Aurinkoenergian hyödyntäminen rikkakasvien torjunnassa

(1)

AURINKOENERGIAN HYÖDYNTÄMINEN RIKKAKASVIEN TORJUNNASSA

OPINNÄYTETYÖ - AMMATTIKORKEAKOULUTUTKINTO TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN ALA

T E K I J Ä : Tommi Kolsi

(2)

SAVONIA-AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ Tiivistelmä Koulutusala

Tekniikan ja liikenteen ala

Koulutusohjelma/Tutkinto-ohjelma Sähkötekniikan koulutusohjelma Työn tekijä

Tommi Kolsi Työn nimi

Aurinkoenergian hyödyntäminen rikkakasvien torjunnassa

Päiväys 5.4.2019 Sivumäärä/Liitteet 32/7

Ohjaajat

Lehtori Jari Ijäs, Yliopettaja Juhani Rouvali Toimeksiantaja

Ab KoneVel Oy Tiivistelmä

Tämän opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Ab KoneVel Oy Iisalmesta. Ab KoneVel Oy on kehittänyt laitteen, jonka avulla rikkakasvien torjunta voidaan toteuttaa ilman haitallisia kemikaaleja hyödyntämällä rikkakasvien torjunnassa kuumaa vettä.

Opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää aurinkoenergiajärjestelmien soveltuvuutta veden kuumentamiseen. Ve- den on tarkoitus olla 100 °C eli kiehuvaa.

Opinnäytetyössä selvitettiin aurinkoenergian toimintaa aurinkosähkön ja aurinkolämmön osalta. Selvityksen perusteella arvioitiin kumpi aurinkoenergiasovelluksen prototyyppi olisi kannattavampi hinnan ja energian tuotannon kannalta valmistaa. Tuloksien perusteella tehtiin päätös, käytetäänkö järjestelmässä aurinkolämpöä vai aurin- kosähköä ja arvioitiin järjestelmän koko.

Prototyypin suunnittelussa ja valmistuksessa käytettiin apuna aiheeseen liittyviä standardeja ja oppaita. Näiden tietojen pohjalta tehtiin komponenttivalinnat ja suunnitelmat, joita prototyypissä käytettiin.

Opinnäytetyön tuloksena oli laaja tietopaketti aurinkoenergiajärjestelmistä ja niiden komponenteista. Näiden tietojen pohjalta saatiin valmistettua yksinkertainen ja toimiva aurinkosähköjärjestelmä veden kuumentamiseen.

Avainsanat

Aurinkoenergia, aurinkosähkö, aurinkolämpö, rikkakasvi

Tämä opinnäytetyö on osittain salattu toimeksiantajan toiveesta.

(3)

SAVONIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES THESIS Abstract Field of Study

Technology, Communication and Transport Degree Programme

Degree Programme in Electrical Engineering Author

Tommi Kolsi Title of Thesis

Utilizing Solar Energy for Weed Control

Date 5 April 2019 Pages/Appendices 32/7

Supervisors

Mr. Jari Ijäs, Senior Lecturer and Mr. Juhani Rouvali, Principal Lecturer Client Organisation

Ab KoneVel Oy Abstract

This thesis was commissioned by Ab KoneVel Oy from Iisalmi. Ab KoneVel Oy has developed a device to control weed without any harmful chemicals by using hot water in weed control.

The purpose of this thesis was to determine the suitability of solar energy systems for heating water. The water is supposed to be 100 degrees of Celsius, i.e. boiling.

This thesis investigated the operations of solar energy as regards solar electricity and solar heat. Based on the study made it was estimated which of the solar energy prototypes would be more profitable to manufacture based on price and energy production. Based on the results, a decision was made as to whether the system uses solar heat or solar electricity and assessed the size of the system.

Related standards and guides were used to design and manufacture the prototype. Based on these information, component selections and plans were made, which were used in the prototype.

As a result of the thesis, an extensive information packet on solar energy systems and their components was drawn up. In addition, based on this information, a simple and functional photovoltaic system for heating water was manufactured.

Keywords

solar energy, photovoltaic, solar heat, weed

This thesis is partially hidden at the request of the client.

(4)

ESIPUHE

Tämä opinnäytetyö tehtiin Ab KoneVel Oy:lle keväällä 2019. Työ toteutettiin teorian osalta Kuopi- ossa ja valmistuksen sekä testauksen osalta Iisalmessa. Opinnäytetyö liittyy Ab KoneVel Oy:n kehit- tämään ECO WEEDKILLER- laitteen jatkojalostukseen ja ekologisuuden parantamiseen. Aurinkoener- gian tutkiminen on tällä hetkellä hyvin ajankohtainen aihe ja niiden suosio kasvaa maailmalla kovaa vauhtia.

Haluan kiittää lehtori Jari Ijästä hyvästä ohjauksesta ja avusta. Samoin haluan kiittää Ab KoneVel Oy:n Janne Hakkaraista ja Kimmo Kärkeä mahdollisuudesta tehdä heille opinnäytetyö sekä osallistua mielenkiintoiseen projektiin.

Kuopiossa 5.4.2019 Tommi Kolsi

(5)

SISÄLTÖ

1 JOHDANTO ... 6

Lyhenteitä ja sanastoa ... 7

2 AB KONEVEL OY ... 8

ECO WEEDKILLER ... 8

Kuuma vesi rikkakasvien torjunnassa ... 9

3 AURINKOENERGIA ... 9

Auringon säteily ... 9

Säteilyenergian kerääminen ... 13

4 AURINKOSÄHKÖ ... 15

Aurinkopaneelit ... 15

Aurinkopaneelien teho ... 18

Aurinkosähköjärjestelmät ... 21

5 AURINKOLÄMPÖ ... 23

Aktiivinen aurinkolämpö ... 23

5.1.1 Aurinkokeräimet ... 24

5.1.2 Aurinkokeräimien tuotto ... 26

6 LUVAT JA SÄÄDÖKSET ... 28

Toimenpideluvat aurinkoenergiajärjestelmiin ... 28

Aurinkosähköjärjestelmän verkkoon kytkeminen ... 28

7 YHTEENVETO ... 30

LAINATUT LÄHTEET ... 31

LIITTEET ... 33

LIITE 1. KESKUSLAYOUT ... 33

LIITE 2. KANSILAYOUT ... 34

LIITE 3. PIIRIKAAVIOT ... 35

LIITE 4. MITTAUSPÖYTÄKIRJA 22.3.2019 ... 36

(6)

1 JOHDANTO

Ekologisuus ja ympäristöarvot ovat nousseet suureksi puheenaiheeksi 2000-luvulla. Tietyt kemikaa- lit, joita käytetään rikkakasvien torjunnassa ovat saamassa käyttökiellon Euroopassa. Samalla aurinkoenergian hyödyntäminen sähkön tuotannossa sekä muissa sovelluksissa kuten veden lämmittämi- sessä ovat olleet suuressa kasvussa maailmalla. Kasvanut kysyntä on laskenut järjestelmien ja niiden komponenttien hintoja sekä parantanut niiden kannattavuutta ja saatavuutta.

Opinnäytetyö tehdään Ab KoneVel Oy:lle ja sen tarkoituksena on tutkia aurinkoenergian hyödyntä- mistä veden kuumentamisessa, jota myöhemmin käytetään rikkakasvien torjuntaan. Opinnäyte- työssä käydään läpi aurinkoenergiaa aurinkosähkön ja aurinkolämmön osalta. Työssä tutkitaan mo- lempien sovelluksien toimintaa, komponentteja ja mahdollisuuksia. Lisäksi kyseisiä sovelluksia ver- taillaan toisiinsa ja tehdään arvio kumpi sovellus olisi taloudellisempaa ja tehokkaampi valmistaa.

Näiden pohjalta suunnitellaan ja valmistetaan prototyyppi ekologiseen veden kuumentamiseen. Pro- totyypin komponenttien valinnassa ja valmistamisessa käytetään apuna voimassa olevia standardeja sekä aiheeseen liittyviä oppaita.

Opinnäytetyön tuotoksena saadaan kattava paketti tietoa aurinkosähköstä ja aurinkolämmöstä.

