Kenellekään ei kai tarvitse enää vakuuttaa, että oikein valmistetut aurinkokennojärjestelmät voivat olla suureksi hyödyksi sekä kuluttajille että itse energiajärjestelmälle. Jopa pienen aurinkopuiston omistajasta tulee automaattisesti sähköenergian tuottaja, mikä alentaa huomattavasti sähkölaskuja. Järjestelmän optimaalinen tehokkuus edellyttää kuitenkin oikean säätimen valintaa.

Yhdessä energiavaraston kanssa aurinkokenno järjestelmä mahdollistaa joissakin olosuhteissa sähköverkosta eristäytymisen sekä sellaisen energiamäärän takaamisen, joka on riittävä omiin tarpeisiin. Sähköverkon näkökulmasta aurinkopaneeleista syntyvä sähkö on ilmaista (tuottajakuluttaja maksaa koko järjestelmästä) ja voimakkaan auringonsäteilyn hetkinä valtavat energiamäärät mahdollistavat suurten perinteisten voimaloiden joustavamman käyttämisen sekä kasvihuonekaasujen päästön rajoittamisen.

Jotta aurinkokennojärjestelmä toimii täysin tehokkaasti, on täytettävä useita ehtoja. Ensinnäkin paneelit on sijoitettava paikkaan, joka ei ole varjoisa. Kaikki järjestelmän lähistössä olevat kohteet, rakennukset tai korkeat puut saattavat heittää varjon, joka vaikuttaa aurinkokennojen tuottaman tehon alentamiseen. Paneelien pitäisi olla tietenkin suunnattu etelään, josta tulee eniten auringonsäteitä koko päivän aikana. Tärkeä on myös järjestelmän kallistuskulma Auringon suhteen. Sopivan asettamisen ansiosta järjestelmä suorittaa tehtävänsä mahdollisimman tehokkaasti.

Erittäin suosituiksi ovat myös tulleet pienet aurinkokennojärjestelmät, jotka akkuun kytkettyinä voivat toimia laturina, esimerkiksi leirintämatkoilla. Kyseessä ovat siis off-grid-järjestelmät, jotka eivät ole kytketty sähköverkkoon. Samoin kuin niiden isompien vastikkeiden tapauksessa, sopivan asennuksen ansiosta maksimaalinen määrä auringonsäteitä pääsee paneeliin, joten vain käyttäjästä riippuu, hyödyntääkö hän järjestelmänsä tehoa täysin. Onko siinä kuitenkin kaikki, mitä voimme tehdä, että generaattorimme hyödyntää luonnon koko potentiaalin?

Ilmeisesti ei. Onneksi avuksi tulevat aurinkosäätimien valmistajat. Järjestelmän toiminnan aikana juuri ne pitävät huolen siitä, että aurinkokennot toimivat meille täydellä tehollaan.

AURINKOSÄÄDIN - MIKÄ SE ON?

Sen selvittämiseksi, mikä aurinkosäädin on, aluksi täytyy ymmärtää, miten sähköenergiaa aurinkokennojärjestelmässä oikeastaan tuotetaan. Kyseisten paneelien tehoa kuvaa seuraava riippuvuus:

P=U\bullet Imula":{"formula":"P=U\bullet I","inline":true,"translations":["P=U\bullet I"],"variables":["P=U\bullet I"]}} }}

jossa:

P – järjestelmän teho PV [W],
U – sähköjännite [V],
I – sähkövirta [A].

Yllä olevan kaavan mukaan paneelien teho on jännitteen ja sähkövirran tulo. On selvä, että kyseiset arvot vaihtelevat vuorokauden aikana. Jos ei yritetä silloin vaikuttaa millään tavalla tuotannon normalisointiin ja keskiarvoistamiseen, se aiheuttaa aurinkovoimalan erittäin epävakaan toiminnan. Myös kokonaistuotanto ei ole siinä tapauksessa tyydyttävä. Mitä voi siis tehdä sähkövirran ja jännitteen arvojen säilyttämiseksi optimaalisella tasolla? Juuri siihen tarkoitukseen käytetään laitetta nimeltään aurinkosäädin.

