5.1 Aurinkopaneeliketjujen jännite
Valituksi tulleen Omronin KP100L-vaihtosuuntaajan tasajännitepuolen toimintajännite-alue on 200 – 850 VDC. Nimellisjännite on 585 VDC. Käytössä olevien SolarTechnics SN44Wp paneeleiden avoimen piirin maksimijännite standardiolosuhteissa on 63 V. En-siasennuksessa paneeleita on tarkoitus käyttää 30 kappaletta. Kun ne jaetaan kolmeen paneeliketjuun, yhden pituudeksi tulee 10 paneelia. Paneeliketjun maksimijännite stan-dardiolosuhteissa lasketaankaavalla 5.
𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌 = 𝑈0𝐶 𝑀𝑂𝐷∗ 𝑀 [4, s. 16.] (5)
𝑈0𝐶 𝑀𝑂𝐷 on aurinkopaneelin avoimen piirin jännite standardiolosuhteissa (63 V).
𝑀 on sarjaan kytkettyjen aurinkopaneelien määrä (10 kpl).
𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌 = 63 V ∗ 10 = 630 V
Valmistajan ilmoituksen mukaan paneelin avoimen piirin jännite muuttuu ympäristön lämpötilan mukaan -0,33 %/0C. Asennuskohteen matalimmaksi mahdolliseksi lämpöti-laksi oletetaan -35 0C. Lasketaan korkein mahdollinen paneeliketjun avoimen piirin jän-nite kaavalla 6.
𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌 𝐶𝑂𝑅𝑅𝐸𝐶𝑇𝐸𝐷= −0,33%℃∗ ∆𝑡 ∗𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌+ 𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌 [4, s. 40.] (6)
𝑈0𝐶 𝐴𝑅𝑅𝐴𝑌 𝐶𝑂𝑅𝑅𝐸𝐶𝑇𝐸𝐷= −0,33 %℃∗(−35 ℃ − 25 ℃)∗ 630 V + 630 V = 754,74 V
Suurin mahdollinen jännite ei saa ylittää invertterin suurinta toimintajännitettä. Käytettävä jännite kannattaa kuitenkin olla mahdollisimman korkea, koska häviöt ovat pienemmät.
Lisäksi jos jännitettä pienennettäisiin lisäämällä paneeliketjujen lukumäärää, täytyisi va-rokkeita ja muita laitteita lisätä vastaavasti ja tästä koituisi lisäkustannuksia.
Valmistajan tietojen mukaan standardiolosuhteissa paneelista saadaan paras teho, kun sen toimintajännite on 48 V. Koko paneeliketjun suljetun piirin jännite standardiolosuh-teissa lasketaan:
48 V ∗ 10 = 480 V (7)
Yllä laskettu toimintajännite osuu hyvin invertterivalmistajan antamaan haarukkaan ja sallii myös reilun poikkeamisen ihannearvosta.
5.2 Aurinkopaneeliketjujen ylivirtasuojaus
Paneeliketjujen ylivirtasuojauksen mitoitukseen esitetään vaatimukset IEC 62548 -stan-dardissa. Tässä projektissa on tarkoitus asentaa kolme paneeliketjukaapelia rinnan, jo-ten ylivirtasuojaus on syytä toteuttaa. Suoja vaaditaan jokaisen paneeliketjukaapelin plus- sekä miinusjohtimeen. Suojaukseen käytetään aurinkosähköjärjestelmiin tarkoitet-tuja sulakkeita, joiden nimellisjännite on 1000 V. Suojalaitteen nimellisvirta 𝐼𝑛 määritel-lään kaavan 8 mukaisesti.
1,5 ∗ 𝐼𝑆𝐶 𝑀𝑂𝐷 < 𝐼𝑛 < 2,4 ∗ 𝐼𝑆𝐶 𝑀𝑂𝐷 [4, s. 35.] (8)
𝐼𝑆𝐶 𝑀𝑂𝐷 on aurinkopaneelin oikosulkuvirta standardiolosuhteissa
Aurinkopaneelivalmistajan tietojen mukaan paneelin oikosulkuvirta standardiolosuh-teissa on 1,08 A, joten 𝐼𝑛 mitoitetaan:
1,5 ∗ 1,08 A < 𝐼𝑛 < 2,4 ∗ 1,08 A
1,62 A < 𝐼𝑛 < 2,59 A
Nimellisvirraltaan 2 A:n sulake osuu saatujen arvojen väliin. Vaikka valittu 6 mm2:n au-rinkopaneelikaapeli kestäisikin suurimman oikosulkuvirran helposti (kuva 10), on panee-liketjukohtaiset sulakkeet asennettava, sillä aurinkopaneeleiden omia kaapeleita ja si-säisä rakenteita ei ole suunniteltu mahdolliselle ylivirralle.