Työssä annetaan tietoa näiden kahden sovelluksen komponenteista ja järjestelmien kustannuksista sekä kannattavuudesta. Näiden tietojen lisäksi konkreettinen tuotos tulee olemaan prototyyppi, jonka avulla aurinkoenergiaa hyödyntäen saadaan kuumennettua tietty määrä vettä kiehuvaksi.

(7)

Lyhenteitä ja sanastoa

Absorptio Valon imeytyminen osittain läpäisevään pintaan

Glyfosaatti Rikkakasvien torjunnassa käytetty kemikaali

Piikkiwatti (Wp) Watt-peak, Aurinkopaneelien nimellistehoa kuvaava yksikkö

STC Standard Test Conditions, aurinkopaneeleiden datalehdissä käytetyt standardiolosuhteet

MPPT Maximum Power Point Tracking, maksimitehopisteen seuranta, aurinkopaneelien tehon säätötapa

PWM Pulse width modulation, pulssinleveysmodulaatio, aurinkopaneelien säätöön käytetty säätötapa

NOCT Normal Operating Cell Temperature, aurinkopaneelien normaaliolosuh- tessa kuvaavat arvot

c-Si Crystalline silicon, kiteinen pii

(8)

2 AB KONEVEL OY

Ab KoneVel Oy on perustettu tammikuussa vuonna 2010 työtoverusten Kimmo Kärjen ja Marko Laakkosen toimesta sivutoimista maahantuontia varten. (Konevel Oy, ei pvm)

Konevel Oy:n toimenkuvaan kuuluu maanrakennus- ja kiinteistöhuoltokoneiden myynti, vuokraus, huolto ja maahantuonti. Ab KoneVel Oy:n suurimmat tuoteryhmät ovat maanrakennuskoneet ja niiden lisälaitteet, kiinteistönhoidon laitteet, joita ovat mm. lumilingot, harjalaitteet ja hiekoituskauhat.

Lisäksi Ab KoneVel Oy myy erilaisia purku- ja kierrätyslaitteita kaivinkoneisiin.

Uusimpana aluevaltauksena on heidän oma tuotteensa ECO WEEDKILLER, joka on valmistettu rikkakasvien torjuntaan ja tuhoamiseen kuuman veden avulla.

ECO WEEDKILLER

ECO WEEDKILLER on ensimmäinen kotimaista tuotantoa oleva rikkaruohontorjuntalaite. Laitteen toiminta perustuu kuuman veden käyttöön ja sen sisältämän lämpöenergian aiheuttamiin vaurioihin rikkakasvien solukoissa. (ECO WEEDKILLER Esite)

Laitteisto koostuu dieselmoottorista, korkeapainepumpusta, vedenkuumentimesta, vesisäiliöstä ja letkukeloista noin pääpiirteittäin. Kaikki komponentit on valittu laadun ei hinnan perusteella. Näin varmistetaan käyttövarmuus ja pitkäikäisyys. Näin menetellen myös itse laitteen synnyttämä hiilija- lanjälki pysyy niin pienenä kuin mahdollista. Laitteisto käyttää vain diesel polttoainetta eikä bensiiniä kuten monet kilpailijamme. Vedenkuumentimen hyötysuhde on erittäin korkea ja moottorina toimii saksalainen Hatz, joka täyttää tiukimmat päästömääräykset. Kun komponentit ovat laadukkaita tun- nettuja merkkejä se, jos mikä varmistaa myös varaosien saatavuuden ja huollon. (ECO WEEDKILLER , ei pvm)

KUVA 1. ECO WEEDKILLER. (ECO WEEDKILLER , ei pvm)

(9)

Kuuma vesi rikkakasvien torjunnassa

Veden teho rikkakasvien torjunnassa perustuu äkilliseen suureen energia-annokseen, joka aiheuttaa tuhoa kasvin solurakenteessa. Vesi on erittäin hyvä väliaine siirtämään lämpöä, sen suuren lämpöka- pasiteetin 4,18 kJ/kg/K ansiosta. Höyryllä vastaava arvo on 2,08 ja ilmalla 1,01. (ECO WEEDKILLER, ei pvm)

Käytettäessä kuumaa vettä rikkakasvien torjuntaan varmistamme elinkaarivaikutuksen (LCA) jäävän huomattavan pieniksi verrattuna herbisidien käyttöön. Vaikutuksia syntyy lähinnä diesel polttoaineen käytöstä ja senkin vaikutuksia voidaan pienentää laitteiston hyvällä hyötysuhteella ja polttoainevalin- nalla.

Kuten alan ihmiset tietävät glyfosaatin käyttö on ollut puheenaiheena maailmanlaajuisesti. Kesällä 2015 WHO:n alainen syöpäjärjestö IARC julkaisi arvion, jonka mukaan glyfosaatti on ihmiselle to- dennäköisesti syöpää aiheuttava aine. EU:ssa glyfosaatin käyttö sai jatkoaikaa 31.12.2017 saakka.

Jäsenmaat antoivat marraskuun lopussa 2017 tiukan äänestyksen jälkeen glyfosaatille jatkoaikaa 2022 saakka. Euroopan parlamentti on antanut kannanoton, jossa kehotetaan luopumaan glyfosaatin käytöstä kokonaan vuoteen 2022 mennessä. Monet järjestöt ja maat vaativat glyfosaatille totaali- kieltoa. Sosiaalinen paine ohjaa myös valitsemaan kemikaalittoman vaihtoehdon riippumatta säädök- sistä. (ECO WEEDKILLER, ei pvm)

3 AURINKOENERGIA

Auringon säteily

Auringon säteilyn sisältämä energiamäärä on huomattavan suuri, esimerkiksi auringon säteilyn teho maan pinnalla on 170 000 TW (eli 170 000 000 000 000 000 W), mutta siitä ei käytännössä voida hyödyntää kuin pieni osa. (Energiateollisuus ry, ei pvm)

Maapallon ilmakehän ulkopuolella säteilyä vastaan kohtisuorassa olevalle, neliömetrin kokoiselle pinnalle lankeavan auringonsäteilyn teho on 1,35-1,39 kW. Tätä arvoa kutsutaan aurinkovakioksi, joka on keskimäärin 1,368 kW. Maapallon ja auringon etäisyysvaihteluiden takia tämä arvo vaihtelee 3,5

%. Ilmakehän läpi kulkiessa säteilystä häviää parhaimmillaan noin 40 %. (Tahkokorpi, 2016, s. 13)

Kun aurinkovakio on noin 1,368 kW/m² ilmakehän ulkopuolella, saadaan maanpinnalle parhaimmillaan noin yhden kW/m² säteilyteho, sillä ilmakehä suodattaa ja heijastaa osan säteilystä.

(Tahkokorpi, 2016, s. 13)

(10)

Auringosta saatava kokonaissäteily muodostuu suorasta säteilystä, hajasäteilystä ja heijastuneesta säteilystä.

 Suora säteily on suoraan auringosta tuleva säteily, joka ei ole muuttanut suuntaansa mat- kalla auringosta tarkastelupisteeseen.

 Hajasäteily on taivaalta tuleva auringonsäteily, joka tulee muusta suunnasta kuin suoraan auringosta. Se on pilvistä, ilman epäpuhtauksista ja muusta vastaavasta sironnutta säteilyä.

Suomessa noin 40-50 prosenttia kokonaissäteilystä on hajasäteilyä.

 Heijastunut säteily on maanpinnasta, vesistöjen pinnasta, rakennuksista ja muista vastaa- vista kiinteistä kohteista heijastunut säteily. (Motiva Oy, 2016)

Pilvisinä päivinä 80 prosenttia valosta saattaa olla hajasäteilyä, kirkkaana kesäpäivänä sen osuus on noin 20 prosenttia vaakasuoralle pinnalle. (Tahkokorpi, 2016, s. 14)

Kuvassa 2 on esitelty kokonaissäteilyn muodostuminen hajasäteilystä, suorasta säteilystä ja heijastuneesta säteilystä.

