Aurinkopaneelit

Tietoa aurinkopaneeleista ja aurinkopaneelin valitseminen

Aurinkopaneelien toiminta perustuu auringon säteilyn muuttamiseen sähkövirraksi aurinkokennossa valosähköisen ilmiön ansiosta. Kun auringosta lähtenyt fotoni törmää aurinkokennossa vapaaseen elektroniin, antaa se sille tarpeeksi energiaa atomin vaikutusalasta irtoamiseen. Tällöin kennoon muodostuu vapaita elektroneja, jotka synnyttävät puolijohdemateriaalien kanssa sähkövirran.

Kennotyypit

Aurinkopaneeleita on kennotyypin perusteella jaettuna kahdentyyppisiä, yksikidepaneeleita ja monikidepaneeleita. Yksikiteisen paneelin hyötysuhde on tyypillisesti monikidepaneelia parempi ja sen elinikäodote on pidempi. Yksikidepaneelin valmistaminen on kuitenkin vaikeampaa ja hieman kalliimpaa.

Yksikidepaneelit tuottavat suorassa auringonpaisteessa monikidepaneelia enemmän sähköä, mutta vastaavasti monikidepaneeli pystyy hyödyntämään heikommissa valaistusolosuhteissa hajasäteilyä paremmin. Loppujen lopuksi paneelityyppien erot ovat varsin pieniä. Käytännössä eroja tulee yksikidepaneelien eduksi tilanteessa, jossa asennustila on rajallinen tai tarkoituksena on asentaa esimerkiksi vain yksi paneeli. Nykyisin (2024) parhaat yksikidepaneelit voivat tuottaa 1,7x1m standardikokoisella paneelilla 340 wattia, kun saman pinta-alan monikidepaneeli tuottaa tyypillisesti noin 290 wattia. Aurinkopaneeleiden runkokoko on viime vuosina kasvanut huomattavasti ja usein niiden tehokin on jo 400-550 wattia.

Yksikidepaneelit voi tunnistaa kennojen tummemmasta sävystä, kun taas monikidepaneelit ovat sinertäviä ja niissä olevat epäsymmetriset piikiteet näkyvät selvemmin.

Tällä hetkellä (2024) yksikidepaneelit ovat valtavirtaa paneelivalmistuksessa, lähinnä pidemmän eliniän, korkeamman hyötysuhteen ja sitäkautta matalamman hinnan vuoksi ja monikidepaneeleiden saatavuus on vähenemään päin.

Jäykkärunkoinen vai joustava?

Talon katolle asennettavat aurinkopaneelit ovat käytännössä aina jäykkärunkoisia alumiinikehikolla varustettuja paneeleja. Näissä jäykkärunkoisissa paneeleissa kennot ovat suljettu karkaistun lasipinnan alle, ja tuettu taustastaan taustalevyllä. Ne ovat edullisia, pitkäikäisiä ja asennus on yksinkertaista standardoitujen runkokokojen ja kiinnikkeiden ansiosta. Lisäksi varsinkin suurikokoisten paneeleiden saatavuus on erinomainen, sillä maailmanlaajuiset valmistusmäärät ovat valtavia. Samoja paneeleita voi käyttää yksittäisenä asennuksena mökin sähköistyksessä, kuin megawattiluokan aurinkovoimalaprojektissa, ja tämä tuo mittakaavan tuomat kustannusedut jokaisen aurinkosähkötuottajan ulottuville.

Tutustu jäykkärunkoisten paneelien valikoimaamme täällä!

Joissakin tilanteissa on kuitenkin syytä kuitenkin harkita joustavia aurinkopaneeleja. Joustavia paneeleita kannattaa harkita venekäyttöön, matkailuautoihin ja joissakin tapauksissa kesämökkikäyttöön. Niiden suurimmat edut ovat keveys ja joustavuus, jotka mahdollistavat asennuksen hankaliin kohteisiin, esimerkiksi veneissä. Paneelit myös kestävät rajoitetusti päällä kävelyä, kunhan huolehditaan että taustalla oleva pinta on riittävän tukeva ja paneelit eivät väänny liiallisesti kuormituksen alla. Koska näissäkin paneeleissa kennot on tehty ohuista ja jäykistä piikiteistä, paneelit eivät ole rajattoman joustavia, taiteltavia tai tiukalle rullattavia. Alla olevalla videolla on esitelty lyhyesti valikoimastamme löytyvät joustavat aurinkopaneelit.

