Aurinkosähköinvertterin mitoituksen teknistaloudellinen optimointi Etelä-Savon aurinkosäteilyolosuhteissa
Sallinen, Timo (2017)
Diplomityö
Sallinen, Timo
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201704186173
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201704186173
Tiivistelmä
Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosina maailmalla ja myös Suomessa. Järjestelmä sisältää itse aurinkopaneelit, niiden kiinnikkeet, johdotukset ja invertterin eli vaihtosuuntaajan. Invertterin tehtävänä on kuormittaa paneeleita optimaalisella virralla ja tämän jälkeen vaihtosuunnata paneeleilta tuleva tasasähkö verkkoon sopivaksi vaihtosähköksi.
Paneelit tuottavat harvoin nimellistä tehoaan, tai jos tuottavat niin ne tuottavat sen hyvin lyhyen aikaa. Tämä johtuu muun muassa paneelien lämpenemisestä. Tässä diplomityössä käydään läpi asiat, jotka vaikuttavat paneelien DC-tehoon ja optimaaliseen invertterin ja paneeliston väliseen tehosuhteeseen.
Tutkimuksessa käytettiin apuna Lappeenrannan teknillisen yliopiston aurinkopaneeleita, joille suoritettiin lämpötilamittauksia. Lisäksi tutkittiin paneelien tuottamaa hetkellistä tehoa. Mittauksista huomattiin, että säteilytehon ollessa huipussaan saattaa paneelien lämpötila olla jopa 25 ‒ 30 astetta ympäristön lämpötilaa korkeampi. Tästä voidaan päätellä, että paneelit ovat jopa 50 ‒ 55 asteen lämpötilassa kesällä. Tämä laskee paneelien tehoa jo 10 % nimellisestä. Tehoa tutkimalla huomattiin, että vaikka invertterin nimellisteho olisi vain 60 % paneelien nimellistehosta, menetettäisiin vuodessa energiantuotannosta vain 6 %.
Pienissä kotitalouskokoluokan järjestelmissä invertterin osuus kustannuksista on huomattava, jopa 20 %. Tutkimuksesta saaduista tuloksista huomattiin, että pienemmissä järjestelmissä kannattaa paneeleita sijoittaa jopa kaksinkertainen määrä invertterin nimellistehoon nähden. Mikäli paneeleita halutaan sijoittaa rakennuksen julkisivuille, on mahdollista hankkia invertteri, missä on 3 Maximum Power Point Tracker sisäänmenoa ja hoitaa kaikkien julkisivujen paneelit yhdellä invertterillä. Tällöin tehosuhde on jopa 3. Tämä johtuu invertterin ja muiden kiinteiden kulujen suuresta osuudesta investoinnissa ja maksimaalisten DC-tehojen puuttumisesta, sillä paneelit ovat eri ilmansuuntiin. Paneeliston ylimitoittamisella saavutetaan hyötyä myös siten, että paneelit sijoitetaan suoraan etelään. Tällöin 1,6 tehosuhteella saavutetaan 0,3 snt/kWh säästö tuotetun sähkön hinnassa verrattuna 1:1 mitoitukseen. Solar power systems has became more common around the world and also in Finland. System includes solar panels, panel mountings, cables and solar inverter. Inverter has two important tasks; it loads panels at optimum current and changes DC-current to AC-current which is suitable for grid.
Panels won`t produce their nominal power very often, or if produce it won`t last long time. That is because most of warming of panels because of solar irradiation. In this master`s thesis is studied case`s that has impact to panels DC-power and optimum panel – inverter power ratio.
During the study has been made temperature measurements for solar panels at Lappeenranta University of Technology also short term power of panels is studied. From the measurements is possible to see, that temperature of panels can be 25 to 30 degrees over the temperature of air surrounding the panels. Because of that tempereature of panels can be 50 to 55 degrees and because of that power of panels decrease 10 %. From power data it is possible to see, that if inverter power is 60 % compared to panel power, only 6 % amount on yearly produced energy is lost. That is because of lack of maximum solar radiation at most of time.
