvat häviöt, voidaan nykyaikaisilla litiumakuilla saavuttaa jopa 98%:in hyötysuhde [24]. Kennon hyötysuhde laskee korkeammilla virran arvoilla, sillä isompi osa energiasta muuttuu lämmöksi. Virrasta ja kennon sisäisestä resistans-sista aiheutuvat tehohäviöt voidaan ilmaista kaavan 9 mukaisesti
𝑃𝐻= 𝑅𝐼2, (9)
Jossa 𝑃𝐻 tarkoittaa tehohäviöitä, R kennon sisäistä resistanssia ja Ilataus- tai purkamis-virtaa. Myös kennon ikääntymisellä sen syklisen kestoisuuden näkökulmasta on oma vaikutuksensa kapasiteetin pienenemisen lisäksi myös itse kennon hyötysuhteen piene-nemiseen. Toistuvien purkamis- ja varaamissyklien jälkeen kenno menettää osan aktii-visesta materiaalistaan, mikä näkyy myös kennon sisäisen resistanssin kasvuna. [24]
Akun lisäksi järjestelmän kokonaishyötysuhteen kannalta merkittävimmät komponentit ovat sen sisältämät tasa- ja vaihtosuuntaajat, joiden lukumäärä vaihtelee järjestelmäto-pologiasta riippuen. Akkujärjestelmän hyötysuhdetta voidaan verrata perinteiseen aurin-kosähköjärjestelmään ilman energiavarastoa, jossa ainoana hyötysuhteeseen vaikutta-vana komponenttina on järjestelmän vaihtosuuntaaja. Järjestelmätopologiassa, jossa akku kytketään järjestelmän DC -puolelle, hyötysuhde muodostuisi kaavan 10 mukai-sesti.
𝜂𝑡𝑜𝑡= 𝜂𝑠𝑑𝜂𝑏𝑎𝑡𝜂𝑠𝑢, (10)
jossa 𝜂𝑡𝑜𝑡 tarkoittaa energiavaraston kokonaishyötysuhdetta, 𝜂𝑠𝑑 stepdown DC/DC -muuntajan hyötysuhdetta, 𝜂𝑏𝑎𝑡 itse akun hyötysuhdetta ja 𝜂𝑠𝑢 step-up DC/DC -muunta-jan hyötysuhdetta. [26]
Niin sanotussa hybriditopologiassa kaavaan 10 tulee lisätä yhtenä komponenttina lisäksi aurinkosähköinvertterin muuntosuhde invertterin ja akun väliltä. Esimerkiksi invertterival-mistaja Fronius ilmoittaa omille hybridi-inverttereilleen kyseiseksi arvoksi 90%:ia [27].
Nyt järjestelmän kokonaishyötysuhde muodostuu kaavan 11 mukaisesti.
𝜂𝑡𝑜𝑡= 𝜂𝑝𝑣_𝑏𝑎𝑡𝜂𝑠𝑑𝜂𝑏𝑎𝑡𝜂𝑠𝑢, (11)
jossa 𝜂𝑝𝑣_𝑏𝑎𝑡 tarkoittaa aurinkosähköinvertterin hyötysuhdetta invertterin ja akun välisiin muutoksiin liittyen. Hybridi-invertterin tuoma ylimääräinen muunnos heikentää akkujär-jestelmän kokonaishyötysuhdetta verrattuna DC -puolelle kytkettävään järjestelmään.
[26]
Järjestelmätopologiassa, jossa akku on liitettynä järjestelmän AC -puolelle, aurinkosäh-köpaneeleiden tuottama tasavirta muutetaan aluksi vaihtovirraksi aurinkosähköjärjestel-män vaihtosuuntaajan avulla. Kun järjestelaurinkosähköjärjestel-män yhteydessä olevaa energiavarastoa lutaan varata, tulee vaihtovirta muuttaa tasavirraksi akkua varten. Kun akun varaus ha-lutaan ottaa järjestelmän käyttöön, tulee tasavirtaa taas vastaavasti muuttaa vaihtovir-raksi. Kyseisen topologiaratkaisun kokonaishyötysuhde akkujärjestelmän kannalta saa-daan kaavan 12 mukaisesti.