KUVA 2. Auringon säteily maanpinnalle. (Tahkokorpi, 2016, s. 13)

Aurinkoenergiasovellukset jaetaan yleensä lämpöä ja sähköä tuottaviksi. Aurinkoenergian käyttöä rajoittavat lähinnä säteilyn vuodenaikavaihtelut. Etelä-Suomessa auringon vuosittaiset säteilymäärät ovat samaa suuruusluokkaa kuin Keski-Euroopassa. Auringon säteilyn vuodenaikavaihtelut ovat kui-

(11)

tenkin Suomessa suuremmat. Etelä-Suomen säteilyenergiasta 90 prosenttia saadaan maalis-syys- kuun välisenä aikana. Vuodenaikavaihtelut kasvavat vielä pohjoiseen päin mentäessä.

(Energiateollisuus ry, ei pvm)

Kuvassa 3 on esitetty aurinkosäteilyn määrä Euroopassa optimaalisesti suunnatulle ja kallistetuille pinnalle vuonna 2012. Suomessa jäädään melko kauas Etelä-Euroopan säteilymääristä, mutta Suo- men etuna on matala ympäristön lämpötila, joka parantaa aurinkokennojen hyötysuhdetta. Aurinko- paneelit toimivat sitä paremmin, mitä kylmempää on. (LUT, 2014)

KUVA 3. Aurinkosähköpotentiaali Euroopassa. (European Comission, ei pvm)

Etelä-Suomessa aurinkosäteily optimiasennossa olevalle keräinneliömetrille vuositasolla on noin 1 100 kilowattituntia ja Keski-Suomessa noin 1 000 kilowattituntia neliömetriä kohden.

Säteilyn hetkelliseen määrään sääolosuhteet vaikuttavat voimakkaasti. Arviot odotetusta säteilymää- rästä saadaan suhteellisen luotettavasti keskimääräisten säätietojen perusteella. Näitä tietoja käyte- tään erilaisissa laskentatyökaluissa.

Kuvassa 4 on esitetty aurinkosäteilyn määrä Suomessa vuonna 2012. Aurinkosäteilyn määrä on il- moitettu optimaalisessa asennossa.

(12)

KUVA 4. Aurinkosähköpotentiaali Suomessa. (European Comission, ei pvm)

Kuvassa 5 on esitelty kolmen Suomen kaupungin vuotuiset energiamäärät kuukausittain, sekä koko vuoden energiamäärät. Nämä kaupungit ovat Vantaa, Jyväskylä ja Sodankylä. Kuten diagrammista näemme, Suomessa aurinkoenergia keräämistä varten tuottoisimmat kuukauden ovat huhtikuusta syyskuuhun. Vantaalla vuotuinen energiamäärä on 1211 kWh/m². Jyväskylässä energiamäärä on 1128 kWh/m² ja Sodankylässä energiamäärä on 1032 kWh/m².

(13)

KUVA 5. Säteilyenergia Suomen eri kaupungeissa. (Ilmatieteen laitos, 2012)

Säteilyenergian kerääminen

Aurinkoenergialaitteen sijainti, kallistuskulma ja suuntaus vaikuttavat merkittävästi sen energiantuottoon. (Tahkokorpi, 2016, s. 17) Laite ja etenkin aurinkosähköpaneelit tulee sijoittaa varjottomaan paikkaan. Koko keräinlaitteen pitäisi saada tasaisesti säteilyä. Varsinkin talvella, kun aurinko on suomessa alhaalla ja varjot pitempiä kuin kesällä, keräimelle tulevat varjostukset vaikuttavat ratkai- sevasti energiantuottoon. Mitä korkeammalla ja kauempana lähimmästä korkeasta esteestä keräimet sijaitsevat, sitä enemmän ne voivat tuottaa energiaa. (Tahkokorpi, 2016, s. 17)

Kiinteästi asennettava aurinkoenergiajärjestelmä suunnataan yleensä etelään eli kohti päiväntasaa- jaa. Jos edessä on esimerkiksi varjostava talo, voidaan järjestelmä suunnata lännen ja idän väliselle alueelle. Tällöin kuitenkin energiantuotto jää pienemmäksi kuin optimaalisella suuntauksella. Kaakon ja lounaan välillä vuosituotto ei vielä merkittävästi alene, sen sijaan suuntaus vaikuttaa lähinnä siihen, mihin aikaan vuorokaudesta tuottoa tulee. (Tahkokorpi, 2016, s. 18)

Kuvassa 6. on esitelty graafi, jossa aurinkoenergian säteilymäärät, kun keräimet ovat suunnattu kolmeen eri ilmansuuntaan Jyväskylässä. Nämä ilmansuunnat ovat etelä, itä ja länsi. Graafista käy ilmi, että etelään suunnattu keräimenä saama säteilyenergia on suurempi kuin muihin ilmansuuntiin suunnattu keräin. Tiedot on kerätty ilmatieteen laitoksen TRY-2012-testivuosiaineistosta.

(14)

KUVA 6. säteilyenergian määrä eri ilmansuunnissa. (Ilmatieteen laitos, 2012)

Aurinkoenergialaitteesta saadaan paras teho silloin, kun säteily tulee siihen kohtisuoraan eli tulo- kulma on 0°. Sijainnin leveysaste (latitude) vaikuttaa keskimääräiseen auringon korkeuteen. Nyrkki- sääntö parhaalle kallistuskulmalle vuositasolla on noin leveysaste –20 astetta. Keskimääräinen opti- mikallistus Suomessa on hyvin lähelle 45 astetta. Tällöin laite antaa vuositasolla parhaan mahdolli- sen tehon. (Tahkokorpi, 2016, s. 18)

Kuvassa 7 on esitelty graafi, jossa on aurinkoenergian säteilymäärät 45 asteiselle pinnalla ja 90 asteiselle pinnalle Jyväskylässä. Kokonaisenergiamäärässä 45 astetta kallistetulle pinnalle on 33,8 % enemmän kuin pystysuoralle pinnalle.

KUVA 7. Säteilyenergian määrä eri kallistuskulmilla. (Ilmatieteen laitos, 2012)

(15)

4 AURINKOSÄHKÖ

Aurinkosähkön voimakkaasta markkinakehityksestä on seurannut muun muassa dramaattinen järjes- telmien hinnan alentuminen. Aurinkopaneelien spot markkinahinnat ovat jo selvästi alle viisikym- mentä senttiä/watti, ja omakotimittakaavan järjestelmiä saa Suomessakin jo reilusti alle kaksi eu- roa/piikkiwatti veroineen, avaimet käteen asennettuna. (Tahkokorpi, 2016, s. 135)

Aurinkopaneelit

Sähköä tuottavat järjestelmät kuuluvat aurinkoenergian aktiiviseen hyödyntämiseen. Sähkö kerätään aurinkoenergiasta käyttämällä aurinkopaneeleja. Aurinkopaneelit valmistetaan kytkemällä yksittäisiä aurinkokennoja sarjaan siten, että niistä muodostuu yleensä noin 200-330 piikkiwatin (Wp) nimellis- tehoinen paneeli. (Tahkokorpi, 2016, s. 137)

Kennossa auringon valo muuttuu suoraan sähkövirraksi. Aurinkokenno on periaatteessa hyvin suuri fotodiodi, jossa on yhdistetty kaksi eri tyyppistä puolijohdemateriaalia (p ja n). Kun auringon valo kohdistuu kennoon, niin ainakin osalla valohiukkasista (fotoneista) on niin suuri energia, että ne pääsevät ohuen pintakerroksen läpi pn -liitokseen ja voivat muodostaa elektroniaukkopareja. Lähellä pn -liitosta muodostuvista pareista elektronit kulkeutuvat n-puolelle ja aukot p-puolelle. Rajapintaan muodostuneen sähkökentän vuoksi elektronit voivat kulkea vain tiettyyn suuntaan. Niiden on kuljet- tava ulkoisen johtimen kautta p-tyypinpuolijohteeseen, jossa ne vasta voivat yhdistyä sinne kulkeu- tuneiden aukkojen kanssa. Valaistun liitoksen eri puolilla on siten jatkuvasti vastakkaismerkkiset va- rauksenkuljettajat, ja liitos voi toimia ulkoisen piirin jännitelähteenä. (Suntekno Oy, ei pvm)

Kuvassa 8 on esitetty kuvana aurinkopaneelin toimintaperiaate.

