Aurinkosähkön suunnittelu

Toni Putkinen

Aurinkosähkön suunnittelu

Metropolia Ammattikorkeakoulu Insinööri (AMK)

Sähkö- ja automaatiotekniikka Insinöörityö

8.4.2021

Tekijä: Toni Putkinen

Otsikko: Aurinkosähkön suunnittelu Sivumäärä: 35 sivua + 2 liitettä

Aika: 8.4.2021

Tutkinto: Insinööri (AMK)

Tutkinto-ohjelma: Sähkö- ja automaatiotekniikka Ammatillinen pääaine: Sähkövoimatekniikka

Ohjaajat: Yliopettaja Jarno Varteva

Insinöörityön aiheena on suunnitella joko off-grid-järjestelmä tai on-grid-järjestelmä valittuun kohteeseen. Suunnitelma tehdään paremmin kohteeseen sopivan järjestel- män mukaan. Selvityksen perusteella aurinkosähköjärjestelmäksi valikoitui on-grid- järjestelmä.

Suunnittelu suoritettiin kohteesta saatujen tietojen ja verkosta saatavan materiaalin avulla.

Työssä kävi ilmi, että kohteen sähkönkulutuksen tarvitsee olla riittävän suuri, jotta au- rinkosähköjärjestelmään sijoittaminen on kannattavaa.

Suunnittelun aikana selvisi useita uusia asioita sekä off-grid- että on-grid-järjestel- mien nykytekniikasta. Tutkimuksen myötä selvisi uusiutuvien energialähteiden mark- kinoilla olevia tekniikoita ja niiden toimittajia. Aurinkosähköjärjestelmien myyjiä on lu- kuisia, lähes kaikki tarjoavat avaimet käteen palvelua.

On-grid-järjestelmä tulee kannattavaksi suurissa kohteissa. Järjestelmän etuna on, ettei kallista akustoa tarvita, joka suurten tehojen tarpeessa nostaisi hintaa merkittä- västi. On-grid-järjestelmä on helppo ja nopea asentaa, se normaalisti toimii moitteitta noin 30 vuotta.

Avainsanat: off-grid, on-grid, aurinkosähkö, mikroinvertteri

Author: Toni Putkinen

Title: Solar power design

Number of Pages: 35 pages + 2 appendices

Date: 8 April 2021

Degree: Bachelor of Engineering

Degree Programme: Electrical engineering

Professional Major: Electrical power engineering Instructors: Jarno Varteva, Principal Lecturer

The purpose of the engineering work was to design either an off-grid system or an on-grid system for a selected site. The plan was made according to a system that is better suited to the site.

The work revealed that the electricity consumption of the site needs to be high enough for the placement in the photovoltaic system to be profitable.

During the design process, several new issues emerged concerning the current tech- nology of both off-grid and on-grid systems. The study identified the technologies on the renewable energy market and their suppliers. There are numerous vendors of photovoltaic systems and almost all offer turnkey service.

After studying the site, an on-grid system was selected as the photovoltaic system.

The design was carried out using information obtained from the site and material available online.

Keywords: Off-grid, On-grid, Photovoltaic, Microinverter

Sisällys

1 Johdanto 1

2 Aurinkoenergia 1

3 Aurinkosähköjärjestelmä 4

3.1 Aurinkosähköjärjestelmän osat 4

3.1.1 Aurinkokenno 4

3.1.2 Paneelityypit 7

3.2 On-Grid-järjestelmän osat 10

3.2.1 Mikroinvertteri 10

3.2.2 Verkkoinvertteri 11

3.3 Off-Grid-järjestelmän osat 12

3.3.1 Lataussäädin 12

3.3.2 MPPT-säädin 12

3.3.3 PWM-säädin 12

3.3.4 Invertteri 13

3.3.5 Akusto 13

3.4 Verkonvalvontalaite 14

3.5 Kaapelin mitoitus (DC) 14

3.6 Turvallisuus 16

4 Aurinkosähköjärjestelmät Suomessa ja tulevaisuus 16

5 Kohde 19

5.1 Rakennuksen tiedot 19

5.2 Vuotuinen sähkön kulutus 20

6 Järjestelmän suunnittelu 20

6.1 Standardit 20

6.1.1 SFS 6000-7-712:2012 20

6.1.2 SFS-EN 62446-1:2016 21

6.1.3 IEC 62548:2016 22

6.2 Laitevaatimukset 23

6.3 On-Grid-järjestelmän mitoitus 23

6.3.1 Mitoituksen muistilista 24

6.3.2 On-Grid-järjestelmän tehon mitoitus 24

6.4 Komponentit 25

7 Sähkön tuotanto ja kannattavuus 28

7.1 Sähkön tuotanto omaan käyttöön verotuksessa 29

7.2 Veronalainen sähkön myynti 29

7.3 Pientuotannon määritelmä 31

8 Yhteenveto 31

Lähteet 33

Liitteet

Liite 1: PVGIS-laskuri Liite 2: Finsolar-laskuri

Lyhenteet

PN: Positive Negative. Positiivinen negatiivinen.

UV: Ultravioletti.

Gs: Säteilyn voimakkuus.

MPPT: Maximum Power Point Tracking. Suurimman tehopisteen seuranta.

PWM: Pulse Width Modulation. Pulssinleveysmodulaatio.

AGM: Absorbent Glass Mat. Lyijyhyytelöakku.

DC: Direct Current. Tasasähkö.

Wp: Watt-peak. Piikkivatti.

PV: Photovoltaic. Aurinkosähkö.

1 Johdanto

Aurinko paistaa joka päivä, vaikka joskus sillä on vähän pilviä tiellään. Auringon antama energia riittäisi moninkertaisesti maan energiatarpeisiin, jos se vain osattaisiin valjastaa oikein energian tuottoon.

Aurinkoenergian muotoja on useita erilaisia. Aurinkoenergiaa voidaan käyttää lämmitykseen suoraan aurinkokeräimen avulla. Auringon valosta voidaan tehdä sähköä aurinkopaneelin avulla. On myös huomioitava, että vesivoimakin syntyy auringon avulla.

Tämän insinöörityön tarkoitus on selvittää, mitä edellytetään, jos siirrytään kiin- teästä sähköverkosta osittain omavaraiseksi. Tässä työssä käsitellään pelkäs- tään auringon valoa energian lähteenä käyttäen aurinkopaneeleita energian ke- räämiseksi. Työn kohde on ympärivuotisessa käytössä oleva loma-asunto, joka sijaitsee Virtasalmella, Pieksämäellä. Kohteessa on melkein kaikki nykyajan mukavuudet, mutta varsinkin talvella käyttö on melko vähäistä, vaikka silloin energian kulutus on suurin. Tämän vuoksi on syytä tutkia keinoja, joilla saatai- siin kesän vähäisen kulutuksen yli jäämiä tuottoja siirrettyä talveen.

Työssä tutkitaan vaihtoehtoja irti verkosta olevan järjestelmän ja verkkoon kyt- ketyn järjestelmän välillä. Lopputulos selviää luvusta ”Järjestelmän suunnittelu”.

2 Aurinkoenergia

Auringon säteilyn vaikutus maapallon elämisen edellytyksiin on monimutkainen kokonaisuus. Kuva 1 liittyy koko maapallon pinnan keskimääräiseen energiata- seeseen eli pääsääntöisesti energiaa pitää poistua vastaavassa suhteessa maapallolle saapuvaan energiamäärään nähden. [1.]

Kuva 1. Auringonsäteilyn keskimääräinen teho ja sen jakautuminen ilmake- hässä ja maan pinnalla. [1.]