𝜂𝑡𝑜𝑡= 𝜂𝐴𝐶/𝐷𝐶𝜂𝑏𝑎𝑡𝜂𝐷𝐶/𝐴𝐶, (12)
jossa 𝜂𝐴𝐶/𝐷𝐶 tarkoittaa hyötysuhdetta kun vaihtovirta muutetaan tasavirraksi, ja 𝜂𝐷𝐶/𝐴𝐶 hyötysuhdetta kun tasavirta muutetaan uudelleen vaihtovirraksi. Myös järjestelmässä esiintyvät johtojen aiheuttamat jännitehäviöt vaikuttavat omalta osaltaan kokonaishyöty-suhteeseen. Jännitehäviöiden suuruus riippuu johdolla kulkevan virran suuruudesta, sekä itse johdon kokonaisresistanssista suhteessa sen pituuteen. [26]
4. AKKU OSANA AURINKOSÄHKÖJÄRJESTEL-MÄÄ
Edellytykset aurinkosähkön tuottamiseksi Suomessa ovat hyvät, vaikka energian saan-nissa on jonkin verran alueellisia eroja. Esimerkiksi Lounais- ja Etelä-Suomessa aurin-gon vuotuinen säteilyn määrä vastaa Keski-Euroopan arvoja, mutta vuotuisen säteilyn määrä pienenee maantieteellisesti pohjoisempaan päin mentäessä [28]. Teollisuuden, maatalouden ja kaupan alan energiankulutus on usein hyvin tasaista, kun taas kuluttajilla kulutus tyypillisesti seuraa vuoden- ja vuorokaudenaikoja. Ylivoimaisesti suurin osa asu-misen energiankulutuksesta Suomessa kuluu tilojen lämmittämiseen, jonka jälkeen suu-rin osuus on käyttöveden lämmityksellä. Esimerkiksi sähkölaitteiden käytön ja valaistuk-sen aiheuttama energiankulutus on sangen pientä lämpimän ilman ja -veden tuottami-seen verrattuna [29]. Tästä johtuen valtaosa kuluttajan energiankäytöstä keskittyy pime-ään ja kylmpime-ään aikaan, kun taas kesällä kulutuksen arvot ovat pienimmillpime-ään. Kulutus menee ristiin aurinkoenergiasta saatavan energiantuotannon kanssa, jonka suuruus taas on sidoksissa auringosta saatavan säteilyn määrään. Aurinkosähköjärjestelmän energiantuotanto on Suomessa keskimääräisesti suurinta kesäaikaan, ja vastaavasti sangen marginaalista talvella [30].
4.1 Kulutusprofiilit
Energian käyttökohteita ja käyttötarkoituksia on lukemattomia, mutta eri tarkoitusten vä-lillä voidaan löytää samankaltaisuuksia, joita taas voidaan hyödyntää kulutuksen profi-loinnissa. Esimerkiksi kaupan- ja palvelualan kohteiden energiankulutus seuraa pääasi-assa käyttöpaikan aukioloaikoja. Käyttökohteen ollessa suljettuna, energiankulutus on vain peruskuormaa, kuten lämmitystä ja välttämättömien sähkölaitteiden kulutusta. Au-kioloaikoina energiankulutus on taas suurempaa, ja sähköä kuluu enemmän muun mu-assa valaistukseen ja ilmanvaihtoon. Teollisuuden ja maatalouden energiankulutus on taas pääasiassa sidottuna kohteen prosessiin ja prosessin toteutukseen. Esimerkiksi te-ollisuudessa, jossa pääasiallista toimintaa toteutetaan useassa eri vuorossa, on energi-ankulutus usein tasaisempaa kuin vastaavassa yhden vuoron toteutustavassa. Kulutta-jakohteissa on myös eroa esimerkiksi kohteen lämmitysmuodon ja maantieteellisen si-jainnin perusteella. Käyttökohteen kulutusprofiilia voidaan havainnollistaa yksinkertai-sesti kulutuskäyrän avulla, jossa kohteen energiankulutus on jaettuna erimittaisille tar-kastelujaksoille.