KUVA 8. Aurinkopaneelin toimintaperiaate. (Suntekno Oy, ei pvm)

(16)

Yhden aurinkokennon antama jännite on 0,5 - 0,6 volttia. Käyttötarpeen mukaan kennoja kytketään sarjaan paneeleiksi. Yleensä käytetään 36 kennon paneeleja, jolloin saadaan riittävä jännite esimerkiksi 12 volttia akkujen lataamiseen. Aurinkokennosta saatu sähkövirta on verrannollinen muodostu- vien elektroniaukkoparien lukumäärään. Sen vuoksi sähkövirta riippuu kennon pinta-alasta ja auringon säteilynvoimakkuudesta. Kennot tuottavat kirkkaalla auringonpaisteella sähkövirtaa noin 32 mA/cm2. Näin esimerkiksi 90 mm x 120 mm suuruinen kenno tuottaa maksimissaan 3,5 ampeeria.

Jos kennot on kytketty sarjaan, on aurinkopaneelista saatava virta yhtä suuri kuin yhden kennon tuottama virta. (Suntekno Oy, ei pvm)

Aurinkopaneeleita on useita erilaisia, ja ne poikkeavat toisistaan pääasiassa valmistusteknologian, tehon, koon sekä hyötysuhteen osalta. Tärkeimmät/merkittävimmät ovat yksikide- (monocrystalline, c-Si), monikide- (polycristalline, c-Si) sekä ohutkalvopaneelit, joista monikidepaneelien markkinaosuus on (v. 2013) noin reilu puolet (55%), yksikidepaneelien osuus n. 36% ja ohutkalvojen sekä muiden osuus loput, eli noin 10%. (SolarSynergia, 2016)

Yksikidepaneeleissa piikennot on sahattu yhtenäisistä piiaihiosta, jonka halkaisija on 10-16 cm.

Koska raaka-aine on hyvin kallista, pyöreistä kiekoista ei kannata tehdä neliskulmaisia. Tämän vuoksi yksikidepaneeleissa on aukot kennojen kulmissa. (Suntekno Oy, ei pvm) Yksikiteisen piin valmistuksen leikkuu- ja hiontajätteistä voidaan valmistaa monikiteistä piitä. Kerätty jäte sulatetaan ja kiteytetään haluttuun muotoon. Prosessi aiheuttaa kidevirheitä piin kiderakenteeseen ja tästä syystä materiaalia kutsutaan monikiteiseksi. Kidevirheet pienentävät kennojen hyötysuhdetta, sillä ne voivat estää elektronin poistumisen kidevirheen alueelta. (Sähkötieto ry, 2017, s. 13) Kuvassa 9 on esitetty yksi- ja monikidekennojen ulkonäöllinen ero.

KUVA 9. Yksi- ja monikidekennojen erot. Vasemmalla monikidekenno ja oikealla yksikidekenno.

(Tindo Solar, ei pvm)

(17)

Yksikidepaneelit ovat hyötysuhteeltaan monikidepaneeleja hieman parempia. Tyypillisesti hyötysuh- teet ovat n. 15-22% luokkaa. Yksikidepaneelit ovat tosin monikidepaneeleita hieman kalliimpia. Yksi- kidepaneelit ovat herkempiä lialle kuin vastaavat monikidepaneelit. Yksikidepaneelin yhtenä suurim- pana heikkoutena onkin juuri sen herkkyys lialle ja varjostumille. Tämä näkyy paneelista saatavan tehon alennuksena. Jos järjestelmä käsittää useamman sarjaan kytketyn paneelin, niin koko piirin antama sähköteho pienenee, mikäli yksikin paneeli on likainen tai siinä on varjostumia. Monikidepa- neeli sietää paremmin likaantumista ja varjostumia, mutta paneelin yhdenkin kennon peittäminen tiputtaa paneelin tehon käytännössä nollaan. Yksikidepaneelit sietävät paremmin kuumuutta ja ovat- kin siksi suosittuja mm. päiväntasaajan alueella. (SolarSynergia, 2016)

Ohutkalvopanelien markkinaosuus on vielä pieni verrattuna piikide paneeleihin. Ohutkalvopanee- leissa käytetään materiaalina amorfista tai mikrokiteistä piitä. Amorfisessa kiderakenteessa vallitsee ns. atomien täydellinen epäjärjestys, jolloin saadaan hyvin ohut valoa absorboiva kerros sekä yhte- näinen kennoja paneelirakenne. Amorfinen materiaali voi olla hyvin ohut, joten piitä tarvitaan hyvin vähän kiteisiin kennoihin verrattuna. Ohutkalvopaneelien teho pinta-alaa kohti on pienempi kuin ki- teisten, mutta varjonsietokyky on yleensä parempi. (Erat, ym., 2008, s. 125)

Kuvassa 10 on esitelty yksi ohutkalvomalli.

KUVA 10. Ohutkalvopaneeli. (Power From Sunlight, ei pvm)

(18)

TAULUKKO 1. Kennotyyppien ominaisuuksia. (Sähkötieto ry, 2017, s. 12)

Aurinkopaneelien teho

Aurinkopaneelien nimellisteho ilmoitetaan piikkiwatteina (Wp). Kyseessä ei kumminkaan ole paneelin maksimiteho vaan paneeli voi säteilystä ja lämpötilasta riippuen tuottaa pitkiä aikoja selvästi nimel- listehoaan enemmän. Paneelien nimellisteho on määritetty laboratoriossa standardiolosuhteissa (Standard Test Condition, STC), jossa auringon säteilymäärä on 1 000 W/m2 ja kennon lämpötila 25

°C, sekä auringon säteilyn spektrin on vastattava spektriä, joka syntyy, kun säteily suodattuu ilma- kehässä matkan, joka on 1,5 kertaa ilmakehän paksuus. (Tahkokorpi, 2016, ss. 138-139)

Tuhannen piikkiwatin (1 000 Wp = 1 kWp = piikkikilowatti) paneelijärjestelmä vaatii tyypillisesti 6-8 neliömetrin pinta-alan. Pinta-alan ja piikkitehon välistä suhdetta voidaan kuvata hyötysuhteella. Ta- vallisesti 1 piikkikilowatin tehoisella järjestelmällä voidaan tuottaa sähköä Etelä-Suomessa arviolta 800-1 000 kWh ja Pohjois-Suomessa 700-900 kWh vuodessa. (Motiva Oy, 2018)

Aurinkopaneelien teho P saadaan laskettua virrasta I ja jännitteestä U kaavalla 1.

𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼

[1]

Sähköenergia määrä ilmaistaan yksiköllä kW/h (1 kWh=1000 Wh), joka vastaa 1 kilowatin tehoa tunnin aikana. Esimerkiksi 120 wattia tuottava paneeli tuottaa energiaa 6 tunnin aikana energiaa 720 W/h, joka lasketaan kaavalla 2.

𝐸 = 𝑃 ∗ 𝑡

[2]

E = sähköenergian määrä P = teho

t = aika

(19)

Aurinkopaneelien hyötysuhde saadaan laskettua kaavalla 3.

𝜂 =

∗

∗ 100%

^[3]

η = hyötysuhde P = paneelin teho

G = auringon säteilyvoimakkuus A = paneelin pinta-ala.

(Suntekno Oy, ei pvm)

Esimerkiksi paneelin tehoksi annetaan 280 wattia ja sen pinta-ala on 1,626 m². Auringon säteily- määrä on 1000 W/m², jolloin hyötysuhteeksi saadaan η=17,2 %.

Paneeliin kytketty kuorma määrää paneelin jännitteen, jota vastaavaan pisteeseen virta hakeutuu kulloistakin säteilyä ja lämpötilaa vastaavalla ominaiskäyrällä. Kuorman suuruus lasketaan ohmin laista

𝑅 =

[4]

Jossa

R = Kuorma (Ω) U = jännite (V)

I = virta (I). (Suntekno Oy, ei pvm)

Aurinkopaneelin ominaiskäyrä (I-U-käyrä) ilmoittaa, millä virran ja jännitteen arvoilla se voi toimia.

