SolarSynergia Helsinki

puh 040 547 4084

©2016 by synergia. Proudly created with Wix.com

Miten mitoitan off-grid järjestelmän

October 19, 2016

 

Järjestelmän toimivuuden kannalta on tärkeää mitoittaa se oikein käyttötarpeita silmällä pitäen. Mitoituksessa tulee myös huomioida mahdolliset laajentamistarpeet. Mitoitus kannattaa tehdä mielummin hieman yläkanttiin kuin alakanttiin. Aluksi kannattaa miettiä mitä käyttötarkoitusta varten järjestelmä asennetaan - halutaanko kohde sähköistää täysin vastaamaan nykyajan vaatimuksia vai halutaanko kohteen käyttömukavuutta lisätä vain hieman esim. valaistuksella. Valaistuksen sekä pienikulutuksisten sähkölaitteiden käyttö ei vaadi suurta investointia, kun taasen koko kohteen sähköistäminen kohteen koosta riippuen vaatii jo enemmän. Alla olevata linkistä pääset katsomaan listan eri laitteiden sähkönkulutukseta, jolla voit karkeasti arvioida sähkön kulutuksen omassa kohteessasi. Lista on suuntaa antava.

Laskemalla yhteen käyttötarkoitustasi vastaavien laitteiden kulutuksen kWh/vuorokausi, saat vaadittavan vuorokausikohtaisen kulutuksen, jota käytetään mitoituksen perusteena. Jos yhteenlaskettu kulutus on esim. 2kWh vuorokaudessa, niin aurinkopaneelit tulee valita siten, että kyseinen 2kWh energiatarve saadaan tyydytettyä. Jos esim yhden paneelin teho on 100W, tarkoittaa se, että paneelista saadaan 0.1kWh energia yhden tunnin aikana, mikäli aurinko paistaa paneeliin kohtisuoraan pilvettömältä taivaalta olettaen, että auringon säteily vastaa 1000W/m2 tehoa. Paneelien tehot ilmoitetaan kuitenkin yleensä ns. STC tehona, joka tarkoittaa, että kyseinen teho on saavutettu testiympäristössä em säteilyteholla. Todellisuutta vastaava teho ilmoitetaan NOCT arvona, joka on yleensä huomattavasti pienempi kuin STC arvo, koska NOCT arvot on mitattu 800w/m2 säteilyteholla.  Helsingin leveysasteilla auringosta saatava teho on esim. heinäkuussa n. 900W/m2, joten paneelilta saatava teho sijoittuu STC ja NOCT arvojen väliin. Sijainti ja olosuhteet tulee ottaa huomioon lopullisessa laskennassa, mutta karkean arvion saat helposti käytättämällä arvoa 1000W/m . Kyseisessä tapauksessa energiatarve saadaan tyydytettyä esim. yhdellä 200W paneelilla (NOCT-arvo), mikäli aurinko paistaa paneeliin 10h vuorokauden aikana. Näin ei kuitenkaan käytännössä ole, vaan käyttökohteesta riippuen, varjostumat ja pilvinen sää alentavat paneelista saatavaa sähkötuottoa. Tästä johtuen on tarpeellista mitoittaa paneleiden lukumäärä/teho siten, että sähköä  riittää myös muissa kuin ideaalisissa olosuhteissa. Akkukapasiteetti on hyvä mitoittaa vastaavasti.

 

Mökkikäyttöön tarkoitetun järjestelmän mitoituksessa on tärkeää ymmärtää ja huomioida suuritehoisten laitteiden merkitys mitoituksen kannalta. Normaalioloisuhteissa kiinteään sähköverkkoon kytketyssä kiinteistössä esim. kahvinkeittimen, vedenkeittimen, pölynimurin,  mikroaaltouunin tai vaikkapa tehokkaan oikosulkumoottorin käyttäminen on normaalia, mutta aurinkosähköllä tuotetussa kohteessa ko laitteiden käyttö voi muodostua ongelmaksi. Toisin sanoen, mieti voitko keittää kahvin tai veden esim. kaasuliedellä sähkön sijaan, lakaista pölyimuroinnin sijaan ja käyttää aggregaattia veden pumppaamiseen. Jos välttämättä haluat käyttää ko laitteita aurinkosähköllä, niin se on mahdollista, mutta ko järjestelmä maksaa silloin suhteessa myös enemmän.