Auringosta Maahan saapuva tulosäteilyn energian tulee olla tasapainossa Maasta poistuvan lähtösäteilyn energian kanssa. Tämä merkitsee, että ilmaan ja maahan sitoutuneen lämpöenergian täytyy lopulta poistua avaruuteen pitkä- aaltoisena lämpösäteilynä. Päivittäisen tulosäteilyn kokonaismäärää ilmakehän ulkopinnalle kutsutaan aurinkovakioksi, ja sen suuruus on noin 1366 W/m2.

Tästä tulosäteilystä noin 50 prosenttia pääsee ilmakehän läpi maan pinnalle ja- kautuen ajallisesti vielä puoliksi yön ja päivän vuoksi. Säteily imeytyy vesistöihin ja manneralueisiin lämmittäen niitä sekä kasveihin. Noin 30 prosenttia tulevasta säteilystä heijastuu ilmakehän hiukkasista, pilvistä ja maanpinnasta suoraan ta- kaisin avaruuteen. Loput 20 prosenttia säteilystä imeytyy ilmakehän kaasuihin ja pilvien vesihöyryyn. Maan planetaariset ominaisuudet eli pallonmuotoisuus, kiertoliikkeet oman akselin sekä Auringon ympäri ja akselikaltevuus aiheuttavat sen, että tulosäteily jakautuu epätasaisesti maapallon pinnalle. Päiväntasaajan molemmin puolin aina 35. leveyspiirille asti säteily tulee aina lähes kohtisuorasti maanpintaan. Säteily siis kulkee lyhyemmän matkan ilmakehän läpi ja kohdis- tuu pienemmälle pinta-alalle kuin pohjoisemmilla ja eteläisemmillä leveysas- teilla. [1.]

Aurinkoenergia on auringon säteilemän energian hyödyntämistä sähkö- tai läm- pöenergiana. Yleensä termillä tarkoitetaan erityisesti suoraa säteilyenergian hyödyntämistä aurinkokennon tai aurinkokeräimen avulla. Suoran ja epäsuoran aurinkoenergian hyödyntämiseksi on kehitteillä näiden lisäksi monia teknisiä so- velluksia. [2.]

Aurinkoenergia on niin sanottua uusiutuvaa energiaa, ja sen tuotannosta syntyy päästöjä ja jätettä vain laitteiden valmistuksessa ja kierrätyksessä. Aurinkoener- gia on ollut pitkään varsin kallista, sen hyödyntämiseen tarkoitettujen paneelei- den hinnan vuoksi, mutta eräiden vuonna 2010 julkaistujen tutkimusten mukaan hintakehitys oli laskemassa seuraavan kymmenen vuoden kuluessa fossiilisten polttoaineiden tasolle. [2.]

Auringon säteilyn intensiteetti Maan kiertoradan etäisyydellä Auringosta on noin 1,4 kW/m², kun se mitataan suorassa kulmassa suhteessa aurinkoon. Maan pinnalle kohdistuva kokonaisteho on noin 170 000 TW, mutta käytännössä siitä ei voida hyödyntää kuin pieni osa. Säteilystä heijastuu suoraan takaisin suunnil- leen 30 prosenttia. [2.]

Maan maa- ja vesialueet sekä ilmakehä absorboivat auringon säteilyä, mikä nostaa niiden lämpötilaa. Valtameristä haihtunutta vettä sisältävä lämmin ilma kohoaa painovoimakentässä ylöspäin aiheuttaen ilmakehässä kiertoliikettä ja lämmön kuljettumista. Kun ilma kohoaa korkeuteen, jossa lämpötila on matala, vesihöyry tiivistyy pilviksi. Pilven vesi putoaa lopulta maanpinnalle toteuttaen veden kiertokulun. Veden tiivistymisen latentti lämpö vahvistaa konvektiota muodostaen erilaisia ilmakehän ilmiöitä, kuten tuuli, sykloni ja korkeapaine. Val- tameriin ja maa-alueisiin absorboitunut auringon säteily pitää Maan keskilämpö- tilan noin 14 °C:ssa. Kasvit muuttavat fotosynteesissä auringon energiaa kemi- alliseksi energiaksi. [2.]

3 Aurinkosähköjärjestelmä

Aurinkosähköjärjestelmä tarkoittaa sekä verkkoon kytkettäviä että akustolla toi- mivia järjestelmiä. Yleiseen sähköverkkoon kytkettävä aurinkosähköjärjestelmä on käytössä yleensä omakotitalossa, maatiloilla tai yrityksen toimitiloissa. Verk- koon kytkettävät järjestelmät toimivat siten, että ensisijaisesti käytetään saata- villa oleva aurinkoenergia ja vasta tämän jälkeen siirrytään käyttämään yleistä sähköverkkoa. Aurinkosähköjärjestelmä mitoitetaan aina asiakkaan tarpeiden mukaan. Aurinkosähköllä katetaan kolmasosa vuoden sähkönkulutuksesta, jotta ylituotantoa ei syntyisi. Jos kuitenkin ylijäämäsähköä syntyy niin sen voi myydä omalle sähköyhtiölle korvausta vastaan. [2.]

Akustolla toimivan aurinkosähköjärjestelmän käyttö on yleistä sähköttömissä olosuhteissa, kuten mökeillä, veneissä ja asuntoautoissa. Päivän aikana akku latautuu aurinkosähkön voimasta ja illan aikana sähköä voidaan käyttää esimer- kiksi jääkaapin, valaisimien, television ja tietokoneen käyttöön. Mökkijärjestelmä mitoitetaan sen mukaan kuinka paljon laitteita ja mukavuuksia halutaan mökki- olosuhteissa käyttää. [2.]

3.1 Aurinkosähköjärjestelmän osat 3.1.1 Aurinkokenno

Aurinkokennon rakenne ja toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1. Kennossa au- ringon valo muuttuu suoraan sähkövirraksi. Aurinkokenno on periaatteessa hy- vin suuri fotodiodi, jossa on yhdistetty kaksi erityyppistä 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 muo- dostuvista pareista elektronit kulkeutuvat n-puolelle ja aukot p-puolelle. Rajapin- taan muodostuneen sähkökentän vuoksi elektronit voivat kulkea vain tiettyyn suuntaan. Niiden on kuljettava ulkoisen johtimen kautta p-tyypin puolijohtee- seen, jossa ne vasta voivat yhdistyä sinne kulkeutuneiden aukkojen kanssa.

Valaistunliitoksen eri puolilla on siten jatkuvasti vastakkaismerkkiset varauksen- kuljettajat, ja liitos voi toimia ulkoisen piirin jännitelähteenä. [2.]

Aurinkokennojen yleisin materiaali on pii (Si), jota käytetään yksi- ja monikitei- senä sekä myös amorfisessa muodossa. Kiteiset piikennot ovat yleensä noin 0,2–0,3 mm paksuja ja pinta-alaltaan (90–160) mm x (120–160) mm. Yksikitei- set piikennot on sahattu yhtenäisestä piiaihiosta, jonka halkaisija on 10–16 cm.

Koska raaka-aine on hyvin kallista, pyöreistä kiekoista ei kannata tehdä nelis- kulmaisia. Tämän vuoksi yksikidepaneeleissa on aukot kennojen kulmissa. Mo- nikiteisiä piikennoja voidaan tehdä neliskulmaisista aihioista, jolloin raaka aine saadaan käytettyä tarkemmin hyödyksi. Amorfisesta piistä valmistetut kennot ovat taipuisia ja valmistuskustannuksiltaan halvempia, mutta niiden hyötysuhde- jää pienemmäksi. [2.]