Oikosulkuvirta on paneelin tuottama enimmäisvirta, kun paneelin navat on kytketty oikosulkuun.

Tyhjäkäyntijännite on paneelin suurin jännite, joka saadaan silloin, kun paneeliin ei ole kytketty kuormaa. Hyvin tärkeä piste ominaiskäyrällä on maksimitehopiste (MPP) tai toimintapiste. Sillä tarkoitetaan niitä virran ja jännitteenarvoja, joilla saavutetaan suurin ulostuloteho kulloisissakin käyttö- olosuhteissa. Käytännössä tätä pistettä on vaikea saavuttaa, koska valaistusolosuhteet vaihtelevat ja kirkkaalla auringonpaisteella paneelin lämpötila nousee, mikä pienentää paneelin tehoa. Kuvassa 11 on esitetty 50 Wp paneelin ominaiskäyrä eri auringonsäteilyn voimakkuuksilla. Paneelin tuottama virta pienenee lähes suorassa suhteessa säteilyn määrään. Myös jännite pienenee säteilyn vähe- tessä. Maksimitehopiste saavutetaan hieman sen jälkeen, kun virta on käyrällä alkanut laskea.

(Suntekno Oy, ei pvm)

(20)

KUVA 11. 50 Wp aurinkopaneelin ominaiskäyrä. (Suntekno Oy, ei pvm)

Aurinkopaneelien tehon tuotantoon vaikuttaa auringon säteilyn voimakkuuden, tulokulman ja ab- sorption lisäksi myös lämpötila. Kuvassa 12 on esitetty aurinkopaneelin ominaiskäyrän muuttuminen eri lämpötiloissa. Kuvasta käy ilmi, miten teho käyttäytyy lämpötilan noustessa. Paneelin lämpötilan kasvaessa myös virran suuruus kasvaa. Tämän vaikutus on pieni tehoon, mutta paneelin tyhjäkäyn- tijännite putoaa voimakkaammin lämpötilan noustessa.

KUVA 12. Lämpötilan vaikutus ominaiskäyrään. (Suntekno Oy, ei pvm)

Kuvassa 13 on esitetty kuorman vaikutus 50 Wp aurinkopaneelin tehoon. Kuvasta käy ilmi tehon käyttäminen resistanssin kasvaessa. Alussa kuorman resistanssi on pieni, jolloin paneelin jännite on myös pieni ja tästä seuraa tehon jääminen pieneksi. Resistanssin kasvaessa suuremmaksi virran suuruus alkaa pienenemään ja teho lähtee pienenemään. Suurin teho 50 Wp paneelilla saadaan täy- dessä auringonpaisteessa, kun kuorman resistanssi on 6 Ω, mikä on sama kuin jännitteen ja virran suhde toimintapisteessä (17 V/2,8 A=6 Ω, Kuva 11.). Kun auringonsäteilyn voimakkuus

muuttuu, muuttuu myös toimintapisteen paikka. Tämän vuoksi optimikuorma muuttuu säteilyn

(21)

voimakkuuden muuttuessa ja myös paneelin lämpötilan muuttuessa. Käyrän huippu on terävä ja sen vuoksi pienetkin heitot optimista pudottavat merkittävästi paneelista saatavaa tehoa. (Suntekno Oy, ei pvm)

KUVA 13. Kuorman vaikutus aurinkopaneelin tehoon. (Suntekno Oy, ei pvm)

Aurinkosähköjärjestelmät

Aurinkosähköjärjestelmät jakaantuvat pääsääntöisesti kolmeen ryhmään, yleiseen sähköverkkoon liitetyt järjestelmät (on-grid) ja sähköverkon ulkopuoliset järjestelmät (off-grid tai ns. mökkijärjes- telmä), sekä näiden kahden yhdistelmät.

On-grid järjestelmässä aurinkopaneelien tuottama sähkö ensisijaisesti käytetään siinä kulutuskoh- teessa, jossa järjestelmä on. Ylimenevä sähkö/energia ohjataan yleiseen sähköverkkoon muiden ku- lutuskohteiden hyödynnettäväksi. Ylimenevältä osalta maksetaan järjestelmän omistajalle korvaus, joka määräytyy sopimuskohtaisesti. Yleisesti sähköstä saatava hinta vastaa ns. pörssisähkön hintaa, josta operaattori ottaa oman välityspalkkionsa. Tyypillisesti kotitalouksissa on-grid järjestelmästä saadaan sähköä silloin kun kohteessa ei ole kulutusta (päivisin) ja kulutetaan silloin kun järjestelmä ei tuota sähköä (iltaisin ja öisin). Päiväaikaista kulutusta voidaan lisätä muuttamalla peruskulutuksen jaksottamista päiväaikaan esim. ajastamalla pyykin- ja astianpesukoneen käyttö sekä muut mahdolli- set sähköä kuluttavat toiminnot päivän aikana tehtäviksi. Sähkölämmitteisessä talossa kesäaikana sähkön kulutus on vähäistä talviaikaan verrattuna, mutta osan peruskulutuksesta voi ja kannattaa silloin jaksottaa päiväaikaan. (SolarSynergia, 2016)

Yleiseen jakeluverkkoon liitetyn aurinkosähköjärjestelmän eli on-grid-järjestelmän pääkomponentit ovat

– aurinkopaneelit ja niiden telineet

– verkkoon syöttävä vaihtosuuntaaja lisälaitteineen.

(22)

Aurinkopaneelit tuottavat tasasähkön ja se muutetaan vaihtosuuntaajalla vaihtosähköksi, jonka tulee laadultaan vastata jakeluverkon standardeja. Verkkoon syöttäviä vaihtosuuntaajia on 1- tai 3-vaiheisia: 3-vaiheisia järjestelmiä on saatavana 3 kW tehosta ylöspäin ja 1-vaiheisia yleisesti alle 3 kW te- holuokassa. Yksivaiheisia laitteita käytetään pienkohteissa, mutta niiden käytettävyys on syytä tar- kistaa erikseen verkkoyhtiöltä ennen hankintaa, koska ne voivat aiheuttaa epäsymmetriaa sähköver- kossa. (Sähkötieto ry, 2017, s. 43)

Kuvassa 14 on esitetty on-grid-järjestelmän komponentit yksinkertaisesti.

KUVA 14. Yksinkertainen kuvaus on-grid-järjestelmän komponenteista. (Sähkötieto ry, 2017, s. 44)

Off-grid järjestelmässä aurinkopaneeleilta saatavaa sähkö joko kulutetaan suoraan kyseisessä kulu- tuskohteessa tai varastoidaan akustoon myöhempää kulutusta varten. Tyypillisiä off-grid kohteita ovat kesämökit ja rakennukset, jotka sijaitsevat sähköverkon ulkopuolella. Off-grid järjestelmän hy- vänä puolena on, mikäli järjestelmä on mitoitettu oikein, sen soveltuvuus useaan eri kohteeseen, riippumattomuus sähkötoimittajasta ja sopimuksista. Investoinnin kannattavuus on helppo laskea, koska kannattavuus ei ole riippuvainen kolmansista osapuolista. (SolarSynergia, 2016)

Off-grid koostuu yleisesti

– aurinkopaneeleista ja niiden johtimista

– tasasähköjärjestelmästä, 12, 24 tai 48 VDC, ja sen jakelusta – aurinkopaneelisäätimestä MPPT tai PWM

– akustosta ja akkusulakkeesta

– usein myös 230 VAC vaihtosuuntaajasta

– vaihtosuuntaajan ollessa osa järjestelmää myös 230 VAC jakelusta, vikasuojauksesta ja johdotuk- sesta, mikäli vaihtosuuntaajassa ei ole omia pistorasioita

– laajoissa järjestelmissä myös generaattorista: tuulimyllystä tai aggregaatista – järjestelmän tarvitsemasta maadoitusjärjestelmästä.