 

Alla on esitetty kolme eri teholtaan erisuuruisen aurinkosähkövoimalan käyttömahdollisuudet. Laskelmissa on huomioitu varakapasiteetilla mahdolliset pilviset päivät, siten että järjestelmä toimii normaalisti, mikäli välissä on yksi pilvinen päivä, jolloin auringosta ei saada latausenergiaa.

 

 

Taulukko 1. 250Wp järjestelmän tehomitoitus

 

Kuten ylläolevasta taulokosta voidaan huomata, riittää 250Wp:n järjestelmä ainoastaan valaistukseen ja mobiililaitteiden lataukseen. Järjestelmän toimivuuden kannalta kulutuksen ja järjestelmän tuoton (merkitty punaisella samassa sarakkeessa) tulisi vastata mahdollisimman hyvin toisiaan. Kyseinen järjestelmä tulisi varustaan minimissään 92Ah akulla. Käytännössä 100Ah tai isommalla.

 

Taulukko 2. 500Wp järjestelmän tehomitoitus

 

500Wp järjestelmää voidaan käyttää valaistuksen ja mobiililaitteiden lisäksi myös television katsomiseen tai PC:n käyttöön sekä muiden yhteensä max. 250W laitteiden käyttöön, mikäli laitteita käytetään maksimissaan taulukossa esitetyn ajan puitteissa. Järjestelmä olisi hyvä varustaa kahdella 200Ah akulla.

 

 

Taulukko 4. 1000Wp järjestelmän tehomitoitus

 

1000Wp järjestelmä on hyvä toteuttaa 24V järjestelmänä, jotta vältyttäisiin suurilta jännitehäviöiltä ja jolloin johdotus voidaan toteuttaa poikkipinta-alaltaan pienemmillä kaapaleilla kuin vastaava 12V järjestelmä. 24V järjestelmä on perusteltua varsinkin silloin, kun järjestelmässä on suurempi tehoinen (1000W tai yli)  invertteri kytkettynä. Tämä siitä syystä, että jo 1200W kuorma ottaa 12V akulta 100A virran, joka voi olla akkujen kannalta tuhoisaa. Järjestelmä olisi hyvä varustaa neljällä 12V 200Ah akulla riittävän kapasiteetin varmistamiseksi. Kaksi sarjaan ja nämä rinnan kytkettynä.

 

Käsityksen auringon tuottamasta energiasta saa tarkastelemalle alla olevia graafeja. Alla on esitetty auringon sijainti korkeus- ja leveyssunnassa asteina Helsingissä ja Kuopiossa kesä ja joulukuussa.

 

 Kuva 1. Auringon sijainti Helsingistä katsottuna, PVGIS (c) European Communities, 2001-2013

Kuva 2. Auringon sijainti Kuopiosta katsottuna, PVGIS (c) European Communities, 2001-2013

 

Kuten yllä olevista kuvista nähdään on auringon tuottama valo/energia riippuvainen sijainnista sekä ajankohdasta. Esim Kuopiossa joulukuussa aurinko on horisontin yläpuolella ainoastaan hetken ajan, kun se kesäkuussa on horisontin yläpuolella lähes koko vuorokauden. Alla on esitetty lukuina 1kW paneelin tuottama keskimääräinen energia päivä, kuukausi sekä vuosikohtaisesti Jyväskylän leveysasteella. Luvussa Ed(päivä), Em(kuukausi) ja Ed(vuosi) on huomioitu 22% järjestelmähäviöt - paneeleiden lasipinnasta heijastuvasta valosta, kaapeleista, säätimen hyötysuhteesta, akuston lataushäviöista sekä lämpötilasta (paneelin hyötysuhteeseen vaikuttava tekija) johtuvat häviöt.

 

 

 

Taulukko 4. Päivä, kuukausi ja vuosikohtainen aurinkonenergian keskimääräinen tuotto Jyväskylässä, PVGIS (c) European Communities, 2001-2013

 

Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, niin Jyväskylän korkeudella voidaan kesäkuussa saada keskimäärin 3,88kWh energiaa päivässä 1kW järjestelmällä. Maksimaalisen hyödyn saamiseksi on aurinkopaneelit suunnattava sekä horisontaalisesti että vertikaalisesti oikeaan asentoon aurinkoon nähden.