Kuva 10. Aurinkopaneelikaapeleiden mitoitustaulukko [25.].
Aurinkopaneeliketjukaapeleiden rinnanyhdistämisen jälkeen ei enää erillistä ylivirtasuo-jausta tarvita, koska käytetty 6 mm2:n kaapeli kestää kaikkien kolmen ketjun suojalaittei-den yhteenlasketun virran:
3 ∗ 2 A = 6 A (9)
Aurinkopaneeleiden lämpötila voi käytössä nousta jopa 40 0C korkeammaksi kuin ulkoil-man lämpötila. Jos ulkoilulkoil-man suurimmaksi mahdolliseksi lämpötilaksi oletetaan asen-nuskohteessa 30 0C, paneeleiden lämpötila voi ylimmillään olla 70 0C. Aurinkopaneeli-valmistajan mukaan paneelin oikosulkuvirta kasvaa lämpötilan noustessa 0,09 %/0C.
Suurin mahdollinen oikosulkuvirta lasketaan käyttäen referenssinä standardiolosuhde-lämpötilaa (25 0C):
0,09%
℃∗ (70℃ − 25℃) ∗1,08 A + 1,08 A = 1,123. . A ≈ 1,12 A (10)
Virran muutos ei ole kovin suuri, eikä se aiheuta toimenpiteitä suunnittelussa, kuten esi-merkiksi paneeliketjusulakkeiden valinnassa. Lopputulemana jokaisen ketjun molempiin kaapeleihin päätettiin laittaa 2 A:n gPV-tyyppiset varokkeet. Aurinkopaneeliketjut ovat tarkoitus sijoittaa moottorikorjaamon katolle liitteen 8 kuvaamalla tavalla.
6 Raportit
Aurinkosähköjärjestelmän dokumentointivaatimukset käsitellään standardin SFS-EN 62446-1:2016 neljännessä luvussa. Vaadittu informaatio tulee olla käyttäjän, tarkastajan ja kunnossapitohenkilökunnan saatavilla esimerkiksi käyttö- ja huolto-ohjeissa.
Liitteessä 10, Aurinkosähköjärjestelmän dokumentaatio, kirjataan ylös kaikki tarvittava tieto järjestelmästä. Perustietoja ovat muun muassa laitteiston mitoitusteho, aurinkosäh-köpaneeleiden ja inverttereiden valmistaja, malli ja lukumäärä, käyttöönottopäivä ja asennuskohteen osoite. Lisäksi selvillä tulee olla suunnittelija- ja asentajayritys, niiden yhteyshenkilöt ja yhteystiedot. Samassa liitteessä listataan myös paneeliketjujen tiedot ja kaikki käytettävät sähkölaitteet ja kaapelit. [3, s. 11.]
SFS-EN 62446-1:2016 standardin viidennessä luvussa on ohjeet verkkoon kytketyille aurinkosähköjärjestelmille vaadituille tarkastuksille. Käyttöönottotarkastukset sekä sään-nöllisin väliajoin suoritettavat määräaikaistarkastukset tulee suorittaa työhön pätevä hen-kilö. Käyttöönottotarkastus tehdään, kun uusi asennus, vanhan laajennus tai muutos on valmis. Järjestelmää ei saa ottaa käyttöön ennen käyttöönottotarkastusta. [3.]
Tarkastussertifikaatissa (liite 11) osoitetaan järjestelmän suunnittelusta, asennuksesta, tarkastuksesta ja testauksesta vastuussa olevat tahot. Aistinvaraisen tarkistuksen rapor-tissa (liite 12) tarkistetaan, että käytetyt sähkölaitteet ja asennustavat ovat vaadittujen standardien mukaisia. Aurinkosähköpaneeliston testiraportissa (liite 13) esitetään mit-taustulokset, jotka tarkistuksessa saadaan.
Edellä mainittujen tarkastuksien lisäksi tulee aurinkosähköjärjestelmän vaihtojännite-osalle tehdä SFS 6000-6 -standardin mukainen käyttöönottotarkastus ja sen vaatimat pöytäkirjat. [26.]
7 Yhteenveto
Työn tavoitteena oli suunnitella aurinkosähköjärjestelmä, jossa hyödynnettäisiin val-miiksi hankittuja aurinkopaneeleja, mutta järjestelmää voisi kuitenkin myöhemmin laa-jentaa muillakin paneeleilla. Tämä tavoite saatiin toteutettua oikealla invertterivalinnalla.