Kuva 2. Aurinkokennon toimintaperiaate. (Suntekno WWW-sivut 2021)

Albert Einstein selitti valosähköisen ilmiön, johon piipohjaiset aurinkokennot pe- rustuvat. Valosähköilmiö havaittiin ensimmäisen kerran 1830-luvulla, mutta

vasta 1880-luvulla ilmiötä alettiin ymmärtää edes jollain tasolla. Tuolloin Hertz havaitsi, että pinnan valaiseminen helpotti jonkin pakoa (vuonna 1887), tun- nemme nämä hiukkaset elektroneina. Tämä ajatus ei ollut mitenkään vallanku- mouksellinen, sillä pinnan potentiaalienergiavyöhykkeen olemassaolo tiedettiin jo. Edison havaitsi vuonna 1883, että materiaalin kuumentaminen erittäin korke- aan lämpötilaan vapautti elektroneja (Edison ei tuntenut elektronia). Pienintä energiaa, jolla elektroni irtoaa kappaleen pinnasta, kutsutaan irrotustyöksi (f) ja se on materiaalivakio. Hertzin käyttämät kappaleet eivät olleet riittävän kuumia, jotta elektroni olisi irronnut lämpöenergialla. [3.]

Fotonin irtoamisesta saatava energia voidaan laskea kaavalla 1:

𝐸 = ℎ ∗ 𝑓 = ^ℎ∗𝑐

𝜆 (1)

Kaavan suureet ovat seuraavat:

h = Planckin vakio f = taajuus

λ = aallonpituus

c = valon nopeus tyhjiössä

Vuosina 1886–1900 saksalaiset fyysikot Wilhelm Hallwachs ja Philipp Lenard tutkivat yksityiskohtaisesti valosähköilmiötä ja saivat melko odottamattomia tu- loksia: monokromaattisen valon osuessa kennoon elektroneja ei irtoa, ellei käy- tetyn valon taajuus ollut korkeampi kuin rajataajuus; käytetyn valon intensiteetti ei vaikuta pysäytysjännitteeseen (jännite, jolla elektronien kulku katodilta ano- dille saadaan estettyä). Klassinen fysiikka ei kyennyt selittämään valosähköil- miön ominaisuuksia, vaan siihen vaadittiin elektronia ja Max Planckin kvanttihy- poteesia. Vuonna 1905 Albert Einstein kehitti valosähköilmiölle tarkan analyysin olettamalla, että valonsäde koostuu pienistä energiapaketeista, joita hän kutsui fotoneiksi tai kvanteiksi. Osuessaan kappaleen pintaan fotoni absorboituu elektroniin, mutta vastoin klassisen fysiikan käsitystä energian siirtymisestä elektroni saa joko koko fotonin energian tai ei mitään. Jos absorboituvan fotonin

energia on suurempi kuin irrotustyö, elektroni voi paeta pinnalta. Suurempi in- tensiteetti taajuuden pysyessä samana tarkoittaa sekunnissa emittoituvien elektronien määrän kasvua eli suurempaa jännitettä. Suurimmalla osalla metal- leista rajataajuus on UV-alueella, mutta kaliumin ja cesiumin oksideilla rajataa- juus on näkyvän valon alueella. [3.]

3.1.2 Paneelityypit

Aurinkopaneelityyppejä ovat yksikiteinen pii ja monikiteinen pii. Teknologia on ollut jo pitkään käytössä ja 90 % kaikista paneeleista on valmistettu piistä. Näi- den paneeleiden hyötysuhde on noin 15–17 prosenttia.

Lisäksi on olemassa ohutkalvotekniikalla valmistettuja paneeleja. Näiden hyöty- suhde on hieman heikompi kuin piipaneeleilla noin 9–11 prosenttia. Kuvassa 3 on esitettynä ohutkalvopaneeli.

Kuva 2. Ohutkalvolevy. [4.]

Ohutkalvopaneeleilla pystytään keräämään hajasäteilyä hiukan tehokkaammin kuin kiteisen piin paneeleilla, mutta vaikutus on vuositasolla vähäinen. Ohutkal- vopaneelit päästävät enemmän valoa lävitseen, joten niillä auringonsäteilyä ei saada hyödynnettyä sähköntuotantoon yhtä hyvin kuin kiteiseen piihin perustu- villa paneeleilla. [5.]

Aurinkopaneelin tuottama teho lasketaan kaavalla 2:

𝑃 = 𝑈 ∗ 𝐼 (2)

Paneelien tuottama energia saadaan, kaavalla 3:

𝐸 = 𝑃 ∗ 𝑡 (3)

Paneelin hyötysuhde lasketaan kaavalla 4:

ղ = ^𝑃

𝐺𝑠∗𝐴∗ 100% (4)

Aurinkosähköteknologiat voidaan jakaa kolmeen sukupolveen. Yksi- ja moniki- teiset piikennot ovat ensimmäisen sukupolven aurinkokennoja, ja ne ovat kau- pallisessa käytössä. Ohutkalvoaurinkokennot ovat toisen sukupolven aurinko- kennoja. Ensimmäisen ja toisen sukupolven aurinkokennojen teknologia perus- tuu valosähköiseen ilmiöön ja puolijohteiden pn-liitoksen aikaansaamaan säh- kökenttään. [5.]

Kolmannen sukupolven kennot ovat nanotekniikkaan perustuvia väriai-

nekennoja, joiden toiminta ei teknisesti perustu valosähköiseen ilmiöön, kuten edellisten sukupolvien kennojen. Hyötysuhteessa ne häviävät ensimmäisen su- kupolven kennoille, mutta edulliset valmistuskustannukset tekevät niistä kustan- nustehokkaan vaihtoehdon. [6.]

Kuva 3. Väriainekennon rakenne ja toimintaperiaate. [6.]

Väriaineaurinkokennoissa vapaiden varauksenkuljettajien syntyminen tapahtuu tiettyjen puolijohdepartikkelien pintaan kiinnittyneissä väriainemolekyyleissä.

Valoa absorboidessaan ne synnyttävät puolijohdemateriaaliin vapaita elektro- neja. Kyse on siis itse asiassa fotosynteesistä. Edulliset materiaalikustannukset, yksinkertaiset valmistusmenetelmät sekä kohtalaiset hyötysuhteet tekevät vä- riainekennoista kiinnostavan vaihtoehdon. Niidenkin valmistamiseen liittyy erilai- sia haasteita. [6.]

Taulukko 1. Yleisten kennotyyppien ominaisuudet. [6.]

3.2 On-Grid-järjestelmän osat 3.2.1 Mikroinvertteri

Aurinkopaneelijärjestelmään kuuluva verkkoinvertteri muuttaa aurinkopaneelien syöttämän tasajännitteen normaaliksi 230 V:n vaihtojännitteeksi. Perinteisesti invertterit ovat tarvinneet toimiakseen korkean tasajännitteen, josta syystä pa- neeleita on pitänyt asentaa suuri määrä. [7.]

Invertteritekniikan kehittymisen myötä korkeaa jännitettä ei enää tarvita, vaan jopa yksittäinen aurinkopaneeli voidaan kytkeä kiinteistön sähköverkkoon. Täl- laista invertteriä kutsutaan mikroinvertteriksi, se on paneelikohtainen. Invertterit kytketään toisiinsa kiinni ja järjestelmään voidaan ketjuttaa haluttu määrä aurin- kopaneeleita yhteen. [7.]

Mikroinverttereillä toteutettu aurinkopaneelijärjestelmä on yksinkertainen ja helppo toteuttaa. Aurinkopaneelijärjestelmän rakentamisen voi aloittaa, vaikka

yhdestä paneelista ja ruokahalun kasvaessa järjestelmää voi laajentaa halua- mallaan tavalla. [7.]

Invertteri syöttää ulos normaalia 1-vaiheista 230 V:n töpselisähköä, joten invert- teriketjusta lähtee tavallinen sähkökaapeli, joka kytketään sähkökeskukseen.

Katolle ei tarvitse siis kytkeä korkean tasajännitteen kuljettamiseen tarkoitettuja erikoiskaapeleita. [7.]

Aurinkopaneelien tuottama sähkö menee suoraan kiinteistön omaan käyttöön.