Alla olevan kaavion mukaan aurinkopaneeli saavuttaa maksimaalisen tehonsa silloin, kun määritetään sellainen jännitteen ja sähkövirran piste, että sähkövirran käyrän alla määritetään suorakulmio, jolla on mahdollisimman iso pinta-ala. Säätimen tehtävä on siis hyödyntää aurinkoenergiaa tehokkaasti ja lyhentää pariston täydentämisaikaa täydentämällä jatkuvasti kulutettua sähköä. Kehittyneemmän mallin tapauksessa sen tehtävä on lisäksi jäljittää ja seurata maksimaalisia tehopisteitä, minkä ansiosta järjestelmä toimii täydellä tehollaan. Kyseisen laitteen asennus mahdollistaa sähkön tehokasta tuotantoa pilvisempinäkin päivinä. Yhden sellaisen laitteen asentaminen voi rajoittaa tarvetta laajentaa järjestelmää seuraavilla aurinkopaneeleilla.

PWM VAI MPPT?

On kaksi tyyppiä aurinkosäätimiä. Kyseessä ovat siis PWM (Pulse Width Modulator)- ja MPPT (Maximum Power Point Traffic)-säätimet. Ne eroavat toisistaan toimintaperiaatteella, hinnalla, tehokkuudella sekä (ja ehkä etenkin) kyvyllä toimia eri sääolosuhteissa. Määrittääkseen selvästi, onko valitun järjestelmän tapauksessa taloudellisesti perusteltua asentaa kalliimpi malli, on tutustuttava molempien hyviin ja huonoihin puoliin sekä ainakin perustasolla tutustua molempien laitteiden toimintaperiaatteeseen.

PWM-säätimet

PWM-säädin toimii pulssin leveyden säädön periaatteella. Yksinkertaisimmin sanottuna PWM-säädin lähettää akkuun lyhyitä jännitteen annoksia, eikä anna sen ylilatautua tai purkautua. Samalla ei ole akun ylikuumenemisen tai kaasumuodostuksen riskiä. Vakaan lataustason ylläpito pidentää pariston elinikää. Mitä korkeampi on akun lataustaso, sitä enemmän säädin vähentää energia-annosten määrää, ylläpitäen energian vakaata ja määritettyä arvoa.

Mitkä ovat kyseisen ratkaisun tärkeimmät edut?

• Alhainen hinta verrattuna MPPT-säätimeen
• Akun suojaus ylikuumenemiselta ja kaasunmuodostukselta
• Akun eliniän pidentäminen
• Laaja valikoima saatavilla olevia malleja
• Toimittaa maksimaalisen saatavilla olevan määrän tehoa mahdollisimman lyhyenä aikana

Mitkä ovat PWM-säätimien huonot puolet?

• Jotta laite toimii oikein, tulojännitteen täytyy tasapainottaa akun jännitettä;
• Se toimii parhaiten täydessä auringonvalossa, eikä ole sopiva varjoisille järjestelmille
• Se aiheuttaa häiriöitä, varsinkin sähköviran korkeampien arvojen tapauksessa

MPPT-säätimet – edut ja toimintaperiaate

MPPT-aurikosäätimet ovat laitteita, joilla on aikaisemmin mainittu kyky seurata parhaita tehopisteitä. Kyseisen järjestelmän toimintaperiaatteena on akun jännitteen sellainen säätö, että sen avulla voi saavuttaa maksimaalisen latausvirran. Toisin kuin PWM:t, MPPT:t hyödyntävät siis järjestelmän maksimaalisia suorituskykyjä ja käyttävät siihen parhaillaan vallitsevia aurinko-olosuhteita. Kyseisen ratkaisun valtava etu on kyky tuottaa sähköenergiaa sekä suotuisimmissa olosuhteissa, jolloin on täysi auringonvalo, että auringonnousun ja -laskun ja lisäksi pilvisen sään aikana. Säteily pääsee perille nimittäin aina, mutta tehokkaasti toimia voi ainoastaan se järjestelmä, joka pystyy mukautumaan auringonvalon tasoon. Käy ilmi, että hyvälaatuista MPPT-säädintä käytettäessä tuotantotehokkuus voi olla jopa 30% korkeampaa vähäisen auringonvalon olosuhteissa. Lisäksi laite vaikuttaa akun lataamisen aikana esiintyvien häviöiden alentamiseen.

Useita epäilemättömiä etuja seuraa valitettavasti huomattavasti korkeampi hinta. Se ei kuitenkaan ole kannattamaton sijoitus – järjestelmän sopiva tuki antaa nimittäin selviä hyötyjä, joista tärkein on sähköenergia ympäri vuorokauden, riippumatta siitä, onko yllämme pilvetön taivas, vai onko Aurinko piilossa korkealla pilvien yllä.