Suomessa kuluttajakohteen lämmitysmuodosta ja sijainnista riippuen määrällisessä energiankulutuksessa voi olla suuriakin eroja, mutta itse kulutusprofiilit muistuttavat silti merkittävästi toisiaan. Kuvassa 8 on esitettynä erään Pirkanmaalla sijaitsevan, sähkö- ja puulämmitteisen kuluttajakohteen kuukausikohtainen kulutusprofiili vuoden 2017 ajalta.
Esimerkkinä toimiva kuluttajakohde on kaksikerroksinen omakotitalo, jonka pinta-ala on noin 190 m2. Kohteen lämminvesivaraajaa varataan yösähkön avulla. Kuvassa 8 on pys-tyakselilla esitettynä esimerkkikohteen sähkönkulutuksen suuruus kilowattitunteina, ja vaaka-akselilla kyseisen vuoden kuukaudet.
Kuva 8. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen kuukausitason kulutusprofiili 2017.
Kuvasta 8 on havaittavissa tarkastelukohteen kuukausittainen sähkönkulutus kilowatti-tunteina. Kuvan perusteella voidaan havaita, kuinka kohteen kuukausikohtainen energi-ankulutus on huipussaan tammikuussa, josta se alkaa pienenemään kesää kohti men-täessä. Kulutus on pienimmillään keskikesän kuukausina eli kesä- heinä- ja elokuussa, jonka jälkeen kulutus lähtee taas nousuun, saavuttaen huippunsa joulu- tammi- ja hel-mikuussa. Vaikka eri vuosien välillä on jonkin verran vaihteluja, esimerkiksi ulkolämpöti-lan eroista johtuen, on kuitenkin itse kulutusprofiilin muoto aina lähes sama. Kulutus on suurimmillaan pimeään ja kylmään aikaan, jolloin iso osa energiasta menee käyttöveden ja asuinrakennuksen lämmitykseen. Valoisana ja lämpimänä vuodenaikana kulutus taas
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Sähkönkulutus (kWh)
on pääasiassa sidoksissa lämpimään käyttöveteen ja eri sähkölaitteiden peruskuor-maan. [29]
Kuvassa 9 on esitettynä saman pirkanmaalaisen kohteen sähkönkulutus kuukausitasolla vuodelta 2019, mutta nyt kohteen yhteyteen on liitettynä nimellisteholtaan 3,85 kWp:n aurinkosähköjärjestelmä. Kuvassa 9 on esitettynä kohteen sähkönkulutus pelkästään verkosta ostetun sähkön osalta, eli kohteen aurinkosähköjärjestelmä näkyy profiilissa ostosähkön vähenemisenä.
Kuva 9. Pirkanmaalaisen omakotitalokohteen kuukausitason kulutusprofiili ostosäh-kön osalta 2019.
Kuvan 9 kulutuslukemia verrattaessa vuoden 2017 vastaaviin lukemiin, voidaan havaita kulutuskäyrien olevan muodoltaan hyvinkin samankaltaiset. Sähkönkulutuksen kuukau-sittaisessa suuruudessa on kuitenkin vuosien välillä havaittavissa eroa. Esimerkiksi vuonna 2019 tammikuun sähkönkulutus oli huomattavasti suurempi kuin vuonna 2017.
Tämä johtuu siitä, että vuoden 2019 tammikuu oli keskivertoa kylmempi, ja vuoden 2017 tammikuu vastaavasti keskivertoa leudompi [31], mikä näkyy suoraan lämmityksen vie-mässä sähkönkulutuksessa. Itse aurinkosähköjärjestelmän vaikutus alkaa näkymään
Tämä johtuu siitä, että vuoden 2019 tammikuu oli keskivertoa kylmempi, ja vuoden 2017 tammikuu vastaavasti keskivertoa leudompi [31], mikä näkyy suoraan lämmityksen vie-mässä sähkönkulutuksessa. Itse aurinkosähköjärjestelmän vaikutus alkaa näkymään