(Sähkötieto ry, 2017, s. 45)

(23)

KUVA 15. Yksi tapa toteuttaa off-grid-järjestelmä. (Sähkötieto ry, 2017, s. 45)

5 AURINKOLÄMPÖ

Aurinkolämpöä voidaan hyödyntää sekä passiivisesti että aktiivisesti. Passiivisesti auringosta saatavaa valoa ja lämpöä hyödynnetään suoraan ilman erillisiä laitteita. Aktiivisessa hyödyntämisessä au- ringonsäteily muunnetaan aurinkokeräimillä lämpöenergiaksi. Tällä tarkoitetaan auringon lämpöener- gian hyödyntämistä talojen rakenteiden ja sijoittelun avulla. Aurinkolämmön hyödyntämiseen kuuluu olennaisena osana lämmön varastointi. Passiivisesti lämpöä varastoidaan rakenteisiin. Aktiivisesti aurinkokeräimillä tuotettu lämpö varastoidaan tavallisesti käyttövesivaraajaan, mutta myös hybridi- järjestelmien isompaan vesivaraajaan. Lämpöä voidaan varastoida lisäksi esimerkiksi lämpökaivoihin, rakennuksen alle maaperään tai käyttää kaukolämmön tuotannossa. (Motiva Oy, 2018)

Aktiivinen aurinkolämpö

Aktiiviset aurinkolämmitysjärjestelmät ottavat aurinkoenergiaa suoraan talteen ja siirtävät tämän energian lämpövarastoon, josta se voidaan tarvittaessa siirtää käyttökohteisiin. Aurinkolämpöjärjes- telmissä lämmön kerääminen on pääsääntöisesti toteutettu aurinkokeräimillä ja aurinkokeräimen tehtävänä on muuttaa auringon säteily lämmöksi. Keräimestä lämpöenergia siirretään lämmönsiirto- aineen välityksellä eteenpäin. Järjestelmät koostuvat yleensä lämmön keruulaitteistosta, lämpöva- rastosta ja lämmön siirtoputkistosta. Lämmön siirto tapahtuu useimmiten jonkin lämmönsiirtones- teen avulla. Aurinkolämpöpuhaltimissa ilma toimii lämmönsiirtimenä. Lämpövarasto on aurinkoläm- pöjärjestelmissä lähes aina tarpeen, koska auringonsäteilyn määrät vaihtelevat paljon, eikä kulutus useinkaan tapahdu samaan aikaan kun aurinko paistaa. Kuvassa 16 on esitetty kuvaus yhdestä au- rinkolämpöjärjestelmästä ja sen toimintaperiaatteesta. (Motiva Oy, 2018)

(24)

KUVA 16. Aurinkolämpöjärjestelmä, joka koostuu keräimestä, pumpusta, varaajasta ja ohjausyksi- köstä. (Motiva Oy, 2018)

5.1.1 Aurinkokeräimet

Aurinkosäteilyä lämmöksi muuttavia keräimiä on olemassa nestekiertoisia ja ilmakiertoisia. Neste- kiertoiset aurinkokeräimet jaetaan kahteen päätyyppiin, tasokeräimet ja tyhjiöputkikeräimet.

Tasokeräimissä melkein koko keräimen pinta ottaa säteilyä vastaan. Tasokeräimet jaetaan katettui- hin ja kattamattomiin tasokeräimiin. Kattamattomia tasokeräimiä käytetään vain sovelluksissa, joissa tuotetaan hyvin alhaisessa lämpötilassa olevaa lämpöenergiaa, kuten uima-altaiden lämmityksessä, tai joissain tapauksissa lämpimän käyttöveden tuottamiseen, kun muita lämmitysmuotoja ei ole käy- tettävissä. Tasokeräin varustetaan yleensä läpinäkyvällä katteella, koska lämpöhäviöt ovat muuten suuret. Tällaisia tasokeräimiä kutsutaan katetuiksi tasokeräimiksi ja katteena käytetään joko lasia tai muovia. Tasokeräimissä säteilyä kerätään tumman keräinelementin avulla. Elementin tumma pinta absorboi siihen lankeavasta säteilystä suurimman osan ja kuumenee. Kuvassa 17 on esitetty tasoke- räimien rakenne. (Motiva Oy, 2016)

(25)

KUVA 17. Tasokeräimen rakenne ja sen osat. (Motiva Oy, 2016)

Tyhjiöputkikeräimestä on ilma poistettu lähes kokonaan, jolloin johtumishäviöt vähenevät merkittä- västi ja keräimen hyötysuhde säilyy tasokeräintä parempana korkeissa toimintalämpötiloissa. Lasi- putken tyhjiö toimii tehokkaana lämmöneristeenä ja estää siten tehokkaasti absorboitua lämpöä kar- kaamasta takaisin ulkoilmaan, jolloin suurempi osa lämmöstä voidaan hyödyntää. Tämän takia läm- möntuotto tyhjiöputkissa voi varsinkin kylminä vuodenaikoina olla korkeampi kuin tasokeräimissä.

Lämpiminä vuodenaikoina taso- ja tyhjiöputkikeräinten lämmöntuotoissa ei ole kovin suuria eroja.

Tyhjiöputkikeräimen sisäosien lämpötila voi nousta jopa 250-asteiseksi keräimen pintalämpötilan pysyessä huomattavasti tätä viileämpänä. Lämmönsiirto tyhjiöputkesta lämmönsiirtonesteeseen tapahtuu joko läpivirtausperiaatteella tai lämpöputken (Heat Pipe) avulla. Läpivirtausperiaatteella toi- mivissa tyhjiöputkikeräimissä neste virtaa joko u-muotoisessa putkessa tai sisäkkäin olevista putkista muodostetussa koaksiaaliputkessa. Kuvassa 18 on esitetty tyhjiöputkikeräimen toimintaperiaate.

(Motiva Oy, 2018)

(26)

KUVA 18. Tyhjiöputkikeräimen toimintaperiaate. (Motiva Oy, 2016)

Nestekiertoisissa keräimissä käytettävä kiertoneste on yleensä pakkasenkestävää. Vaikka vedellä on muita nesteitä selvästi paremmat lämmönsiirto-ominaisuudet, sitä voidaan käyttää vain sellaisissa järjestelmissä, joissa ei ole jäätymisvaaraa, kuten ulkouima-altaan lämmittämisessä. Jos kiertones- teenä on vesi, keräimen ulkoilman kanssa kosketuksessa olevat osat, kuten absorptioelementit ja putkisto, tyhjennettävä ulkolämpötilan laskiessa alle 0 °C:seen. Jäätymisongelmien takia ympärivuo- tisissa nestekiertoisissa järjestelmissä veteen sekoitetaan tavallisimmin propyleeniglykoliin pohjautu- vaa jäänestoainetta. Veden ja jäänestoaineen sekoitukset alentavat jäätymispistettä ja nostavat kie- humispistettä. (Motiva Oy, 2016)

Ilmakeräimet eivät sovellu veden lämmittämiseen yhtä hyvin kuin nestekeräimet ja ovat lähinnä tar- koitettu erilaisten tilojen ilman lämmittämiseen. (Motiva Oy, 2016) Tästä syystä ilmankeräimien toimintaa ei tutkita tässä työssä.

5.1.2 Aurinkokeräimien tuotto

Aurinkokeräinten lämmön tuottoon vaikuttaa moni muu asia kuin auringon säteilyteho ja keräinten suuntaukset. Aurinkokeräimeen lankeavasta auringon säteilystä voidaan hyödyntää vain osa. Ke- räimien tekniikasta ja olosuhteista riippuen keräimien hyötysuhde voi olla jopa 70 %. Koko järjestel- män hyötysuhde on kuitenkin pienempi muun muassa käytännön lämpötilaolosuhteista ja lämpö- energian varastointikapasiteetista johtuen. (Motiva Oy, 2016)

(27)

Aurinkolämpöjärjestelmän hyötysuhteeseen vaikuttaa muun muassa seuraavat asiat - aurinkokeräimen katteen (lasin) ominaisuudet

- lämmöneristys ja tiiviys

- aineiden absorptio- ja lämmönsiirtokyky - lämmönsiirtoaineen ominaisuudet - aurinkokeräimen käyttölämpötila - etäisyys keräimistä varaajaan - lämmönsiirtoputkien lämmöneristys - aurinkokeräimen suuntaus ja kaltevuus - varaajan lämpötila

- tarvittava lämpötila ja tarvittava energiamäärä - ulkolämpötila ja tuulisuus

(Motiva Oy, 2016)

Aurinkokeräimille voidaan laskea lämpöteho ja hyötysuhde, kun tiedetään, keräimen pinta-ala, keski- määräinen lämpötila, ympäristön lämpötila ja säteilymäärä. Hyötysuhde on sitä heikompi, mitä suurempi lämpötilaero on keräimien ja ympäristön välillä ja mitä pienempi auringon säteilyteho on.