Pienen kokonsa ansiosta invertteri voidaan asentaa suoraan aurinkopaneelin taakse samaan telineeseen, johon paneeli on kiinnitetty. Kaapelointi on yksin- kertainen toteuttaa: aurinkopaneeli kytketään invertteriin, invertterit kytketään toisiinsa ja tavallinen sähkökaapeli ohjataan katolta alas. [7.]

Mikroinverttereitä voi ketjuttaa yhteensä 20 kappaletta peräkkäin. Asennetta- essa useampia paneeleita nämä kytketään kahteen tai useampaan ketjuun. Jos paneelit halutaan kytkeä 3-vaihejärjestelmään, niin tämä tapahtuu kytkemällä kolme paneeliketjua kukin omaan vaiheeseen sähkökeskuksessa. [8.]

3.2.2 Verkkoinvertteri

Verkkoinvertteri kytketään kiinteän verkon rinnalle. Verkkoinvertteri kannattaa asentaa sähkökeskuksen viereen, se kytketään suoraan vaiheisiin. Kun invert- teri asennetaan kauas paneeleista, tulee siirtomatkoista tasavirtapuolella pitkiä ja sen takia joudutaan kaapeleina käyttämään järeämpiä, etteivät häviöt syö te- hoa. Myös jännitteen pienuus aikaan saa johtimissa suuren virran, jonka takia joudutaan käyttämään vahvempia kaapeleita.

Verkkoinvertteri tulee kytkeä niin sanottuun saarekekäyttöön, eli jos valtakun- nan verkko tippuu pois, niin sähköä silti saadaan. Jos keskuksella joudutaan te- kemään asennustöitä, niin aurinkosähköjärjestelmästä tulee varoittaa työn teki- jää.

3.3 Off-Grid-järjestelmän osat 3.3.1 Lataussäädin

Verkkoon kytkemättömissä järjestelmissä aurinkopaneelien tuottama sähkö va- rastoidaan ennen käyttöä akkuihin, mikäli sähköntuotanto ja -kulutus eivät osu samaan hetkeen. Järjestelmään kuuluu lataussäädin, joka asennetaan aurinko- paneelien ja akuston väliin. Uusinta teknologiaa edustava MPPT-säädin säätää aurinkopaneelit tuottamaan sähköä mahdollisimman suurella hyötysuhteella ja valvoo, että akusto latautuu optimaalisella tavalla. MPPT-säädintä voidaan hyö- dyntää myös verkkoon liitetyissä järjestelmissä. [9.]

Akuista voidaan ottaa virtaa suoraan tasavirtaa hyödyntäviin laitteisiin. Verk- koon kytkemättömät järjestelmät ovat yleisiä etenkin taajamien ulkopuolella ja saarissa, joita ei voi helposti liittää sähköverkkoon. Mikäli tasavirta halutaan muuttaa vaihtovirraksi, järjestelmään on lisättävä invertteri, kuten verkkoon kyt- ketyissä järjestelmissä. [9.]

3.3.2 MPPT-säädin

MPPT-säätimen eli maksimitehopisteen seuraajan (Maximum Power Point Tracking, MPPT) avulla aurinkosähköjärjestelmästä saadaan käyttöön mahdolli- simman suuri tuotantopotentiaali. MPPT-yksikkö säätää aurinkopaneelien ulos- tulojännitteen toimimaan maksimitehopisteessä, jolloin paneelit tuottavat säh- köä mahdollisimman suurella hyötysuhteella. [9.]

3.3.3 PWM-säädin

PWM-säätö on, niin sanotusti kehittyneempi on/off-säätö, jossa alkuperäistä sähkön syöttöä katkotaan tiheästi siten, että keskimääräinen voimakkuus aset- tuu haluttuun tasoon. Eli esimerkiksi 12 V:n jännitettä ohjataan 0,1 sekunnin

ajan päälle ja 0,2 sekuntia pois päältä, jolloin keskimääräinen voimakkuus on noin 33 % = 4 V jännitetaso. PWM-säädön yhtenä heikkoutena esimerkiksi pa- neelipiiri käy tiheästi täydellä jännitteellä, jolloin se ei välttämättä ole paneelin kannalta paras mahdollinen toimintajännite ja syntyy turhia häviöitä. [10.]

3.3.4 Invertteri

Invertteri-termi on vakiintunut yleisnimitykseksi kaikille keskuslaitteille, joihin pa- neelisto liitetään. Invertteri-termillä voidaan tarkoittaa verkkoonliityntälaitetta, vaihtosuuntaajaa, varaajavaihtosuuntaajaa tai akkusäädintä riippuen kokoonpa- nosta. [10.]

Yleisesti invertterit ovat aurinkosähköjärjestelmien laitteita, joihin paneelit kytke- tään ja keskitetään usein kaikki järjestelmän tärkeimmät toiminnot. Sähköteknii- kan peruskomponenttina invertteri eli vaihtosuuntaaja muuntaa tasasähkön vaihtosähköksi. [10.]

3.3.5 Akusto

Akustot ovat lähinnä mökkijärjestelmien osa, mutta niitä pystyy rakentamaan myös on-grid-järjestelmiin. Ne ovat käytännössä harvinaisia, sillä akustolla ei toistaiseksi saavuteta merkittävää lisähyötyä on-grid-järjestelmissä. Tekniikan kehittyessä ja akustojen hintojen alentuessa sekä energian hinnan noustessa erilaiset ratkaisut tulevat lisääntymään. [10.]

Akustot ovat aina oma huoltokohteensa ja niiden ylläpito muodostaa merkittä- vän osan aurinkosähköjärjestelmään liittyvänä komponenttina. Akuston mitoitus ja laitteiston komponenttivalinnat vaikuttavat olennaisesti akuston elinikään.

[10.]

Usein käytetään suljettuja lyijyakkuja niiden hinnan ja helpon ylläpidon vuoksi.

Niitä nimitetään myös huoltovapaiksi akuiksi, mutta akkujen kunnosta on hyvä

varmistua vuosittain tarkkailemalla niitä käytössä esimerkiksi akuston kuntoa tarkkailevalla akkumittarilla ja tekemällä raskaampi kuormitustesti. [10.]

Paras akkutyyppi aurinkosähköjärjestelmiin on AGM. AGM-akku soveltuu omi- naisuuksiensa puolesta myös hyvin mökkikäyttöön, koska sillä on muun mu- assa suljettu rakenne ja huoltovapaus, vähäinen itsepurku ja hyvä pakkasen- kesto. Myös ns. vapaa-ajanakkuja voidaan käyttää. Ajoneuvo käytössä olevia akkuja ei suositella, koska akun tulee kestää jatkuvaa syvälatausta ja -purkua.

Suositeltu akkukoko riippuu käyttölaitteiden kulutuksesta. Yleensä 120–220 Ah:n akusto riittää. [11.]

3.4 Verkonvalvontalaite

Nykyisillä inverttereillä ei verkonvalvontalaitetta tarvita. Jos kuitenkin käytetään paneelikohtaisia mikroinverttereitä, niin silloin on syytä käyttää verkonvalvonta- laitetta.

3.5 Kaapelin mitoitus (DC)

Kaapeleiden oikeaoppinen mitoitus erityisen tärkeää tasasähköpiirissä. Myös kaapelityypin valintaan on syytä kiinnittää huomiota, sillä katolla olevat kaapelit joutuvat kovempien sääolosuhteiden armoille.

Kaapelin resistiivisyys voidaan laskea kaavalla 5:

𝑅 =^ρ∗𝑙

𝐴 (5)

jossa ρ on johtimen ominaisresistanssi, 𝑙 on johtimen pituus ja 𝐴 on johtimen poikkipinta-ala.

Tehohäviö voidaan puolestaan laskea kaavalla 6:

𝑃 =^𝑈²

𝑅 (6)

jossa 𝑈 on nimellisjännite ja 𝑅 on johtimen resistanssi.

