Yhdessä aurinkopaneelissa on esim. 36 tai 72 kpl aurinkokennoja kytkettyinä sarjaan, joskus myös rinnan. Yksittäiset kennot ovat liitetty sarjaan, eli plusna-vat on liitetty miinusnapoihin ja kennoston molemmista päistä on vedetty plus- ja miinusnapaiset johtimet aurinkopaneelin takana sijaitsevaan liitinpaneeliin.
[6, s. 57, 64.]
4.4 Aurinkopaneelityypit
Aurinkopaneelit voidaan jakaa kolmeen eri ryhmään.
4.4.1 Yksikiteinen aurinkopaneeli
Yksikiteisestä piistä valmistuvat parhaat aurinkopaneelit, niiden kennot ovat yhtä piikidettä. Yksikiteisellä aurinkopaneelilla saavutetaan paras hyötysuhde muihin paneeleihin verrattuna. Teoriassa yksikiteinen aurinkokenno voi saa-vuttaa 31 % hyötysuhteen. Metallisten virtajohtimien ja kennojen väliin jäävien kaistaleiden pienentämä hyötypinta ja rekombinaatio puolijohteessa kuitenkin alentavat paneelin hyötysuhdetta, ja käytännössä paras mahdollinen yksikitei-sen paneelin hyötysuhde on 17 – 21 %. Yksikiteiyksikitei-sen aurinkopaneelin tunnis-taa siinä olevien aurinkokennojen pyöristetyistä kulmista (kuva 8). [2, s. 43, 46.]
Kuva 8. Yksikiteinen aurinkopaneeli
4.4.2 Monikiteinen aurinkopaneeli
Monikidepaneeleihin käytetystä puolijohteesta voidaan helposti tehdä sopivan kokoisia, koska kennot eivät koostu yhdestä piikiteestä, vaan useista pienem-mistä kiteistä, ja näin koko paneelin pinta-ala on katettavissa monikidepanee-lilla (ks. kuva 9). Muuten monikidepaneelit ovat samanlaisia rakenteeltaan kuin yksikidepaneelit. Monikiteisen aurinkopaneelin hyötysuhde on hieman al-haisempi, 16 - 19% kuin yksikiteisen aurinkopaneelin 17 – 21 %, mutta moni-kidepaneeli on hieman edullisempi valmistaa. [6, s. 57; 2, s. 44.]
Kuva 9. Monikiteinen aurinkopaneeli
4.4.3 Ohutkalvoinen aurinkopaneeli
Ohutkalvoiset eli amorfiset aurinkopaneelit valmistetaan amorfisesta tai mikro-kiteisestä piistä tai CIGS-yhdisteistä (Copper-Indium-Gallium-Selenide) ja CdTe-yhdisteistä. Ohutkalvotekniikassa muodostetaan kerroksia eri materiaa-leista, jotka tuottavat auringon eri aallonpituuksien säteilystä sähkövirtaa.
Ohutkalvoisen paneelin valmistamiseen käytetään huomattavasti vähemmän piitä kuin kiteistä koostuvien paneelien valmistamiseen. Nämä paneelit ovat joustavia, joten niitä voidaan taivuttaa ja täten asentaa hankaliin kohteisiin.
Ohutkalvopaneelilla on kiteistä paneelia huonompi hyötysuhde, noin 9 – 13 % ja paneelin sähköntuotto vähenee ajan kuluessa nopeammin. Ohutkalvoteknii-kalla valmistettu aurinkopaneeli sietävää hämärää paremmin ja on valmistus-kustannukseltaan halvempi kuin kiteinen aurinkopaneeli ja on lupaava vaihto-ehto tulevaisuudessa tekniikan kehittyessä. Ohutkalvopaneeli on tasaisen ja tumman sävyinen rakenteeltaan ja väriltään (ks. kuva 10). [8, s. 13; 2, s. 45.]
Kuva 10. Ohutkalvoinen aurinkopaneeli
4.5 Aurinkopaneelin tehontuotto
Aurinkopaneelin ominaisuudet mitataan STC (Standard Testing Conditions) standarditestillä. Tässä testissä säteilyn teho on 1000 W/m2, lämpötila +25 °C ja ilmamassa-arvo AM 1,5. Ilmamassa-arvo kertoo, kuinka paljon paneelin ja auringon välissä on ilmaa, tässä tapauksessa 1,5 kertaisesti verrattuna siihen, että aurinko paistaisi kohtisuoraan yläpuolelta paneeliin. Aurinkopaneeleilla on myös omat ominaiskäyrät, mistä nähdään millä jännitteellä ja virralla paneelia täytyy kuormittaa, jotta saadaan paras tehon ulosanti. [2, s. 47–48.]
Aurinkopaneelin teho lasketaan yleisellä tehon kaavalla (ks. kaava 2) [12].
𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 (2)
jossa P teho [W]
U jännite [V]
I virta [A]
Tästä voidaan laskea paneelin tuottama energia, kun teho kerrotaan ajalla (ks.