Joustavat paneelit ovat näppäriä veneilyssä, jos halutaan asentaa paneeli esimerkiksi veneen kannelle, jolloin sen päällä voi edelleen kävellä. Lisäksi karavaanikäytössä paneelit voivat olla eduksi niiden ohuuden takia, jolloin katolle ei tarvitse laittaa kiinnikkeitä ja paksuja paneeleja, jotka aiheuttavat ilmanvastusta ja ärsyttäviä ääniä ajaessa.

Jäykkärunkoisten paneeleiden valmistajat lupaavat usein 25 vuoden tehontuottotakuuta 80%:n teholle, eli 25 vuoden jälkeen niiden pitäisi pystyä vielä tuottamaan 80% niiden nimellistehosta. Joustavat paneelit eivät tyypillisesti pääse tähän, sillä niiden keveyden ja rakenteen myötä ajan hammas pääsee kuluttamaan niitä enemmän ja ne altistuvat kuumemmille olosuhteille, jos ne esimerkiksi liimataan suoraan kiinni kattoon. Telineille asennettujen jäykkärunkoisien paneelien ja katon väliin sen sijaan jää ilmarako, joka mahdollistaa paremman paneelin jäähdytyksen ja siten edesauttaa pidempää elinikää.

Tutustu laajaan joustavien paneeleiden valikoimaamme täällä!

Sarjaan vai rinnakkain? Paneelijännite?

Useita aurinkopaneeleita järjestelmään kytkettäessä on tarpeen päättää kytketäänkö paneelit rinnakkain vai sarjaan. Sarjaan kytkettäessä paneelien tuottama jännite kasvaa, esimerkiksi kaksi 15 V paneelia sarjaan kytkettäessä jännite nousee 30 volttiin. Rinnakkainkytkennässä jännite pysyy sen sijaan samana, mutta paneelien yhteensä tuottama virta kasvaa, ja tämä on huomioitava kaapeleiden ja liittimien mitoituksessa. Sarjaankytkentä ja korkeampi jännitetaso mahdollistaa säästöjä kaapeloinnissa paneelien ja lataussäätimen välillä, joka on olennaista, jos välimatka on pitkä. Lisäksi sarjaankytkentä on yksinkertaisempi kytkentätapa, eli katolla oleva johtohässäkkä pysyy minimissään. Erityisesti suurissa järjestelmissä sarjaankytkentä on käytännössä ainut järkevä kytkentävaihtoehto.

Paneelijännite tulee valita käytetyn akuston ja lataussäätimen mukaan. PWM-säätimillä paneelijännitteen on syytä olla lähellä akkujännitettä, esimerkiksi 12 V akustolle sopiva paneelijännite on hieman korkeampi, jotta akusto saadaan varmasti ladattua täyteen, esimerkiksi 18 V. Sen sijaan MPPT-lataussäätimiä käytettäessä voidaan vapaasti käyttää korkeampia paneelijännitteitä lataussäätimen jännitteenkeston rajoissa. On kuitenkin huomattava, että MPPT-säätimien hyötysuhde laskee hieman jännite-eron kasvaessa, ja paneelijännitteen on aina oltava akkujännitettä korkeampi (+ marginaali, esim. jotkin Victron SmartSolar mallit vaativat +5V).

Paneeleita sarjaankytkettäessä on laskettava paneelien tuottama suurin mahdollinen jännite Voc (ns. open circuit voltage), ja varmistettava, että tämä ei saa missään tilanteessa ylittää lataussäätimen, kaapeleiden, tai paneelisarjan suurinta sallittua jännitettä.

Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että mikäli paneelit asennetaan samalla suuntauksella ja varjostamattomiin olosuhteisiin, sarjaankytkentä on aina paras ja yksinkertaisin vaihtoehto, mikäli käytetään MPPT-säädintä ja komponenttien jännitteenkesto ei rajoita kytkentää.

Mikäli jännitteenkesto asettaa rajoitteita, tai paneeleita asennetaan eri suuntauksille, on käytettävä rinnakkainkytkentää. Myös PWM-säätimien kanssa on yleensä tarpeen käyttää rinnakkainkytkentää, mutta tämä on arvioitava tapauskohtaisesti.

Lähtökohtaisesti rinnan- ja sarjaankytkettävien paneelien tulee olla identtisiä keskenään. Jos on tarve käyttää erilaisia paneeleita, on suositeltavaa rakentaa paneeleista toinen piiri ja käyttää kahta lataussäädintä. Mikäli näin ei tehdä, pitää rinnakkain- tai sarjaankytkettyjen paneelisarjojen olla mahdollisimman samankaltaisia toisiinsa nähden virtojen sekä jännitteiden osalta. Muuten paneelit todennäköisesti toimivat niin, että vain toinen osio tuottaa sähköä tai pienin paneeli määrittää sähköntuotannon. Toisinaan eteen voi tulla tilanteita, jossa halutaan laajentaa paneeliryhmää, mutta välttämättä vanhan paneelin mallisia yksilöitä ei enää ole saatavilla.

Alla olevassa kuvassa on esitetty tilanne kuinka erilaiset paneelit toimivat kussakin tilanteessa. Sarjaankytkennässä paneelien jännite summataan yhteen, mutta sähkövirta määräytyy matalamman arvon mukaan. Rinnankytkennässä asia on juuri toisinpäin, eli jännite määräytyy pienemmän arvon mukaan ja sähkövirrat summataan yhteen. Erilaisia paneeleita sarjaan- tai rinnakkainkytkettäessä saatava teho on aina vähemmän kuin yksittäisten aurinkopaneelitehojen summa! Ongelma voidaan ratkaista hankkimalla useampia lataussäätimiä.

Rinnan- ja sarjaankytkennän osalta kannattaa myös pohtia varjostuksen vaikutusta järjestelmään. Nykyaikaisissa paneeleissa on usein ohitusdiodi, jolloin sarjaankytketyssä paneelistossa varjostettu paneeli ohitetaan diodin avulla. Samalla tuon varjostetun paneelin koko tehontuotto lakkaa. Suuremmissa järjestelmissä yksittäisen paneelin varjostuksella on melko pieni vaikutus koko järjestelmän tuotantoon, ja näissä käytetäänkin sarjaankytkentää. Rinnakkainkytketyissä paneelistoissa ohitusdiodia ei tarvita, ja varjostettu paneeli pystyy tuottamaan sähköä osateholla. Muutaman paneelin järjestelmissä rinnakkainkytkentä voi olla varteenotettava vaihtoehto, varsinkin jos paneelit on sijoitettu eri suuntauksilla, tai paneeleihin kohdistuu paljon varjostuksia.

Suuremmissa kokonaisuuksissa paneelit kannattaa ryhmitellä niin, että mahdollisimman samanlaisissa valaistusolosuhteissa olevat paneelit muodostavat yhden paneeliryhmän (sarjaankytketyn kokonaisuuden).

Varjostuksen vaikutus tuotantoon

Etenkin vanhoissa tai halvoissa aurinkopaneeleissa on usein vain yksi sähköpiiri, johon kaikki paneelin kennot on kytketty sarjaan. Tämä aiheuttaa sen ongelman, että sarjaankytketyissä virtalähteissä järjestelmä toimii aina heikoimman osan mukaisesti. Aurinkopaneeleissa se tarkoittaa sitä, että jos yksi kenno on esimerkiksi peittynyt lumella, lehdellä tai roskalla putoaa koko paneelin tuotanto nollaan. Lisäksi jos kyseessä on usean aurinkopaneelin järjestelmä ja paneelit ovat sarjaankytkettyinä vaikuttaa tämä myös muidenkin paneeleiden tehontuotantoon vaikka ne eivät olisivatkaan varjostuneita.