Lasketaan esimerkki Adita Oy:n kaapelilaskurilla 10 ja 16 mm²:n kaapeleille.

Käytetään laskennassa yhtä 245 W:n paneelia, joka antaa 29,99 V:n jännitteen.

On huomioitava, että johtimen pituus tulee kertoa kahdella. Etäisyytenä käyte- tään 20 m: ä.

Kuva 4. 10 ja 16 mm² johtimien häviöt. (Adita.fi. WWW-sivut)

Jos päädytään käyttämään mikroinvertteitä ja ne asennetaan paneelien taakse, jää tasasähköosuus erittäin lyhyeksi. Tällä menettelyllä voidaan johtimissa kul- jettaa 230 V, jonka ansiosta päästään 2,5 mm² johtimiin. Tämä tosin edellyttää on-grid kytkentää.

3.6 Turvallisuus

Jokainen aurinkovoimala koostuu tämän lisäksi tärkeistä apukomponenteista:

turvakytkimestä, vikavirtasuojakytkimestä, johdonsuojakatkaisijasta ja kaape- lista koostuva sähköliitäntä yleensä lähimpään ryhmä- tai mittauskeskukseen, DC-kaapeloinnin mekaaninen suojaus, kiinnitystelineen potentiaalintasaus ja aurinkosähkövoimalan merkintä tarroin. DC-kaapeloinnin ja sen mekaanisen suojauksen kustannus on alle 5 % koko aurinkovoimalan kustannuksista, mutta luultavasti yli 90 % voimalan tulipaloriskeistä. [12.]

4 Aurinkosähköjärjestelmät Suomessa ja tulevaisuus

Valtakunnallisesti aurinkosähköjärjestelmien asennukset ovat lisääntyneet huo- mattavasti viime aikoina. Kehityksen uskotaan jatkuvan myös tulevina vuosina, sillä järjestelmien toteuttamisen kustannukset ovat laskeneet, samalla sähköyh- tiöt ovat nostaneet sähkön siirtohintoja muun muassa maakaapelointiin liittyvien investointien vuoksi. [13.]

Kuva 5. Aurinkosähkökohteet Varsinais-Suomessa 2016–2018. Taulukossa ei- vät ole mukana ennen vuotta 2016 toteutetut voimalat. [14.]

Aurinkosähköä tuotetaan globaalisti noin kahden prosentin verran vuosittain.

Tämä vastaa noin neljänkymmenen Olkiluoto 3:n vuotuista tuotantoa. Tuotanto on suhteellisen vähäistä, mutta kasvupotentiaalia on paljon.

Kuva 6. Asennetut aurinkosähkölaitokset maailmassa. [15.]

Kukaan ei osannut ennustaa, mitä tulevaisuus tuo tullessaan. Kuvassa 9 on esi- tetty vanhat ennusteet ja todellinen toteuma.

Kuva 7. Ennusteet ja toteuma. [15.]

Tulevaisuudessa aurinko- ja tuulivoiman kasvulle ei ole estettä. Ainoastaan kas- vun nopeutta on vaikea ennustaa.

Kuva 8. Energiamuotojen jakautuminen nyt ja tulevaisuudessa. [15.]

5 Kohde

5.1 Rakennuksen tiedot

Kohteena on talviasuttava noin 90 m²:n mökki Virtasalmella, Pieksämäellä. Mö- kin varusteina ovat: sähköpatterit, sähkösauna, kylpyhuoneen lattialämmitys, il- malämpöpumppu, liesi, televisio ja joitain kodinkoneita. Rakennuksen keskellä on varaava takka/leivinuuniyhdistelmä, jolla lämmitys pääasiassa tapahtuu.

Sähköpatterit on säädetty +16°C:een, jotta kosteus ei pääse mökkiin sisälle, jos tulee pitempi tauko lämmityksessä.

Rakennus on harjakattoinen tiilikatteella. Kattokulma on melko jyrkkä, ehkä lä- hempänä 40°. Puusto tontilla on harvaa männikköä, joten varjostus on vähäistä.

Mökin katon toinen lape on etelään; atsimuuttikulma on noin 15°, joten panee- leita joudutaan kääntämään myös sivusuunnassa.

5.2 Vuotuinen sähkön kulutus

Mökille tulee tällä hetkellä 3x25 A:n liittymä. Vuosikulutusarvio on 2566 kWh.

Sähkönsiirtoyhtiö on Järvi-Suomen Energia ja kuukausimaksu on 37,56 €/kk ja siirtomaksu on 4,38 snt/kWh. Sähköyhtiö on Lumme Energia, jonka kuukausi- maksu on 1,990 €/kk ja energiamaksu on 5,690 snt/kWh. Tästä saadaan laske- malla rahallinen arvo vuotuiselle sähkön käytölle seuraavasti:

37,56 €/kk*12 kk+0,0438 €/kWh*2566 kWh+1,990 €/kk*12 kk+0,05690 €/kk=

733,0 €/a.

6 Järjestelmän suunnittelu

6.1.1 SFS 6000-7-712:2012

Soveltamisala

Standardi SFS 6000-7-712 koskee aurinkosähkögeneraattorin sähköasennuk- sia, jonka tarkoitus on toimia osittain tai koko sähköasennuksen rinnalla ja syöt- tää sähköenergia jakeluverkkoon tai paikalliseen sähköjakeluun. [16.]

Tässä osassa aurinkosähkögeneraattoria kuten mikä tahansa sähkölaitetta kä- sitellään vain siltä osin, kun kyse on sen valinnasta ja käytöstä sähköasennuk- sen osana. [16.]

Aurinkosähköjärjestelmän sähköasennus alkaa aurinkosähköpaneelista tai jou- kosta toisiinsa paneelin valmistajan toimittamilla kaapeleilla sarjaan kytkettyjä aurinkosähköpaneeleita, ja päättyy käyttäjän sähköasennuksen tai jakeluverkon liittymiskohtaan. [16.]

Tämän standardin vaatimukset koskevat:

• sähköasennusta syöttäviä aurinkosähkögeneraattoreita, joita ei ole liitetty yleiseen sähkönjakeluverkkoon

• yleisen sähkönjakeluverkon kanssa rinnan sähköasennusta syöttä- viä aurinkosähkögeneraattoreita

• aurinkosähkögeneraattoreita, jotka syöttävät sähköasennusta säh- könjakeluverkon kanssa vaihtoehtoisesti

• tarkoituksenmukaista yhdistelmää edellä mainituista.

Vaatimukset aurinkosähkögeneraattoreille, joissa on akkuja tai muita energiavarastoja ovat harkittavana. [16.]

6.1.2 SFS-EN 62446-1:2016

Soveltamisala

Standardisarjan IEC 62446 tämä osa määrittelee vaatimukset dokumentaatiolle ja informaatiolle, joka pitää antaa asiakkaalle, kun asennettu sähköverkkoon kytketty aurinkosähköjärjestelmä luovutetaan asiakkaalle. Tämä standardi mää- rittelee käyttöönottotestit ja tarkastuskriteerit sekä dokumentaation, jonka odote- taan todistavan, että asennus on turvallinen ja toimii tarkoituksenmukaisesti.

Tätä dokumenttia voidaan käyttää myös järjestelmän säännöllisin väliajoin teh- tävissä tarkastuksissa. [17.]

Standardisarjan IEC 62446 tämä osa on laadittu sähköverkkoon kytketyille au- rinkosähköjärjestelmille, jotka eivät sisällä energiavarastoja (esim. akut) tai hyb- ridijärjestelmiä. [17.]