Jotta järjestelmä toimisi tehokkaimmin, MPPT-säätimellä varustetussa järjestelmässä sijaitsevat aurinkopaneelit pitää kytkeä sarjaan. Sellaisen järjestelmän toiminta on paljon tehokkaampaa, kuin useampien paneelien rinnankytkentä PWM-säätimen tapauksessa. Täytyy samalla ottaa huomioon, ettei saa ylittää aurinkopaneelien valmistajan määrittämää maksimijännitettä. Kyseinen tilanne on nimittäin vaaraksi laitteelle, joka pahimmassa tapauksessa saattaa vahingoittua.

MAKSIMAALISEN TEHOPISTEEN JÄLIJITYSMENETELMÄT

Maksimaalisen tehopisteen seuranta voi perustua muutamaan algoritmiin, jotka tarjoavat säätimen toiminnan eri tarkkuutta. Yleensä käytetään seuraavia menetelmiä:

• Perturbaatio- ja havaintomenetelmä – sitä voi kutsua yritykseksi ja erehdykseksi. Se perustuu nimittäin jännitepisteen sijainnin minimaaliseen korjaukseen ja havaintoon, onko kyseinen toiminta aiheuttanut lataustehon nousun vai laskun. Sen jälkeen otetaan seuraava, samanlainen askel, kunnes saavutetaan tyydyttävä tulos. Täytyy huomata, että asennuspisteen siirtotaso on sama jokaisen seuraavan intervention tapauksessa.

• Inkrementaalisen johtavuuden menetelmä – kyseessä on algoritmi, joka pystyy ennakoimaan tehokäyräkaavion perusteella, miten suuri muutos on tehtävä mahdollisimman suurten hyötyjen saavuttamiseksi. Algoritmi suorittaa sen analysoimalla sähkövirran ja jännitteen kasvua, mikä mahdollistaa suoritetun muutoksen tuloksen määrittämisen.

• Lämpötilamenetelmä – maksimaalisen toimintapisteen määrittämiseen käytetään lämpötilan mittausta. Vertaamalla tulosta viitelämpötilaan pystymme määrittämään optimaalisen asetuksen. Ongelma esiintyy kuitenkin silloin, kun ilmestyy varjo. Lämpötilamenetelmä on tällöin virheellinen.

PV-JÄRJESTELMÄLLE SOPIVAN SÄÄTIMEN VALINTA

Voidakseen valita säätimen, joka olisi sopiva olemassa olevalle aurinkokennojärjestelmälle, täytyy tietää sekä itse paneelien perusparametrit että käytetyn akun tekniset tiedot ja tehonkulutuksen arvo. Tärkeimpiä tekijöitä, jotka kertovat aurinkokennojen ja PWM- sekä MPPT-säätimien keskinäisen yhteensopivuuden oikeellisuudesta, ovat:

1. Aurinkopaneelien nimellisteho – kyseinen parametri on otettava huomioon, jotta järjestelmä yhdessä säätimen kanssa pystyisi jokaisessa tapauksessa lataamaan akun energiavarastolle sopivana ja turvallisena aikana
2. PV-paneelien jännite, joka ei ylitä akun sallittua latausjännitettä sekä säätimen valmistajan määrittämää maksimaalista jännitettä
3. Kulutettava huipputeho – sopivasti valitun säätimen ominaisuuksiin täytyy kuulua sama tai korkeampi latausvirta, joka kompensoi kaikkien kytkettyjen vastaanottimien virrankulutusta
4. Aurinkopaneelien oikosulkuvirta – valitun laitteen ominaisuuksiin pitäisi kuulua korkeampi latausvirta, kuin PV-järjestelmän mainittu oikosulkuvirta
5. Energiavaraston kapasitanssi – valitakseen sopivan laitteen, jonka avulla on mahdollista täydentää kulutettua energiaa lyhyenä aikana, täytyy määrittää ensin, miten paljon sitä pystytään käyttämään, eli miten tilavaa akkua tarvitaan. Silloin järjestelmä tulee olemaan räätälöity asiakkaan tarpeisiin.

Sopivan aurinkosäätimen valinta pystyy parantamaan järjestelmämme tehokkuutta, mikä vaikuttaa taloudelliseen laskuun. Sekä PWM- että MPPT-säätimillä on huonot ja hyvät puolensa ja vain hyvin harkitun ostoksen ansiosta laite voi täyttää käyttäjän odotukset.

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.:n alkuperäinen teksti löytyy täältä.