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

Aurinkopaneelit jaetaan tyypillisesti yksi- ja monikiteisiin aurinkopaneeleihin. Yksikiteisen paneelin hyötysuhde on tyypillisesti monikidepaneelia hieman 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 tilanteessa, jossa asennustila on rajallinen tai tarkoituksena on asentaa esimerkiksi vain yksi paneeli. Nykyisin (2021) parhaat yksikidepaneelit voivat tuottaa 1,7x1m standardikokoisella paneelilla 340 wattia, kun saman pinta-alan yksikidepaneeli tuottaa tyypillisesti noin 290 wattia.

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

Lähde: Zerohomebills

Jäykkärunkoinen vai joustava?

Talon katolle asennettavat aurinkopaneelit ovat käytännössä aina jäykkärunkoisia alumiinikehikolla varustettuja paneeleja. Ne ovat edullisia, pitkäikäisiä ja helppoja asentaa alumiinitelineille.

Joissakin tilanteissa on kuitenkin syytä harkita joustavia aurinkopaneeleja. Niiden suurimmat edut ovat, että osa niistä kestää päällä kävelelyä, ne ovat kevyitä ja ohuita sekä ne joustavat hieman. Koska näissäkin paneeleissa kennot on tehty ohuista ja jäykistä piikiteistä, paneelit eivät kuitenkaan ole kovin 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 kuumille 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.

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 mitoituksessa. Sarjaankytkentä ja korkeampi jännitetaso mahdollistaa säästöjä kaapeloinnissa paneelien ja lataussäätimen välillä, joka on olennaista, jos välimatka on pitkä.

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, on kuitenkin huomattava, että MPPT-säätimien hyötysuhde laskee hieman jännite-eron kasvaessa, ja paneelijännitteen on aina oltava akkujännitettä korkeampi.

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 paneelien suurinta sallittua jännitettä.

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 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.

Kuvan lähde: SolarClue

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.

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. Lataussätimen 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. Aurinkopaneelin suurin virta tapahtuu siinä tilanteessa, kun jännite on nollassa ja paneelia ei ole kuormitettu. Lataussäätimissä myös usein ilmoitetaan mikä on suurin oikosulkuvirta, jonka paneelit teoriassa pystyisivät tuottamaan.

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.

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

Kuvan lähde: Amerisolar AS-6P30 PERC 

© 2022 Engifar Oy