Vuositason energiantuottoa (kWh/a) vertailtaessa voidaan todeta tyhjiökeräimien olevan vain vähän tasokeräimiä tehokkaampia, mutta hinnaltaan tyhjiökeräimet ovat noin 30-50 prosenttia kalliimpia.

Kuvassa 19 on esitetty eri keräintyyppien hyötysuhteiden käyttäytyminen eri lämpötilaeroilla.

KUVA 19. Hyötysuhde erityyppisillä aurinkolämpökeräimillä erilaisissa lämpötilaolosuhteissa. Lämpö- tilaero keräinnesteen keskilämpötilan ja ulkolämpötilan välillä. (Motiva Oy, 2016)

(28)

Kuvan 19 diagrammia voidaan hyödyntää seuraavasti. Keräimeen menee sisään 50 asteinen vesi ja neste on keräimessä lämmettyään 70 asteista. Keräinnesteen keskimääräinen lämpötila on 60 °C.

Jos ulkolämpötila on 20 °C, kuvaajan tarkoittamaksi lämpötilaeroksi tulee 40 °C. Kuvaajasta luettuna esimerkiksi keskimääräisen tasokeräimen hyötysuhteeksi saadaan noin 0,56 eli 56 %. Tämä tarkoit- taa sitä, että kaikilla nestekiertoisilla keräimillä lämmönkeruukyky on tehokkaampi silloin kun ke- räimeen sisään tuleva neste on mahdollisimman viileää. Tämä edellyttää mahdollisimman alhaista lämpötilaa energian varaajassa. (Motiva Oy, 2016)

6 LUVAT JA SÄÄDÖKSET

Toimenpideluvat aurinkoenergiajärjestelmiin

Aurinkoenergiajärjestelmien asennusten luvanvaraisuuteen ei Suomessa ole yhtenäistä ohjeistusta.

Lupakäytännöistä päätetään siis kuntakohtaisesti kunkin kunnan omassa rakennuslupasäädännössä.

On siis hyvä selvittää ennen järjestelmän rakentamista oman kunnan rakennusvalvonnasta järjestel- män luvanvaraisuus. (Finsolar, ei pvm)

Kuopion kaupungin rakennusjärjestyksessä aurinkopaneelit ja -keräimet ovat vapautettu toimenpide- luvan hakemisesta seuraavissa tilanteissa.

- Asemakaava-alueella aurinkopaneelin ja -keräimen sijoittaminen rakennukseen, rakennelmaan tai pihamaalle, kun ne eivät sijaitse katujulkisivulla tai naapuria vasten.

- Aurinkopaneelit ja keräimet, mikäli niiden pinta-ala on pienempi kuin 10 m² tai ne ovat asennettuna lappeen suuntaisesti.

- Aurinkopaneelin ja -keräimen sijoittaminen asemakaava-alueen ulkopuollella.

(Kuopion kaupunki, 2019)

Iisalmen tällä hetkellä voimassa olevassa rakennusjärjestyksessä ei ole mainintaa aurinkoenergiajär- jestelmien luvanvaraisuudesta. Iisalmen rakennusjärjestys on uusiutumassa vuonna 2019 ja uudesta rakennusjärjestyksestä on julkistettu luonnos, johon lisätty maininta aurinkopaneelien ja -keräinten luvanvaraisuudesta. Kaikilla alueilla toimenpideilmoituksen hyväksyminen vaaditaan aurinkoenergia- järjestelmissä, jotka ovat yli 10 m² erillisenä rakennelmana/laitteena tai yli 25 m²

katolle lappeen suuntaisesti asennettuna. (Iisalmi, 2018)

Aurinkosähköjärjestelmän verkkoon kytkeminen

On sitten kyseessä valmis mökkipaketti tai suurempi järjestelmä, pitää kaikissa toteutuksissa huoleh- tia sähköasennuksia koskevien lakien, asetusten, määräyksien ja ohjeiden noudattamisesta.

Velvoittavin näistä on sähköturvallisuuslaki 1135/2016, joka vaatii asennukset tehtäviksi turvallisesti.

Tämä varmistuu noudattamalla sähköturvallisuusviranomaisten eli TUKESin julkaisemassa luettelossa mainittuja standardeja tai muita ohjeita. (Sähkötieto ry, 2017, s. 30)

(29)

Tuotettua aurinkosähköä voi käyttää itse tai vaihtoehtoisesti myydä myös verkkoon. Aurinkosähkö- järjestelmä vaatii aina paikallisen sähköverkkoyhtiön luvan. Sähkön mikrotuotantojärjestelmässä, jossa nimellinen teho on enintään 100 kVA on ennen järjestelmä käyttöönottoa toimitettava paikalli- selle verkonhaltijalla järjestelmää koskevat tiedot, jolloin järjestelmän liittäminen voidaan tehdä luotettavasti ja turvallisesti. Järjestelmän rakentaminen ja siihen liittyvät sähkötyöt kuuluvat järjestel- män haltijalle. Sähköasennukset saa tehdä ainoastaan sähköalan ammattilainen. (Savon Voima Oyj, ei pvm)

Järjestelmän osalta kaikkien sen komponenttien tulee olla standardien mukaisia. Esimerkiksi järjes- telmän vaihtosuuntaajan eli invertterin tulee olla saksalaisen suojaustandardin VDE-AR-N-4105 ja/tai standardin SFS-EN 50438 mukainen. (Sähkötieto ry, 2017, s. 31)

(30)

7 YHTEENVETO

Työn tarkoituksena oli tutkia ja selvittää aurinkoenergian soveltuvuutta veden lämmittämisessä 100 asteiseksi. Tarkoituksena oli myös suunnitella ja valmistaa toimiva aurinkoenergialaitteisto veden lämmittämiseen.

Aurinkoenergiajärjestelmillä on Suomessakin runsaasti potentiaalia. Kesäkuukausina energian tuoton potentiaali on lähellä keski-Euroopan tasoa, mutta talvikuukausina energian tuotto on pientä, johtuen auringon matalasta paistokulmasta.

Aurinkosähköjärjestelmät soveltuvat myös lämmittämiseen, kuten työssä huomattiin. Oikein mitoite- tulla lämmitysvastuksella pystytään saamaan kooltaan pienistäkin paneelistoista tehoa hyvällä hyöty- suhteilla ilman säädintä. Tällaisissa tilanteissa energian saanti keskittyy ainoastaan ajankohtiin, joissa auringon säteily osuu paneeleihin ilman esteitä. Myös säätimellä varustetuissa järjestelmissä energian saatavuus pilvisellä ja hämärällä ilmalla on tehotonta. Aurinkoenergian tehokkaaseen ke- räämiseen vaaditaan paneelien ja keräimien oikea suuntaus, kallistuskulma sekä esteetön auringon- säteily. Myös ilman lämpötilalla on suuri vaikutus järjestelmien hyötysuhteisiin. Energiantuotannon kannalta on tärkeä pitää myös paneelit puhtaina liasta, kuten linnun jätöksistä ja lumesta.

Opinnäytetyö onnistui hyvin ja kaikki työlle asetetut vaatimukset saavutettiin. Suunniteltu ja valmistettu prototyyppi tuotti energiaa toivotulla tavalla ja vesi saatiin lämpenemään tavoitelämpötilaan.