Standardisarjan IEC 62446 tämä osa on tarkoitettu sähköverkkoon kytkettyjen aurinkosähköjärjestelmien suunnittelijoiden ja urakoitsijoiden käytettäväksi. Se tarjoaa perusteet hyvälle asiakkaalle annettavalle dokumentaatiolle. Se määrit- telee oletusarvoiset järjestelmän käyttöönottotestit ja tarkastuskriteerit. Se on tarkoitettu avustamaan sähköverkkoon kytkettyjen aurinkosähköjärjestelmien asennuksen jälkeistä tarkastusta ja aistinvaraista tarkastusta sekä käyttöönoton jälkeen tehtyjen kunnossapidon ja muutostöiden jälkeen tehtäviä tarkastuksia.

[17.]

Standardisarjan IEC 62446 tämä osa määrittelee kokoelman järjestelmätestejä erilaisten aurinkosähköjärjestelmien tarpeisiin, joita noudattamalla varmistetaan, että käytetty testimenetelmä soveltuu kyseisen järjestelmän tyypin, kokoluokan ja monimutkaisuuden tarpeisiin. [17.]

HUOM. Standardisarjan IEC 62446 tämä osa ei huomioi keskittäviä aurinkosäh- köjärjestelmiä (CPV). Kuitenkin monet kappaleet saattavat soveltua. [17.]

6.1.3 IEC 62548:2016

Soveltamisala

Tämä standardi määrittelee aurinkosähköpaneeliston suunnitteluvaatimukset.

Vaatimukset kattavat paneeliston tasasähkökaapeloinnin, sähkötekniset suoja- laitteet sekä kytkentä ja maadoitusjärjestelyt. [18.]

Tämän julkaisun soveltamisala kattaa kaikki aurinkosähköpaneeliston osat. So- veltamisalaan eivät kuulu energian varastointilaitteet, tehomuuntimet tai kuor- mat. Poikkeuksena on tehomuuntimen tasasähköosan turvallisuuteen liittyvät asiat. Aurinkosähköpaneeleihin liitettävät pienet tasasähkömuuntimet sisältyvät myös. [18.]

Tämän asiakirjan tarkoitus on esittää aurinkosähköjärjestelmän suunnittelussa huomioitavat turvallisuusvaatimukset. Verrattuna perinteisiin vaihtosähköjärjes- telmien vaaroihin, tasasähköjärjestelmissä kuten aurinkosähköpaneelistoissa esiintyy lisävaaratekijöitä. Näihin sisältyy kyky tuottaa ja kestää sähkövirrasta aiheutuvia valokaaria sähkövirtojen arvoilla, jotka eivät ole suurempia kuin nor- maalit toimintavirrat. [18.]

Tämän asiakirjan mukaisten sähköverkkoon kytkettyjen aurinkosähköjärjestel- mien turvallisuusvaatimukset ovat riippuvaisia järjestelmän vaihtosuuntaajista, joiden tulee täyttää standardien IEC 62109-1 ja IEC 62109-2 vaatimukset. [18.]

Asennusvaatimukset ovat riippuvaisia myös standardisarjan IEC 60364 vaati- muksista (ks. kappale 4). Aurinkosähköpaneelistot, joiden teho on pienempi kuin 100 W tai avoimen piirin tasajännite on pienempi kuin 35 V (STC-olosuh- teissa), eivät sisälly tämän asiakirjan soveltamisalaan. [18.]

Tämän asiakirjan soveltamisalaan ei sisälly aurinkosähköjärjestelmät, jotka on liitetty keski- tai suurjänniteverkkoon. Maatelineisiin asennettujen suurten pa- neelistojen lisävaatimukset ja muutokset sekä henkilöiden pääsyn rajoitukset esitetään julkaisussa IEC TS 62738. [18.]

Lisävaatimukset voivat olla tarpeen erikoisasennuksissa, esimerkiksi keskittävät aurinkosähköjärjestelmät, aurinkoseuraimilla varustetut järjestelmät tai raken- nuksiin integroidut aurinkosähköjärjestelmät. [18.]

Tämä standardi sisältää lisäsuojausvaatimukset aurinkosähköpaneelistoille, jotka on liitetty tasasähköosassa suoraan akkuihin. [18.]

6.2 Laitevaatimukset

Mökillä käytetään sähköä kaikkeen. Siiihen on totuttu viimeisen kahdenkymme- nen vuoden aikana, jolloin siellä on ollut sähköliittymä, Sähkökatkot ovat olleet harvinaisia, eikä tämän vuoksi off-grid-järjestelmä hyödyllinen. Tarkoituksenmu- kaista puolestaan on sähkölaskun pienentäminen sekä pienimuotoinen sähkön tuottaminen. Tämän vuoksi päädytään on-grid-järjestelmään.

6.3 On-Grid-järjestelmän mitoitus

Energian tuotannon kannalta on-grid-järjestelmässä on oleellista, että tuotettu energia käytetään itse. Kun järjestelmää lähdetään suunnittelemaan, tulee en- nen sitä selvittää kohteen olosuhteet esimerkiksi PVGIS-sovelluksella, jotta saa- daan selville auringon tuottokyky. Tämän jälkeen selvitetään järjestelmän koko esimerkiksi Finsolarin kannattavuuslaskureilla.

6.3.1 Mitoituksen muistilista

Selvitä kohteen sähkönkäyttö, tarpeet ja mahdollisuudet:

• Budjetti ja asennustilat: Mitä voidaan ylipäätänsä tehdä?

• Sähkön käyttö: Miten kohteen sähkönkäyttö jakautuu?

• Sähkökuormat: Millaisia kuormat ovat ja voiko niitä muuttaa, jotta au- rinkopaneelista saatava hyöty voidaan maksimoida?

• Muut mahdollisuudet: Onko kohteessa esimerkiksi mahdollista kaa- taa puita tai harkita vaihtoehtoisia asennuspaikkoja?

• Tulevaisuus: Onko tarpeen varautua tulevaisuuden kannalta jo suu- rempiin tehoihin tai vastaavaa?

• Lopputulos: Arvioi alustava kannattavuus ja asennusteho.

Selvitä kohteen asennusolosuhteet ja niiden vaikutus:

• Asennuspaikat: Miten paneeleita saadaan asennettua?

• Paneelien ryhmittely: Onko eri suuntauksia tai varjostuksia?

• Paneelien lämpötila: Onko lämpötilan nousu huomioitava tuotossa?

• Lopputulos: Ryhmittele paneelit tarvittaessa siten, että olosuhteet ei- vät heikennä koko järjestelmän toimintaa.

Mitoita ja arvioi kannattavuus:

• Paneelisto: Käytä tarkkaa ryhmittelyä ja olosuhteita.

• Vaihtosuuntaja(t): Paneeliston tehon ja ryhmittelyn perusteella.

• Lopputulos: Tarkasti mitoitettu ja kannattavuudeltaan optimoitu jär- jestelmä. [10.]

6.3.2 On-Grid-järjestelmän tehon mitoitus

Kannattavan mitoituksen edellytyksenä on kohteen kulutustietojen tunteminen tai arvioiminen. Olemassa olevista kohteista nämä ovat saatavilla sähköverkko- yhtiöiltä vähintään kuukausittaisina arvoina. [10.]

Järjestelmän maksimikokoon vaikuttaa kohteen sähköliittymän pääsulakkeen koko. Maksimissaan aurinkosähköjärjestelmän nimellisvirta voi olla yhtä suuri kuin sähkökeskuksen etusulakkeen nimellisarvo. Käytännössä tätä tilannetta ei synny normaaleissa kiinteistöissä. [10.]

Aurinkosähköjärjestelmän mitoitusperusteina voivat olla

• pohjakulutus

• keskimääräinen kuukausikulutus

• nettonollaenergiamitoitus (keskimääräinen kulutus vuoden aikana) tai energiaomavaraisuus sähkön osalta

• käytettävissä olevat asennuspaikat ja niiden pinta-alat

• järjestelmään käytettävä rahamäärä. [10.]

Kuva 9. Mökin kulutus ja eri energialähteiden tuotot kuukausittain PVGIS-lasku- rilla laskettuna.