 

Paneelien lisäksi on akusto mitoitettava sopivaksi kyseistä käyttötarkoitusta varten. ´Kuten kohdassa "Millaisen akun valitsen" on todettu, että akku tai akut on valittava siten, että niiden varausta ei pureta kuin max 40% käytön aikana. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että kyseinen 2kWh järjestelmä tulisi varustaa 5kWh akustolla, jolloin akun/akkujen ikä saadaan maksimoitua. Tämän lisäksi on vielä varattava reserviä tulevaisuuden tarpeita varten. Toisin sanoen akuston kapasiteetin tulisi olla reilusti yli 5kWh. Pitää myös muistaa, että aurinko ei paista välttämättä joka päivä pilvettömältä taivaalta, joten mitoituksessa on huomioitava kapasiteetti myös pilvisiä päiviä varten. Lisäksi on myös huomioitava, että akusto saadaan ladattua täyteen aurinkoisina päivinä, joten ylimääräinen paneelikapasiteetti ei ole pahasta.

 

Kun aurinkopaneelit ja akusto on mitoitettu, voidaan lataussäädin mitoittaa (charge controller) ja valita käyttökohteeseen sopivaksi. Riippuen siitä kytketäänkö aurinkopaneelit sähköisesti sarjaan vai rinnan, on valittava säädin, joka soveltuu kyseiseen käyttötarkoitukseen. Riippuen säädintyypistä (PWM, MPPT) on tyypillisesti säätimien sisääntulo on kymmenien volttien luokkaa. Arvo on hyvä tarkistaa kuitenkin ennen säätimen hankintaa.  Säätimien ulosulon mitoitus on riippuvainen akuston tyypistä, kapasiteetista ja sähköisestä kytkennästä. Tyypillisesti yksiakkuisessa järjestelmässä akun jännite on 12VDC. Jos akkuja on kaksi tai enemmän, niin silloin kysymykseen voi tulla joko sarjaan- tai rinnankytkentä tai rinnan- ja sarjaankytkennän yhdistelmä. Mikäli akut on kytketty rinnan, niin silloin säätimen antama latausvirran tulee olla minimissään jokaisen akun vaatima latausvirta yhteenlaskettuna. Alla erään tunnetun akkuvalmistajan esimerkkikuvia erityyppisistä akkukukytkennöistä.

 

Kuva 3. Esimerkkejä akustoista

 

Akun ottama latausvirta vaihtelee akun latauksesta ja säätimen latausjännitteestä riippuen. Mitä tyhjempi akku, sitä suuremman virran se luonnostaan ottaa. Mitä korkeampi latausjännite, sitä suurempi on myös latausvirta. Jotkut säätimet rajoittavat latausvirtaa ja säätävät latausjännitettä tietyn algoritmin mukaan. Tärkeää on, että säädin on mitoitettu suurimman virran mukaan, jonka akusto vaatii latautuakseen kunnolla ja vaaditussa ajassa. Akkujen teknisissä spesifikaatioissa on ilmoitettu yleensä maximi latausjännite ja -virta, jolla akkua saa ladata. Nyrkkisääntö on, että paneeleilta saatava maksimivirta l. max latausvirta on paneelien teho jaetuna akun jännitteellä. Tämä tulisi huomioida säädintä valittaessa.  Alla erään akkuvalmistajan spesifikaatio akulle sen ottamasta virrasta jännitteen funktiona eri latausvaiheessa.

 

Kuva 4. Erään akun suositeltu latusjännite eri latausvaiheissa.

 

Yllä olevassa kuvassa C20 arvolla tarkoitetaan kapasiteettia, jolla akku purkautuu 20 tunnissa. 20h arvo on tyypillinen arvo, jolla akun kapasiteetti ilmoitetaan. Alla samaisen akun kapasiteetti ilmoitettuna eri C arvoilla. Kyseisen akun kapasiteetti C20 arvolla on 357Ah ja sitä vastaava virta on 17.85A. Näin ollen ylemmän ja alemman kuvan perusteella saadaan kyseiselle akulle max. latausvirraksi 0.25*357 = 90A. Latausvirta voi olla pienempi, mutta silloin akku latautuu vastaavasti hitaammin. 90A vastaava latausjännite on  2.45V*6 = 14.7V, missä 6 on kennojen lukumäärä.

