Auringon asemaa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittäminen

Abstract

Tässä diplomityössä käsitellään Aurinkoa seuraavan aurinkopaneelijärjestelmän kehittämistä Suomen olosuhteisiin. Työ on tehty osana Lappeenrannan teknillisen yliopiston Green Campus-projektia, jossa tarkoituksena on tuottaa yliopistolle energiaa uusiutuvilla menetelmillä ja käyttää niitä apuna tutkimuksessa sekä opetuksessa. Tavoitteena työssä on ymmärtää Auringon seuraamisen hyödyt sekä mahdolliset haitat aurinkopaneeli sovellutuksissa. Aikaisemman tutkimustiedon ollessa vähäistä, on työssä pyritty löytämään laskentamalli tuottavuuden laskentaan riippumatta siitä, missä päin maapalloa aurinkopaneelijärjestelmä sijaitsee.

Työ alkaa kirjallisuustutkimuksella, jossa käydään läpi aurinkopaneelien toimintaperiaate, aurinkoenergian ja auringonpaistetuntien suuruusluokat Suomessa, sekä Suomen sääoloista johtuvat vaatimukset aurinkopaneelijärjestelmille. Tämän jälkeen on vertailtu kaupallisia järjestelmiä. Lopuksi järjestelmällistä tuotesuunnittelua hyväksikäyttäen suunnitellaan oma versio Aurinkoa seuraavasta aurinkopaneelijärjestelmästä. Oman suunnitelman järkevyyttä simuloidaan pienoismallilla Matlab-Arduino ympäristössä ja pyritään löytämään mahdollisia heikkouksia.

Suomessa aurinkoenergiasta 90 % saadaan maalis – syyskuun aikana. Nykyisillä akkujärjestelmillä aurinkoenergia Suomessa ei sovellu kuin täydentäväksi energianlähteeksi. Aurinkoa seuraamalla voidaan saavuttaa 25-30 % tuottavuuden lisäys kesäaikana verrattuna staattiseen järjestelmään. Talvella hyöty tippuu 0-10 % luokkaan. Pienoismallilla simuloidut ohjaustavat osoittivat, että Aurinkoa on mahdollista seurata ilman sensoreita laskemalla Auringon paikka tähtitieteen kaavoista.

This Master’s thesis consist of a study of solar tracking device design process for Finland’s weather conditions. Thesis is part of Green Campus-project which goal is to produce energy from renewable energy sources. These energy methods are meant to be used for research and education. One of main matters in this thesis is to understand features behind solar tracking devices. Because previous studies for solar tracking productivity in Finland is almost nonexistent, there was a need to find calculation model for productivity which is not bound to any predefined location on Earth.

In the beginning of the thesis, there are presented principles of solar cells, solar energy amounts, sunshine hour’s measurements in Finland and Finland’s higher demands for the solar tracking devices because of the weather conditions. After this there are presented comparison of the commercial sun trackers. In the end, together with systematic industrial design process, custom made solar tracking device is designed. To make sure that final design has been successful, prototype with Matlab-Arduino interface is made for testing purposes.

In Finland, 90 % of the solar energy will hit the ground during time period from March to September. Because of this, solar energy in Finland can’t be used as the main source of energy. Solar tracker device boosts productivity during summer time 25-30 % compared to static solar cell system. In the winter percentage will decrease to 0-10 %. Simulations made with prototype shows clearly that Sun’s position can be tracked without sensors using the astronomy calculations for Sun’s location.