6.4 Komponentit

Valitaan 1 kWp:n mukaan komponenteiksi 290W PERC MONIKIDE -aurinkopa- neeleita aluksi kolme kappaletta. Näiden yhteenlasketuksi pinta-alaksi saadaan 4,95 m² ja tehoksi 870 W sekä kolme kappaletta EVT 560S -mikroinverttereitä.

Kolme kappaletta siksi, koska kohteessa on kolmivaihejärjestelmä, os kokemus osoittaa, että tuotto jää liian pieneksi, voidaan mikroinverttereihin pienellä vai- valla liittää toiset paneelit, jolloin tuotto saadaan tuplattua tulevaisuudessa.

Kuva 10. Envertech EVT560S -microinvertteri. (Aurinkosahko.net WWW-sivut 2021)

Kuva 11. 290 W PERC -monikidepaneeli 165*99 cm. (Aurinkosahko.net WWW- sivut 2021)

Lisäksi hankitaan ENVERBRIDGE-monitori, jolla voidaan seurata järjestelmän toimintaa erillisen portaalin kautta.

Tarvitaan myös kaapelointi katolta keskukselle. Tämä voidaan toteuttaa esimer- kiksi KUPARIVOIMAKAAPELI REKA MCMK 4x2,5+2,5 K1000 Eca-johtimella, jolle asennetaan turvakytkin ja 10 A:n sulakkeet.

Verkkoon kytkentää ja mahdollista ylijäämäsähkön myyntiä varten tulee olla yh- teydessä jakeluverkon haltijaan ja sähkölaitokseen. Heille pitää toimittaa tiedot käytettävistä laitteista, ja he joko hyväksyvät tai kertovat, mitä tarvitsee muuttaa.

Kun laitteisto on heidän mielestään toimiva, niin heiltä tulee ohjeet verkkoon kyt- kemistä varten. Verkkoon kytkeminen edellyttää niin sanotun ”saarekekäytön”

asentamista. Näin varmistetaan, että jos verkosta katkeaa virta, niin aurinkosäh- köjärjestelmä lakkaa myös antamasta virtaa verkkoon. Näin ollen korjaajilla on turvallista mennä työskentelemään.

Kuvassa 6 on esitelty valitun järjestelmän komponentit ja kytkentäperiaate.

Kuva 12. Envertech 3 -vaihekytkentä. (Aurinkosahko.net WWW-sivut 2021)

7 Sähkön tuotanto ja kannattavuus

Takaisinmaksuajan laskemiseksi Finsolarin laskurilla kaytettiin järjestelmän hin- tana 1700 €/kWp. Laskelma tehtiin käyttäen lainarahoitusta korolla 2 % ja takai- sinmaksuajat olivat 1 kWp:lle 8 vuotta, 2kWp:lle 12 vuotta ja 3 kWp:lle 15 vuotta. Omakäyttöosuus on arvioitu.

Taulukko 1. Mökin kulutus ja energian tuotot eri lähteistä.

Sähköä pystytään kesän alhaisen kulutuksen aikana tuottamaan yli oman tar- peen. Suomessa on lukuisia sähköyhtiöitä, jotka voivat ostaa ylijäämäsähkön.

Tämänkin kohteen sähköyhtiö ilmoittaa verkkosivuillaan olevansa valmis teke- mään ostosopimuksia pientuottajien kanssa.

Lumme Energia Oy ostaa asiakkaan tuotantokäyttöpaikassa paikalliseen jakelu- verkkoon syöttämän sähköenergian. Tuotantolaitteiston nimellisteho voi olla enintään 100 kVA. Asiakkaan tulee ilmoittaa Lumme Energia Oy:lle tuotantolait- teiston muutoksista. [19.]

7.1 Sähkön tuotanto omaan käyttöön verotuksessa

Kun sähköä tuotetaan ainoastaan omaan käyttöön, ei se verrattavissa ve- ronalaiseen etuun, vaan se on verovapaata kulutusmenojen kompensointia.

7.2 Veronalainen sähkön myynti

Kotitalouden sähköntuotantolaitteisto saattaa satunnaisesti tuottaa sähköä enemmän kuin kotitalous tarvitsee. Sähköyhtiö voi tällöin ostaa verovelvolliselta

tämän laitteiston tuottaman ylijäämäsähkön. Ylijäämäsähkö siirtyy jakeluverkon- haltijan sähköverkkoon ja jakeluverkonhaltija mittaa verkkoon siirtyneen sähkön määrän tunneittain. Jakeluverkonhaltija toimittaa mittaustiedot sähköyhtiölle, joka maksaa verovelvolliselle korvauksen tai hyvittää tätä ostetusta sähköstä.

[20.] Alla on esimerkki kuvassa 7.

Kuva 13. Sähköntuotanto omaan käyttöön. (VERO.FI WWW-sivut)

Tuloverolain 29 §:n 1 momentin mukaan veronalaista tuloa ovat laissa sääde- tyin rajoituksin verovelvollisen rahana tai rahanarvoisena etuutena saamat tulot.

Kotitalouden tuottaman sähkön myynnistä saatua tuloa ei ole erikseen säädetty verovapaaksi, joten kyseessä on veronalainen tulo. Sähkön myynnistä saatu korvaus on veronalaista tuloa riippumatta siitä, maksetaanko korvaus verovel- volliselle rahana vai hyvitetäänkö sillä hänen sähkölaskuaan. [20.] Esimerkki on kuvassa 8.

Kuva 14 Veronalainen sähköntuotanto. (VERO.FI WWW-sivut)

Voimalaitos, joka syöttää sähköä sähköverkkoon siirrettäväksi, on pääsääntöi- sesti varustettava mittauslaitteistolla. Sähkön mikrotuotantolaitteistot (enintään 3 x 63 ampeerin pääsulakkeilla varustetut käyttöpaikat) on kuitenkin vapautettu tuotannon mittauksesta, ja näissä kohteissa riittää verkosta otetun ja verkkoon syötetyn energian mittaus. Verkosta ottoa ja syöttöä ei saa summata, vaan mit- tauslaitteessa tulee olla näille erilliset rekisterit. Verkosta oton ja verkkoon syö- tön mittaamisesta vastaa aina verkonhaltija. Mittari on verkonhaltijan omistuk- sessa, verkonhaltija huolehtii sen luennasta. [20.]

7.3 Pientuotannon määritelmä

Mikrolaitteistoilla käsitetään yleisesti alle 50 kVA:n laitteistoja. Pientuotantolait- teistojen määritelmä jakautuu 100 kVA:ssa. Järjestelmät, jotka jäävät alle tuon rajan, ovat yleensä omakotitalojen tai pienien liiketilojen laitteistoja. 100 kVa- 2MVA:n laitteistot ovat yleensä pieniä voimaloita tai suuria tuotantolaitoksia.

Elenia ilmoittaa verkkosivuillaan, että yli 6,9 kVA:n laitteiston liittämisen yhteen- sopivuus tulee varmistaa heiltä. Eri yhtiöillä on tietysti eri käytännöt, joten kan- nattaa varmistaa asia omalta sähköyhtiöltä ennen laitteiston hankintaa.

8 Yhteenveto

Aurinkosähkö on hyvä energiamuoto. Laitteistot eivät ole kovin kalliita ostohin- naltaan ja hinta-laatusuhde on varsin hyvä. Saatavuus on myös erinomainen.

Lähes kaikilla sähköyhtiöillä on saatavana aurinkosähköjärjestelmiä. Lisäksi on paljon yrityksiä, jotka myyvät niitä. Tämä aikaansaa kilpailua, mikä osaltaan las- kee hintoja, mikä puolestaan on hyvä asia kuluttajan kannalta. Myös tekniikka on kehittynyt melkoisesti viimeisen kymmenen vuoden aikana. Laitteistojen hyö- tysuhteet ovat parantuneet, hinnat ovat tulleet alaspäin.