 

 

 

Taulukko 5. Akun kapasiteetti purkausvirran funktiona

 

 

Esimerkkitapauksen mitoituksessa paneelit mitoitettiin siten, että 10h aikana 200W paneeli tuottaisi 2kWh energiaa. On hyvä huomata, että kyseinen energia pitäisi saada varastoitua akustoon myös samassa ajassa, ellei sitä käytetä muuhun esim. kylmälaitteisiin vaaditun 10h aikana. Näin voi olla esim kesäisin, kun energian kulutus kohdistuu pääasiassa ilta-aikaan. Tilanne tulee huomioida laturia ja akustoa suunniteltaessa. Esimerkkitapauksessa 2kWh energia saadaan varastoitua 12V akustoon esim 10A virralla teoriassa n. 14 tunnissa (2000Wh/(14.7V*10A)), jos latausvirta on vakio, eikä häviöitä huomioida.  Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kyseinen järjestelmä ei ehdi ideaalitilanteessa lataantua vaadittuun 2kWh käyttöön. Käytön aikana akku purkaantuu enemmän kuin 40% eikä lataudu käytön aikana täyteen varaukseen, ts. mitoitus ei ole järkevä akun käyttöiän eikä käyttötarpeita silmällä pitäen. Ratkaisuksi ongelmaan tulisi lisätä aurinkopaneelien määrää siten, että latausvirtaa saataisiin nostettua esim. 20 ampeeriin. Suositeltavaa olisi, että lyijyakkua ladataan bulk-vaiheessa virralla, joka on 10-30% akun C20 arvosta..

 

Pitää muistaa, että vakiojännitteellä ladattaessa, latausvirta on sitä pienempi mitä täydempi akku on, kts kuva 5 alla.

 

Kuva 5. Erään 90Ah lyijyakun latausvirta ja kapasiteetti latausjännitteen ja ajan funktiona

 

Kuten yllä olevasta kuvasta nähdään, niin latausvirta pienenee ajan suhteen ja akun täyteen varaamiseen menee suhteellisesti enemmän aikaan (n. 10h) kuin sen varaamiseen 60 prosenttiin (n. 3h). Ja kun akun kapasiteetista käytetään alueetta 60-100%, niin silloin lataukseen menee huomattavasti pidempi aika (7h) kuin mitä teoriassa vakiovirralla menisi. Tämä täytyy huomioida akkua ja järjestelmää mitoitettaessa.

 

Koska akuston mitoitus tehtiin kapasiteetiltään alakanttiin, niin silloin esimerkkiakuston ikä lyhenee latauskertoina alla olevan graafin mukaan 3700:sta(40%) 3200:aan(50%).

 

 

 

Kuva 6. Akun elinikä latauskertoina kapasiteetin käyttöasteen funktiona

 

On hyvä huomioida mitoituksessa myös tulevaisuuden tarpeet. Nykyaikaiset säätimet tunnistavat akuston jännitteen (12/24/48VDC) automaattisesti ja ottavat sen huomioon akustoa ladattaessa. 

 

Edellä olevat laskelmat ovat teoreettisia ja suuntaa antavia. Laskelmissa ei ole huomioitu esim. järjestelmän eri häviöitä.

 

Kyseisessä tarkastelussa käytettiin mitoituksessa ns. Flooded Lead Acid -tyyppisiä syväpurkasakkuja. Hyvää lopputulokseen olisi päästy myös käyttämällä Sealed Lead Acid  -tyyppistä AGM akkua. AGM akkujen cycle-arvot ovat tosin huomattavasti pienempiä kuin kuvassa 4 esitetyn akun, niiden ollessa n 700 - 1500 luokkaa.

 

Monesti halvat aurinkosähkön aloituspaketit sisältävät halvimman mahdollisen akun, joka ei välttämättä sovellu käyttötarkoitukseensa. Tietämättä akusta ja sen teknisistä ominaisuuksia sen enempää, olisi järkevää jättää hankinta tekemättä, koska edessä on todennäköisesti uuden, käyttötarkoitukseen paremmin ja myös kalliimman akun hankkiminen.

Please reload

Recent Posts

January 20, 2018

Please reload

Archive

Please reload

Tags

Please reload