Nykyisin aurinkopaneeleihin on usein asennettuna ohitusdiodeja, joiden ansiosta paneeli ei ole niin altis varjostuksille, sillä diodi mahdollistaa varjostuneen osan ohittamisen, jolloin se ei enää vaikuta koko paneelin tuotantoon. Perinteisissä isomman kokoluokan (n. 300 W) aurinkopaneeleissa on kolme kappaletta ohitusdiodeja alla olevan kuvan mukaisesti. Eli jos puunlehti putoaa paneelin vasempaan reunaan ja peittää kennoja, mutta muut osat paneelista ovat auringonpaisteessa, putoaa paneelin tuotanto vain kolmanneksen, eli 33 %. Paneeli on siis suojattu yksittäisiä pystysuuntaisia varjostumisia tai likaantumisia vastaan, mutta jos esimerkiksi aurinkopaneeli on asennettu pihalla maatelineeseen ja paneelin alaosa peittyy lumella, putoaa paneelin tuotanto tällöin lähes nollaan.

Nykyisin markkinoilta saa myös Half-cut paneeleita, joissa ohitusdiodit on sijoitettu paneelin keskiosaan ja paneeli jaettu niiden ylä- ja alapuolelta vielä osioiksi, jolloin saadaan kuusi erillistä piiriä. Tämä valmistustapa vähentää entisestää varjostusten ja likaantumisten aiheuttamia dramaattisisa tehonalenemia aurinkopaneeleissa.

Ennen aurinkopaneelin ostamista, tarkasta ohjekirjasta montako diodia paneelista löytyy. Jos sitä ei ole mainittu, on todennäköistä, ettei niitä ole ja tällainen paneeli kannattaa suosiolla jättää kauppaan.

Aurinkopaneelit tulee mahdollisuuksien mukaan asentaa aina paikkaan, jossa ne eivät pääse varjostumaan edes osittain. Esimerkiksi kesämökeillä tämä voi tuottaa päänvaivaa ja usein herää ajatus, että kyllähän se aurinko paistaa myös latvusten läpi riittävän hyvin. Käytännössä tällaisen hajasäteilyn hyödyntäminen sähköntuotannossa on erittäin vaikeaa ja hyvin suuri osa valosta myös jää saapumatta aurinkokennojen pinnalle.

Mikäli aurinkopaneeleita on pakko asentaa varjostettuihin olosuhteisiin, eikä varjostuksen lähteistä ole mahdollista päästä eroon, voidaan sähköntuottoa parantaa muutamalla valinnalla. Ensinnäkin aurinkopaneelit kannattaa asentaa rinnakkainkytketysti, jos mahdollista. Toiseksi varjojen suunnalla on merkitystä. Katso testausvideomme tästä. Yleensä aurinkopaneelit on jaettu pitkittäisiin osioihin, jolloin poikittaiset (=lyhyen sivun suuntaiset) varjot vaikuttavat tuotantoon paljon enemmän kuin pitkittäiset (=pitkän sivun suuntaiset) varjot.

Esimerkkinä alla on tilanne, jossa paneelit osittain ovat suorassa auringonpaisteessa, mutta osittain myös varjostuneita. Vaikka kyseessä onkin aurinkoinen päivä, eivät yläreunassa olevat kennot tuota käytännössä ollenkaan sähköä ja ilman edellämainittuja ohitusdiodeja koko systeemin sähköntuotanto jää käytännössä nollaan.

Kuvan lähde: North American Clean Energy

Avoimen piirin jännite (Voc) ja oikosulkuvirta (Isc)

Aurinkopaneelin avoimen piirin jännite Voc (Voltage open circuit) ilmoittaa aurinkopaneelin jänniteen kuormittamattomana ja esimerkiksi lataussäädintä valittaessa se tulee ottaa huomioon. Lataussäätimen tiedoissa kerrotaan, että mikä on säätimen suurin jännitekesto (Max. Voc), joka tarkoittaa suurinta jännitettä, joka on mahdollista saada aurinkopaneelilta.

