Aurinkovoimalaitosten sähkökeskusten lämpökuormituksen syyt ja hallintakeinot

Abstract

Aurinkovoimalaitosten sähkökeskusten lämpökuormitus on käyttövarmuuden, turvallisuuden ja tuotannon jatkuvuuden kannalta merkittävä mutta usein aliarvioitu ilmiö. Tämän diplomityön tavoitteena oli tarkastella aurinkosähkökeskusten lämpökuormituksen syntymekanismeja sekä keinoja, joilla lämpenemistä voidaan hallita suunnittelun, rakenteellisten ratkaisujen, valvonnan ja kunnossapidon avulla. Työssä tarkasteltiin lämpökuormitusta sähköteknisestä, lämpöteknisestä ja rakenteellisesta näkökulmasta sekä analysoitiin yhtä ulkokäyttöistä aurinkosähkökeskusta tapauskohteena. Aineistona hyödynnettiin kohteen piirustuksia, lämpökuvaus- ja valokuva-aineistoa, sähkönlaatumittauksia, komponenttien lämpöhäviölaskentaa sekä lämpövirtaussimulointia.

Tapauskohteen analyysi osoitti, että ongelmallinen lämpeneminen ei johtunut sähkönlaadusta, vaan rakenteellisten ja ympäristöperäisten tekijöiden yhteisvaikutuksesta. Tarkastelun keskusosan sisäisiksi lämpöhäviöiksi arvioitiin noin 330 W, kun taas simuloinnissa auringon aiheuttamaksi lämpötehoksi saatiin 2665 W. Tulokset osoittivat, että ulkoisen säteilykuorman merkitys voi aurinkovoimalaitoksen ulkokäyttöisessä keskuksessa olla huomattavasti suurempi kuin pelkkien komponenttihäviöiden.

Työn perusteella aurinkovoimaloiden sähkökeskusten lämpötilahallinnassa tulisi ensisijaisesti hyödyntää passiivisia ja rakenteellisia ratkaisuja, kuten ilmankierron parantamista, säteilykuorman pienentämistä, sijoittelun optimointia ja vaaleampia pintoja. Näitä voidaan tarvittaessa täydentää aktiivisilla ilmanvaihto- tai jäähdytysratkaisuilla sekä jatkuvalla lämpötilan valvonnalla ja ennakoivalla kunnossapidolla. Lämpökuormitus on huomioitava kokonaisuutena jo suunnitteluvaiheessa, sillä jälkikäteen tehtävät korjaukset ovat usein ennakoivia ratkaisuja raskaampia, kalliimpia ja voivat aiheuttaa tuotantokatkoksia.

Thermal stress in the electrical switchgear of photovoltaic power plants is a significant but often underestimated issue affecting operational reliability, safety, and continuity of power production. The aim of this thesis was to examine the causes of thermal stress in photovoltaic power plant switchgear and the means of mitigating it through design, structural solutions, monitoring, and maintenance. The subject was approached from electrical, thermal, and structural perspectives, and one outdoor photovoltaic AC switchgear was analyzed as a case study using drawings, thermographic and photographic data, power quality measurements, component loss calculations, and thermal flow simulation.

The case study showed that the observed overheating was not caused by power quality issues but by the combined effect of structural and environmental factors. The internal heat losses of the examined switchgear section were estimated at approximately 330 W, while the thermal simulation indicated a solar heat load of 2665 W. The results show that, in outdoor photovoltaic switchgear, external solar radiation may have a considerably greater effect on temperatures than the heat generated by the electrical components alone.

Based on the results, thermal management should primarily rely on passive and structural measures, such as improving airflow paths, reducing solar heat gain, optimizing installation location, and using lighter-colored surfaces. These can be complemented, when necessary, by active ventilation or cooling solutions, continuous temperature monitoring, and predictive maintenance. Thermal stress should be considered already in the design phase, since corrective actions taken afterwards are often more extensive, costly, and may cause production outages.