Vettä lämmitettäessä aurinkosähköllä on kumminkin huomioitava säiliön eristeen riittävyys. Tilan- teissa, jossa auringosta saatava energia on pientä, vesi pääsee jäähtymään ja huonolla eristyksellä saatu lämpö haihtuu vedestä pois. Tuloksia voidaan myös käyttää tulevaisuudessa apuna suurempia järjestelmiä suunniteltaessa, joka saatujen tuloksien pohjalta on mahdollista toteuttaa.

Opinnäytetyön aikana saatiin kerättyä laajasti tietoa aurinkosähkö- ja aurinkolämpöjärjestelmien toi- minnasta sekä asioista, jotka tulee ottaa huomioon järjestelmiä hankkiessa ja suunniteltaessa.

Apuna suunnittelussa käytettiin standardeja sekä valmiita aurinkoenergiaan liittyviä oppaita.

Opinnäytetyötä tehdessä opin paljon aurinkosähköstä ja myös aurinkolämmöstä. Haasteita opinnäy- tetyössä oli alueen laajuudessa ja työn rajauksessa, mutta työn edetessä alueen rajaukset tulivat selkeämmiksi. Myös standardien soveltaminen järjestelmän suunnittelussa oli haastavaa, koska au- rinkosähköjärjestelmille, joissa käytetään akkuja tai muita energiavarastoja, niiden vaatimukset ovat vielä harkittavina. Myös komponenttien valinta järjestelmän tasasähkön osuudessa toivat omat haas- teensa.

(31)

LAINATUT LÄHTEET

ECO WEEDKILLER . (ei pvm). RIKKAKASVIEN TORJUNTAAN. Haettu 23. Tammikuu 2019 osoitteesta ECO WEEDKILLER: https://www.ecoweedkiller.com/eco-weedkiller.html

ECO WEEDKILLER Esite. (ei pvm). ECO WEEDKILLER- esite. Iisalmi: Konevel Oy.

ECO WEEDKILLER. (ei pvm). Torju rikkakasvit tehokkaasti. Haettu 23. 1 2019 osoitteesta http://www.ecoweedkiller.com/etusivu.html

ECO WEEDKILLER. (ei pvm). Ympäristö. Haettu 23. 1 2019 osoitteesta ECO WEEDKILLER:

http://www.ecoweedkiller.com/ymparisto.html

Energiateollisuus ry. (ei pvm). Aurinkosähkö. Haettu 23. Tammikuu 2019 osoitteesta

https://energia.fi/perustietoa_energia-alasta/energiantuotanto/sahkontuotanto/aurinkovoima

Erat, B.;Erkkilä, V.;Nyman, C.;Peippo, K.;Peltola, S.;& Suokivi, H. (2008). Aurinko-opas. (S. Aalto;C. Nyman ;& M.

Wiljander, Toim.) Porvoo: Aurinkoteknillinen Yhdistys ry.

European Comission. (ei pvm). PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM. Haettu 24. Helmikuu 2019 osoitteesta http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_download/map_index_c.html#!

Finsolar. (ei pvm). Toimenpideluvat. Haettu 15. Maaliskuu 2019 osoitteesta

http://www.finsolar.net/aurinkoenergian-hankintaohjeita/lait-ja-saadokset/toimenpideluvat/

Iisalmi. (17. Lokakuu 2018). Rakennusjärjestys luonnos. Haettu 15. Maaliskuu 2019 osoitteesta https://www.iisalmi.fi/loader.aspx?id=cadf7fe6-7462-4997-acfb-4c8e7f370e21

Ilmatieteen laitos. (2012). Energialaskennan testivuodet nykyilmastossa. Haettu 25. Tammikuu 2019 osoitteesta https://ilmatieteenlaitos.fi/energialaskennan-testivuodet-nyky

Konevel Oy. (ei pvm). Konevel Oy Kotisivu. Haettu 23. Tammikuu 2019 osoitteesta https://www.konevel.fi/konevel.html

Kuopion kaupunki. (1. Tammikuu 2019). Kuopion kaupungin rakennusjärjestys. Haettu 15. Maaliskuu 2019

osoitteesta https://www.kuopio.fi/documents/7369547/7531954/Rakennusj%C3%A4rjestys.pdf/180b3a9e- c361-49bd-95a6-fa2cc1796730

LUT. (12. Marraskuu 2014). Aurinkoenergia ja aurinkosähkö Suomessa. Haettu 23. Tammikuu 2019 osoitteesta https://www.lut.fi/uutiset/-/asset_publisher/h33vOeufOQWn/content/aurinkoenergia-ja-aurinkosahko- suomessa

Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Aurinkokeräinten hyötysuhteet. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat/aurinkokeraint en_hyotysuhteet

Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Aurinkolämpösanasto. Haettu 24. Tammikuu 2019 osoitteesta Uusiutuva energia: https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolamposanasto Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Ilmakeräimet. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat/ilmakeraimet Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Nestekiertoiset keräimet. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat/nestekiertoiset _keraimet

Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Tasokeräimet. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat/nestekiertoiset _keraimet/tasokeraimet

(32)

Motiva Oy. (11. Marraskuu 2016). Tyhjiöputkikeräimet. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat/nestekiertoiset _keraimet/tyhjioputkikeraimet

Motiva Oy. (4. Tammikuu 2018). Aurinkolämmön passiivinen hyödyntäminen. Haettu 1. Helmikuu 2019 osoitteesta https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolammon_passiivinen_hyodyntami nen

Motiva Oy. (5. Tammikuu 2018). Aurinkolämpöjärjestelmät. Haettu 4. Helmikuu 2019 osoitteesta https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkolampo/aurinkolampojarjestelmat Motiva Oy. (24. Heinäkuu 2018). Aurinkosähköjärjestelmän teho. Haettu 31. Tammikuu 2019 osoitteesta

https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkosahko/jarjestelman_valinta/aurinkosahkojarjeste lman_teho

Power From Sunlight. (ei pvm). Flexible Thin Film Solar Panels. Haettu 30. Tammikuu 2019 osoitteesta https://www.powerfromsunlight.com/flexible-thin-film-solar-panels-technology-different-applications- bendable-solar-panels/

Savon Voima Oyj. (ei pvm). Oma sähköntuotanto. Haettu 15. Maaliskuu 2019 osoitteesta https://www.savonvoima.fi/sahkon-siirto/sahkoliittyman-tilaus/oma-sahkontuotanto/

SolarSynergia. (30. Lokakuu 2016). Aurinkosähkö - Mistä aloitan. (P. Saviranta, Toimittaja) Haettu 1. Helmikuu 2019 osoitteesta https://www.solarsynergia.com/single-post/2016/10/17/Aurinkos%C3%A4hk%C3%B6--- Mist%C3%A4-aloitan

SolarSynergia. (18. Lokakuu 2016). Millaisen aurinkopaneelin valitsen. (P. Saviranta, Toimittaja) Haettu 30.

Tammikuu 2019 osoitteesta https://www.solarsynergia.com/single-post/2016/10/17/Millaisen- aurinkopaneelin-valitsen

Suntekno Oy. (ei pvm). Paneelit. Haettu 30. Tammikuu 2019 osoitteesta http://suntekno.bonsait.fi/resources/public/tietopankki/paneelit.pdf Sähkötieto ry. (2017). ST-käsikirja 40. (M. Orrberg, Toim.) Espoo: Sähkötieto ry.

Tahkokorpi, M. (2016). Aurinkoenergia Suomessa. Helsinki: Into Kustannus.

Tindo Solar. (ei pvm). POLY VS MONO CRYSTALLINE. Haettu 30. Tammikuu 2019 osoitteesta Types of Crystalline silicon cells: http://www.tindosolar.com.au/learn-more/poly-vs-mono-crystalline/

(33)

LIITTEET

LIITE 1. KESKUSLAYOUT

Sisältö salattu.

(34)

LIITE 2. KANSILAYOUT

Sisältö salattu.

(35)

LIITE 3. PIIRIKAAVIOT

Sisältö salattu

(36)

LIITE 4. MITTAUSPÖYTÄKIRJA 22.3.2019

Sisältö salattu.

(37)

Sisältö salattu.

(38)

Sisältö salattu.

(39)

Sisältö salattu.