Paneelin oikosulkuvirta Isc (Short-circuit current) puolestaan ilmoittaa suurimman mahdollisen sähkövirran, jonka paneeli pystyy tuottamaan täydessä valaistuksessa. Tämän oikosulkuvirran mukaan on tehtävä järjestelmän osien virrankestomitoitus. Nykyisen SFS 6000 pienjännitesähköasennusstandardin mukaan järjestelmän mitoituksen max. oikosulkuvirtana on käytettävä paneeleiden oikosulkuvirtaa ja 1,25 varmuuskerrointa. Kaksipuolisille bi-facial paneeleille varmuuskerroin tulee olla tätäkin isompi. Lisäksi esimerkiksi estodiodeja käytettäessä diodille tulee vielä erillinen 1,1x varmuuskerroin.

Esimerkiksi jos käytössä on Astronergy 410Wp aurinkopaneeli jonka nimellinen max. oikosulkuvirta (Isc) on 13,88 A, niin vähimmäisvaatimus aurinkopaneelijohtoon kytkettäville komponenteille on siten I_mitoitus = 13,88 A x 1,25 = 17,35 A.

Ja jos paneeliin kytketään estodiodi, niin sen virrankeston tulee olla vähintään I_mitoitus = 13,88 A x 1,25 x 1,1 = 19,1 A.

Virrankestokyky tulee huomioida esimerkiksi turvakytkinten, MC4-liittimien, verkkoinverttereiden jne. valinnassa. Esimerkiksi sähköverkkoon kytkettävissä inverttereissä kuitenkin mainitaan suurin hyödynnettävä sähkövirta paneeleilta (max. input current) sekä erikseen suurin oikosulkuvirrankesto (max. short-circuit current) ja tätä jälkimmäistä käytetään mitoituksessa.

Aurinkopaneeleiden esitteissä on mukana alla olevan kuvan mukainen käyrästö, jossa esitetään paneelin jännitteet ja virrat eri säteilyvoimakkuuksia. Joissain tilanteissa jännite- ja virtakäyrät on laitettu eri kuviin. Alla olevasta kuvasta nähdään, että paneelin suurin teho 270W paneelilla saavutetaan kun virta on noin 8,6A ja jännite 31,4V. Tässä suurimmassa tehopisteessä oleville jännitteille ja virroille käytetään myös englanninkielisiä termejä: virralle Imp (Current at Nominal Power) ja jännitteelle Vmp (Voltage at Nominal Power).

Kuvan lähde: Amerisolar AS-6P30 PERC

Usein aurinkopaneelin takapuolella olevassa tyyppikilvessä on kerrottu suurin avoimen piirin jännite +25°C lämpötilassa, jonka avulla voidaan tehdä suuntaa-antava jännitemitoitus. Jos paneelijännitteet ja lataussäätimen jännitekesto ovat varsin lähellä toisiaan, tulee myös huomioida, että aurinkopaneeleiden suurin teoreettinen jännite kasvaa lämpötilan laskiessa. Vastaavasti myös paneelijännite pienenee kuumassa säässä ja paneelin teho laskee. Jännitteen lämpötilakertoimen (Temperature coefficient of Voc) tulisi olla mainittuna ainakin paneelin esitteessä ja tyypillisesti se on noin 0,3% per celsiusaste (ks. taulukko alla). Jos tätä tietoa ei ole ilmoitettu SFS 6000 pienjännitesähköasennusstandardin mukaan mitoituksessa tulee käyttää 20 % marginaalia, eli kerrotaan Voc jännite 1,2:lla.

Esimerkiksi, jos aurinkopaneelin Voc arvo on +25°C lämpötilassa 37V, on sen Voc -25°C talvisäässä, jolloin sen lämpötilaero normaalitilanteeseen on 50°C:

0,3% x 50°C = 15 %, joten uusi max. jännite on 38V x 1,15 = 43,7V