Nyt invertterin muihin tasajännitetuloihin voidaan lisätä täysin toisistaan riippumattomia paneelikenttiä. Yksi idea oli, että kattopinta-alan loppuessa yksi kenttä voitaisiin tehdä maan pinnalle omaan telineeseensä pienen matkan päähän rakennuksesta.
Työ oli mielenkiintoinen ja haastava, sillä aikaisempaa kokemusta sähkösuunnittelusta ei juuri ollut. Opinnäytetyön aikana tuli muun muassa perehtyä sähkösuunnitteluohjel-man (CADS Electric) käyttöön. Aurinkosähköjärjestelmiä koskevat määräykset täytyi sel-vittää alan standardeista ja tutustua muihinkin hyvinä pidettyihin sähkösuunnittelu- ja asennustapoihin.
Järjestelmän asentamiseen tarvittavat sähköpiirustukset, komponenttihankinnat ja käyt-töönottotarkistuspöytäkirjapohjat ehdittiin tekemään ennen opinnäytetyön kirjoittamista.
Kaikki dokumentit ovat opinnäytetyön liitteinä. Seuraava toimenpide onkin asentaa jär-jestelmä loppuun ja tehdä käyttöönottotarkastus. Jos aurinkovoimala olisi ehditty ottaa käyttöön, olisi siitä voitu kerätä tuotantotietoja ja todentaa niiden avulla järjestelmän toi-mivuus.
Insinöörityön aikana huomattiin, että vaikka aurinkovoimala ei olekaan kovin monimut-kainen järjestelmä, vaatii se silti paljon suunnittelua ja vaatimusten huomioon ottamista.
Ensimmäisen järjestelmän suunnittelu alusta loppuun on aikaa vievää, mutta se kannat-taa, koska saatuja tuloksia voidaan hyödyntää seuraavissa vastaavissa projekteissa.
Suurinta osaa komponenteista voi käyttää tulevissakin kohteissa. Lähinnä paneelien ja invertterin tehoa muuttamalla saadaan järjestelmää skaalattua tilanteeseen sopivaksi.
Piirikaaviot ovat käytettävissä miltei sellaisenaan; lähinnä paneelikenttää ja tasajännite-keskusta täytyy muokata. Johdinten ja niiden suojalaitteiden mitoitus täytyy toki aina tar-kistaa erikseen.
Opinnäytetyön aihe on ajankohtainen, koska aurinkopaneeleiden hinta on laskenut niin alhaiseksi, että se on tehnyt aurinkosähköinvestoinneista kannattavia. Uusiutuvat ener-giantuotantotavat ja ekologisuus ovat muutenkin pinnalla eri medioissa ja omavaraisuu-den edistäminen on nykypäivän trendi. [27.]
Lähteet
1 Käpylehto, Janne. 2016. Auringosta sähköt kotiin, kerrostaloon ja yritykseen. Hel-sinki: Into Kustannus Oy.
2 SFS 6000-7-712. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Erikoistilojen ja -asennus-ten vaatimukset. Valosähköiset tehonsyöttöjärjestelmät. Helsinki: Suomen Stan-dardisoimisliitto.
3 SFS-EN 62446-1. Aurinkosähköjärjestelmät. Vaatimukset dokumentaatiolle, kun-nossapidolle ja testaamiselle. 2016 Osa1: Sähköverkkoon kytketyt järjestelmät.
Dokumentaatio, käyttöönottotestit ja tarkastus. Helsinki: Suomen Standardisoi-misliitto.
4 IEC 62548 Photovoltaic (PV) arrays – Design requirements. 2016. Geneve: Inter-national Electrotechnical Commission.
5 Käsikirja rakennusten sähköasennuksista. 2012. Sähkö- ja teleurakoitsijaliitto STUL ry. Espoo: Sähköinfo Oy.
6 Test Method for Photovoltaic Module Power Rating. Verkkodokumentti. Florida Solar Energy Center.
<http://www.fsec.ucf.edu/en/publications/pdf/stan-dards/FSECstd_202-10.pdf> Tammikuu 2010. Luettu 14.3.2017.
7 Keskustelu autoelektroniikan lehtorin Vesa Linja-ahon kanssa 14.4.2017.
8 Solar Markets. Verkkodokumentti. Four Peaks Technologies. <http://solarcell-central.com/markets_page.html> Luettu 8.4.2017.