Aurinkopaneelin ominaiskäyrästä voidaan laskea, kuinka paljon paneeli tuot-taa tehoa olleessaan kuormitettuna eri virta-arvoilla. Paneelin tuotto riippuu suuresti siitä, millä jännitteellä sitä kuormitetaan. Myös lämpötila vaikuttaa pa-neelin tehontuottoon. Mitä alhaisempi lämpötila, sitä paremmin paneeli pystyy tuottamaan sähköä. Asennuksissa yleensä huomioidaankin, että asennetta-van pinnan ja paneelin väliin jää tilaa, jotta ilma kiertäisi paneelin alta jäähdyt-täen tätä. Lämpötila vaikuttaa myös paneelin jännitekäyttäytymiseen. Kiinteis-tökäytössä vaihtosuuntaajat optimoivat virran ja jännitteen suhdetta koko ajan, jotta paneelista saadaan paras mahdollinen teho ulos. [6, s. 61–62.]
4.6 Aurinkopaneelin hyötysuhde
Aurinkopaneelin hyötysuhde kertoo, kuinka suuren osan auringon säteilystä paneeli voi muuttaa sähköksi. Yleisimpien aurinkopaneeleiden hyötysuhde on noin 15 – 20 %. Hyötysuhteeseen vaikuttaa kennojen ja paneelin lasin laatu sekä paneelin mekaaninen rakenne. [9, s. 142.]
Aurinkopaneelin hyötysuhde ɳ lasketaan paneelin tuottaman tehon ja panee-lille tulevan säteilyn sekä paneelin pinta-alan suhteena (kaava 4) [12].
ɳ = 𝑃
𝑆 ∙ 𝐴∙ 100 % (4)
jossa ɳ hyötysuhde [-]
P teho [W]
S auringonsäteilyn voimakkuus [W/m2]
A paneelin pinta-ala [m2]
5 AURINKOSÄHKÖJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU
Aurinkosähköjärjestelmän suunnitteluun vaikuttavat monet tekijät, tärkeim-pänä ovat järjestelmässä olevat komponentit. Koska aurinkosähköjärjestelmä on pidemmän ajan investointi, panostaminen laadukkaisiin komponentteihin on tärkeää. Komponenttien tulisi pysyä toimintakuntoisina useiden kymmenien vuosien ajan. Tärkeimmät komponentit aurinkosähköjärjestelmässä ovat au-rinkopaneelit ja vaihtosuuntaajat.
Auringosta tuotetun sähkön varastointi akkuihin on kallista ja yleensä tarpee-tonta, ellei kyseessä ole off-grid järjestelmä. Jos mahdollista, aurinkosähköjär-jestelmä usein liitetään yleiseen jakeluverkkoon kiinteistön sähkökeskuksen kautta. [4.]
5.1 Aurinkosähköjärjestelmätyypit
Aurinkosähköjärjestelmien kokoonpanot ovat vaihtelevia, riippuen paljon to-teutustavoista. Merkittävin ero on kuitenkin on-grid ja off-grid verkon välillä.
On-grid järjestelmä on kytketty yleiseen jakeluverkkoon ja off-grid järjestelmä toimii itsenäisesti erotettuna verkosta, ja tarvitsee sähkön varastoimiseen akuston. Off-grid järjestelmään vaikuttaa olennaisesti akusto ja vastaavasti on-grid järjestelmään verkkoon liittymisestä johtuvat vaatimukset, mitkä vaikut-tavat laitevalintoihin ja -toimintoihin. Vaikka molemmissa kokoonpanoissa lait-teistot ovat samanlaisia, eivät ne soveltuisi keskenään vaihdettaviksi.
[8, s. 43.]
5.1.1 On-grid järjestelmä
Sähköverkkoon liitettyä aurinkosähköjärjestelmää kutsutaan on-grid verkoksi, jossa järjestelmä syöttää yleiseen sähköverkkoon liitettyä laitteistoa. Tällä ta-valla sähkön varastoimiseen ei tarvita akustoa, vaan jakeluverkko toimii säh-kövarastona, ja järjestelmän mitoittaminenkin helpottuu. Yleisen verkon hävi-tessä sähkökatkoissa tai muissa tilanteissa, on järjestelmän lopetettava
säh-kön syöttö verkkoon. On-grid järjestelmän pääkomponentit ovat aurinkopanee-lit, vaihtosuuntaajat ja sen lisälaitteet. Yleiseen jakeluverkkoon liitettyä laitteis-toa koskee tietyt laadulliset vaatimukset ja tuotetun sähkön tulee vastata jake-luverkon standardeja. Verkkoon syöttäviä vaihtosuuntajia on yksi- tai kolmivai-heisia. Yleisesti alle 3 kilowatin järjestelmälle käytetään yksivaiheista vaihto-suuntaajaa, ja yli 3 kilowatin järjestelmälle kolmivaiheista. Ennen yksivaihei-sen järjestelmän käyttöönottoa on syytä kysyä verkkoyhtiöltä järjestelmän asentamista, koska järjestelmä voi aiheuttaa epäsymmetriaa sähköverkossa.
Kuva 11 havainnollistaa on-grid järjestelmän kokoonpanoa. [15; 8, s. 43–45.]