Small home size systems price of inverter can be over 20 %. Result from the study shows that under 10 kW inverter systems panel power can be two times larger than inverter power. If panels is installed at facade of building it is recommend to invest inverter that has 3 independ MPPT`s, and connect all panels to same inverter. Power ratio between panel and inverter power of system like that can be high as 3. That`s because panels are facing in different directions so maximum power of different panels won`t influence at same time. Also oversizing panels compared to inverter lower costs of solar electricity even though all panels are facing to south, system like that power ratio 1,6 is cheapest to producing electricity. Vversizing lower costs at 0,3 cnt/kWh compared to power ratio 1.
Paneelit tuottavat harvoin nimellistä tehoaan, tai jos tuottavat niin ne tuottavat sen hyvin lyhyen aikaa. Tämä johtuu muun muassa paneelien lämpenemisestä. Tässä diplomityössä käydään läpi asiat, jotka vaikuttavat paneelien DC-tehoon ja optimaaliseen invertterin ja paneeliston väliseen tehosuhteeseen.
Tutkimuksessa käytettiin apuna Lappeenrannan teknillisen yliopiston aurinkopaneeleita, joille suoritettiin lämpötilamittauksia. Lisäksi tutkittiin paneelien tuottamaa hetkellistä tehoa. Mittauksista huomattiin, että säteilytehon ollessa huipussaan saattaa paneelien lämpötila olla jopa 25 ‒ 30 astetta ympäristön lämpötilaa korkeampi. Tästä voidaan päätellä, että paneelit ovat jopa 50 ‒ 55 asteen lämpötilassa kesällä. Tämä laskee paneelien tehoa jo 10 % nimellisestä. Tehoa tutkimalla huomattiin, että vaikka invertterin nimellisteho olisi vain 60 % paneelien nimellistehosta, menetettäisiin vuodessa energiantuotannosta vain 6 %.
Pienissä kotitalouskokoluokan järjestelmissä invertterin osuus kustannuksista on huomattava, jopa 20 %. Tutkimuksesta saaduista tuloksista huomattiin, että pienemmissä järjestelmissä kannattaa paneeleita sijoittaa jopa kaksinkertainen määrä invertterin nimellistehoon nähden. Mikäli paneeleita halutaan sijoittaa rakennuksen julkisivuille, on mahdollista hankkia invertteri, missä on 3 Maximum Power Point Tracker sisäänmenoa ja hoitaa kaikkien julkisivujen paneelit yhdellä invertterillä. Tällöin tehosuhde on jopa 3. Tämä johtuu invertterin ja muiden kiinteiden kulujen suuresta osuudesta investoinnissa ja maksimaalisten DC-tehojen puuttumisesta, sillä paneelit ovat eri ilmansuuntiin. Paneeliston ylimitoittamisella saavutetaan hyötyä myös siten, että paneelit sijoitetaan suoraan etelään. Tällöin 1,6 tehosuhteella saavutetaan 0,3 snt/kWh säästö tuotetun sähkön hinnassa verrattuna 1:1 mitoitukseen.
Panels won`t produce their nominal power very often, or if produce it won`t last long time. That is because most of warming of panels because of solar irradiation. In this master`s thesis is studied case`s that has impact to panels DC-power and optimum panel – inverter power ratio.
During the study has been made temperature measurements for solar panels at Lappeenranta University of Technology also short term power of panels is studied. From the measurements is possible to see, that temperature of panels can be 25 to 30 degrees over the temperature of air surrounding the panels. Because of that tempereature of panels can be 50 to 55 degrees and because of that power of panels decrease 10 %. From power data it is possible to see, that if inverter power is 60 % compared to panel power, only 6 % amount on yearly produced energy is lost. That is because of lack of maximum solar radiation at most of time.
Small home size systems price of inverter can be over 20 %. Result from the study shows that under 10 kW inverter systems panel power can be two times larger than inverter power. If panels is installed at facade of building it is recommend to invest inverter that has 3 independ MPPT`s, and connect all panels to same inverter. Power ratio between panel and inverter power of system like that can be high as 3. That`s because panels are facing in different directions so maximum power of different panels won`t influence at same time. Also oversizing panels compared to inverter lower costs of solar electricity even though all panels are facing to south, system like that power ratio 1,6 is cheapest to producing electricity. Vversizing lower costs at 0,3 cnt/kWh compared to power ratio 1.