9 Technical Application Papers No.10 Photovoltaic plants. Verkkodokumentti. ABB.
<http://www04.abb.com/glo-bal/seitp/seitp202.nsf/c71c66c1f02e6575c125711f004660e6/d54672ac6e97a439 c12577ce003d8d84/$FILE/Vol.10.pdf> Huhtikuu 2010. Luettu 12.2.2017.
10 Advantages Make Thin Film Solar Panels Shine. Verkkodokumentti. SolarTown.
< https://solartown.com/learning/solar-panels/advantages-make-thin-film-solar-panels-shine/ > 22.10.2012. Luettu 18.3.2017.
11 Fundamentals of using solar for battery powered applications. Verkkodokumentti.
Technews Publishing. < http://www.dataweek.co.za/43190n > 22.8.2012. Luettu 18.3.2017.
12 Maximum power point tracking. Verkkodokumentti. Wikipedia. < https://en.wikipe-dia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking > 8.3.2017. Luettu 15.4.2017.
13 Embedded PV MPPT. Verkkodokumentti. Dynamai. < http://www.dynamai.eu/in-dex.php/en/research-innovation/embedded-pv-mppt > 2014. Luettu 15.4.2017.
14 Omron PID-preventive transformerless PV inverter White Paper. Verkkodoku-mentti. Omron Corporation. <https://www.filepicker.io/api/file/HUOB3a6jTpab-DqRpxG3U> 1.4.2013. Luettu 7.1.2017.
15 TUV Recovery test report. Verkkodokumentti. Omron Corporation. < https://in-dustrial.omron.fi/fi/products/kp100l#downloads > 2017. Luettu 7.1.2017.
16 TUV PID preventive test report. Verkkodokumentti. Omron Corporation. <
https://industrial.omron.fi/fi/products/kp100l#downloads > 2017. Luettu 7.1.2017.
17 Energiateollisuus ry:n suosittelema yleistietolomake: Mikrotuotantolaitteiston liittä-minen verkkoon. Verkkodokumentti. Energiateollisuus ry. < http://energia.fi/fi-les/1515/Mikrotuotannon_yleistietolomake_paivitetty_20170101.pdf > 1.1.2017.
Luettu 18.2.2017.
18 KP100L-OD Grid Connect Photovoltaic Inverter Users Manual. Verkkodoku-mentti. Omron Corporation. <
https://actecsolar.dk/media/docu-ments/F2ABB98FF6DB.pdf> Elokuu 2012. Luettu 71.2017.
19 SFS 6000-5-55. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Sähkölaitteiden valinta ja asentaminen. Muut sähkölaitteet. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto.
20 15 SMG-4450 Luento 6 Aurinkosähkö. Aki Korpela. 2012. Verkkodokumentti.
Tampereen teknillinen yliopisto. < http://www.tut.fi/smg/tp/kurssit/SMG-4450/2012/luento6.pdf>31.8.2012 Luettu 16.4.2017.
21 Installation Instruction SurgeController V 20-C/1…; V20-C/1+NPE…; V 20-C/2…;
V 20C/2+NPE… Asennusohje. OBO Bettermann GmbH & Co. 9.12.2009. Luettu 16.4.2017.
22 SFS 6000-8-801. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Eräitä asennuksia koske-vat täydentävät vaatimukset. Jakeluverkot. Helsinki: Suomen Standardisoimis-liitto.
23 SFS 6000-4-41. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Suojausmenetelmät. Suo-jaus sähköiskulta. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto.
24 SFS 6000-5-52. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Sähkölaitteiden valinta ja asentaminen. Johtojärjestelmät. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto.
25 Eurosolar Tuotekuvasto 2014-2015. Verkkodokumentti. Aurinkosähkötalo Euro-solar Oy. <http://www.euroEuro-solar.fi/tuoteluettelo/tuoteluettelo-2014.pdf> Luettu 8.4.2017.
26 SFS 6000-6. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Tarkastukset. Helsinki: Suomen Standardisoimisliitto.
27 Aurinko paistaa kukkaroon – yksityinenkin voi myydä aurinkopaneelinsa tuotta-maa sähköä Verkkodokumentti. YLE. < http://yle.fi/uutiset/3-9466662> 19.2.2017.
Luettu 17.4.2017.
Dokumenttiluettelo
Järjestelmäkaavio
DC Keskus
DC Layout
AC Keskus
AC Layout
Maadoituskaavio
Kokoonpanopiirustus
PV osa- ja kaapeliluettelo
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016
Perustuu standardiin SFS-EN 62446-1:2016