Tässä työssä oli esimerkkikohteena erään tuttavapariskunnan omistama kesä- mökki, johon suunnittelin joko off-grid- tai on-grid-aurinkosähköjärjestelmän li- säystä. Aloitin suunnittelun kulutustietojen hankkimisella, se on nykypäivänä helppoa, koska sähköyhtiöillä on asiakkailleen tilit heidän järjestelmissään, joissa voi seurata sähkönkulutusta hyvinkin tarkasti.

Kohteessa on valmiina kolmivaihesähköliittymä, minkä takia hylkäsin off-grid- järjestelmän. Off-grid-järjestelmä on mahdollinen myös kiinteän sähköliittymän rinnalla, mutta tässä tapauksessa siinä ei ollut mitään lisäarvoa antavaa näkö- kulmaa.

On-grid-järjestelmä puolestaan sopisi kohteeseen hyvin. Se on kustannuksil- taan edullinen, koska se ei tarvitse kallista akustoa. Asennus on myös helppoa, koska aurinkosähköjärjestelmät noudattavat standardeja, jonka ansiosta johti- met liitetään toisiinsa MC-4-liittimillä. Tosin sitten, ku siirrytään 230 V-järjestel- mään, niin siitä eteenpäin asennus on normaalia sähköasennusta.

Mitoituksen aloitin PVGIS-laskurilla, jolla saa selville kohteen vuotuisen säteily- voimakkuuden. Tässä kohteessa se on 955,11 kWh/m², josta laskuri vähentää järjestelmässä kuluvan energian. Tässä tapauksessa oletusarvona oli 14 % ja tulokseksi tuli 794,06 kWh. Tämä arvo on laskettu 1 kWp:n paneeliteholla. Seu- raavaksi tätä saatua arvoa käytetään Finsolarin sivuilta saatavilla laskureilla.

Finsolarin laskuri laskee muun muassa paneelien pinta-alan, sekä järjestelmän takaisinmaksuajan. Vertasin laskurilla 1–3 kWp:n järjestelmiä sekä alle 1 kWp:n järjestelmiä. Laskurin mukaan optimaalisin järjestelmän koko olisi 0,7 kWp tä- hän kohteeseen. Uskon, että lukema on oikea. Sama laskuri ilmoitti myös, että kyseiseen kohteeseen ei välttämättä ole järkevää sijoittaa aurinkosähköjärjes- telmään. Tästä olen itsekin samaa mieltä, koska sähkön kulutus on varsin vä- häistä. Tosin jos haluaa esimerkiksi ympäristötekona tai harrastusmielessä hankkia aurinkosähköjärjestelmän, niin 0,7 kWp:n järjestelmän saa noin 1000

€:lla.

Lähteet

1 Merinova.fi. 2021. Aurinkodemo. Verkkoaineisto. <https://www.meri- nova.fi/wp-content/uploads/2016/09/aurinkodemo_loppuraportti.pdf>. Lu- ettu 17.4.2021.

2 Wikipedia. 2021. Aurinkoenergia. Verkkoaineisto. <https://fi.wikipe- dia.org/wiki/Aurinkoenergia>. Luettu 15.3.2021.

3 Salo Solar. 2021. Aurinkosähköjärjestelmä. Verkkoaineisto.

<http://www.arevasolar.fi/fi/aurinkosahkojarjestelma>. Luettu 15.3.2021.

4 Wikipedia. 2021. Aurinkokenno. Verkkoaineisto. < https://fi.wikipe- dia.org/wiki/Aurinkokenno>. Luettu 24.3.2021.

5 Motiva. 2020. Aurinkosähköteknologiat. Verkkoaineisto. <https://www.mo- tiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkosahko/aurinkosahkojarjestel- mat/aurinkosahkoteknologiat>. Luettu 16.3.20211.

6 DS New energy. 2021. Verkkoaineisto. <http://www.dsisolar.com/solar-pa- nel/cigs-solar-module-panel/140w-flexible-cigs-solar-module.html>. Luettu 3.4.2021.

7 SEMANTIC SCHOLAR. 2021. Verkkoaineisto. < https://www.seman- ticscholar.org/paper/Introduction-to-Natural-Dye-Sensitized-Solar-Cells- Bagher/01c328b5d4eba852d444c01aab15f51f1fcb21ed>. Luettu 5.4.2021.

8 electro Tori. 2020. Aurinkosähkö. Mikroinvertterit. Verkkoaineisto.

<https://www.electrotori.net/category/53/mikroinvertterit>. Luettu 16.3.2021.

9 Motiva. 2020. Verkkoon kytkemätön aurinkosähköjärjestelmä. Verkkoai- neisto. <https://www.motiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurin-

kosahko/jarjestelman_valinta/tarvittava_laitteisto/verkkoon_kytkema- ton_aurinkosahkojarjestelma>. Luettu 17.3.2021.

10 ST-Käsikirja 40. Aurinkosähköjärjestelmien suunnittelu ja toteutus. 2017.

Sähköinfo Oy. Luettu 17.3.2021.

11 AURINKOSÄHKÖ.NET. 2021. Yleistä aurinkosähköstä. <https://www.au- rinkosahko.net/page/7/aurinkosahkojarjestelma-12v>. Luettu 17.3.2021.

12 AURINKOVIRTA.FI. 2021. Aurinkovoimala. <https://www.aurinko- virta.fi/aurinkosahko/aurinkovoimala/>. Luettu 17.3.2021.

13 Motiva. 2020. Aurinkosähköteknologiat. Verkkoaineisto. < https://www.mo- tiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/aurinkosahko/aurinkosahkojarjestel- mat/aurinkosahkoteknologiat>. Luettu 24.3.2021.

14 Lumme Energia. 2021. Aurinkosähkö. Verkkoaineisto. <

https://cdn2.hubspot.net/hubfs/4047198/ladattavat-materiaalit/Aurin- kosahko/lumme-energia-pientuotanto_01112017.pdf>. Luettu 24.3.2021 15 Motiva. 2020. Uusiutuva energia. Verkkoaineisto. < https://www.mo-

tiva.fi/ratkaisut/uusiutuva_energia/sahkon_pientuotanto/kulut-

taja_alle_50_kva/pientuottajaa_koskeva_lainsaadanto_ja_velvollisuudet>.

Luettu 24.3.2021.

16 SFS 6000-7-712. Pienjännitesähköasennukset. 2012. Erikoistilojen ja - asennusten vaatimukset. Valosähköiset tehonsyöttöjärjestelmät. Helsinki:

Suomen Standardisoimisliitto.

17 SFS-EN 62446-1. Aurinkosähköjärjestelmät. Vaatimukset dokumentaati- olle, kunnossapidolle ja testaamiselle. 2016 Osa1: Sähköverkkoon kytketyt järjestelmät. Dokumentaatio, käyttöönottotestit ja tarkastus. Helsinki: Suo- men Standardisoimisliitto.

18 IEC 62548 Photovoltaic (PV) arrays – Design requirements. 2016. Ge- neve: International Electrotechnical Commission.

19 VERO.FI. 2021. Kotitalouden sähköntuotannon tuloverotus. Verkkoai- neisto. < https://www.vero.fi/syventavat-vero-ohjeet/ohje-haku-

sivu/48484/kotitalouden_sahkontuotannon_tuloverotu/>. Luettu 25.3.2021.

20 Wikipedia. 2021. Aurinkoenergia. Verkkoaineisto. <https://fi.wikipe- dia.org/wiki/Aurinkoenergia>. Luettu 15.3.2021.

.

PVGIS-laskuri

Kuva 1. Kohteen sijainti ja lasketaan käytetyt arvot.

Kuva 2. Kohteesta saadut tulokset.

Finsolar-laskuri

Kuva 1. Finsolar-laskuri.

Kuva 2. Finsolar-laskuri.