Sähkö on oleellisessa roolissa nykyasumisessa, koska lähes kaikki talossa toimivat laitteet toimivat sähköllä. Sähköä kuluttavien laitteiden määrä on myös lisääntynyt jatkuvasti. Yhtä tärkeässä roolissa on myös talon sisäinen tietoliikenneverkko. Tietoliikenneverkkoa on myös mahdollista käyttää laitteiden ohjaamiseen.

Uusiutuvaa sähköä on käytännössä järkevää tuottaa kotitalouskokoluokassa ainoastaan aurinkovoimalla, koska tuulivoima ei ole pienessä mittakaavassa kannattavaa muualla kuin erittäisin suotuisilla paikoilla. Vesivoiman hyödyntäminen on myös todella harvinaista kotitalouksissa, koska sitä ei yksinkertaisesti ole saatavilla. Näiden lisäksi uusiutuvaa sähköä olisi mahdollista tuottaa ns. sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksella (eng. combined heat and power, CHP) höyry- tai kaasuturbiinin avulla, mutta tämäkään ei ole kovin järkevää kotitalouskokoluokassa. Tämän takia tässä projektissa uusiutuvaa sähköenergiaa tuotetaan ainoastaan aurinkosähköllä.

Aurinkosähkö

Suunnittelu

Kuten edellä todettiin, niin talon etelälappeelle laitetaan yhteensä 40 aurinkopaneelia ja autotallin/-katoksen itä- ja länsilappeelle yhteensä 42 aurinkopaneelia. Kaiken kaikkiaan paneeleja tulee siis 82 kappaletta. Koska paneelien nimellisteho on 250 W_p, on aurinkovoimalan kokonaisteho yhteensä 20,5 kW_p. Inverttereissä on yleensä maksimissaan kaksi MPPT (eng. maximum power point tracking) -järjestelmää, joka maksimoi paneelikentästä saatavan tehon. Tässä tapauksessa paneeleja on sijoitettu kolmeen eri ilmansuuntaan ja siksi tarvitaan vähintään kolme eri MPPT-järjestelmää. Tämä onnistuu jakamalla paneelikentät kahden invertterin kesken, joissa vähintään toisessa on kaksi MPPT-järjestelmää. Talon paneelit kytketään omalle invertterille ja autotallin omalle. Näin saadaan muodostettua molemmille inverttereille järkevän kokoiset kentät; talo 2×20 paneelia ja autotalli 2×21 paneelia. Tällä tavoin autokatoksen itä- ja länsilappeilla olevat aurinkopaneelit toimivat itsenäisinä kokonaisuuksina, koska molemmille on omat MPPT-järjestelmät. Paneelikenttien koko on myös järkevä, koska paneelien sarjaankytkennässä on otettava huomioon järjestelmän maksimijännite. Järjestelmäjännite ei saa siis ylittää 1000 VDC kovimpien pakkastenkaan aikaan. Paneelien avoimen piirin jännitteen lämpötilariippuvuus on tässä tapauksessa −0,33 %/K ja vastaavasti maksimitehon −0,43 %/K [21]. Paneelien avoimen piirin jännite ja teho kasvavat lämpötilan laskiessa. Talon aurinkopaneelien invertterin nimellistehoksi valittiin 9 kW ja autotallin 7 kW. Autotallin pienemmän invertterin mitoitus on mahdollista, koska paneelikentät on suunnattu eri suuntiin ja niiden tuottama maksiteho on eri aikaan. Invertterien nimellisteho on siis yhteensä 16 kW. Invertterin kokoa on mahdollista suunnitella SMA:n tarjoamalla ilmaistyökalulla, Sunny Design Web [22]. Kuvassa 2.15 on esitetty paneelikenttien kytkennät. Vastaavasti hankkeessa käytettävät paneelit, invertterit ja telineet ovat esitetty kuvassa 2.16. Telineet on mitoitettu telinemyyjän toimesta.

Kuva 2.15.  Paneelikentän kytkennät.

Kuva 2.16.  Hankkeessa rakennettavan aurinkovoimalan osat.

Aurinkovoimalan käytännöntoteutusta on käsitelty laajasti Aurinkosähköä Suomeen -sivustolla [24]. Tässä hankkeessa ei mennä kovin tarkasti käytännön yksityiskohtiin tämän osalta, koska tietoa on saatavilla muualtakin.

Simulointi

Aurinkosähkön tuotantoa on mahdollista simuloida jopa tuntitasolla. Tähän tarkoitukseen sopiva ilmaisohjelmisto on Homer Energy^®, jota on käytetty myös tässä raportissa esitetyissä aurinkosähkön simulaatioissa. Simulaatiot on tehty Lappeenrannan lukujen mukaan, mutta merkittävää eroa näillä ei käytännössä ole Imatraan verrattuna, koska kaupungit ovat noin 40 km päästä toisistaan.

Suomessa aurinkopaneelien tasokulma maksimaalisen vuosituotannon kannalta on varsin jyrkkä, koska aurinko paistaa keskimäärin Suomen leveyspiireillä varsin alhaalta. Paneelien asennuskulmaa ei kuitenkaan kannata mitoittaa tämän kannalta, koska se tuo muita ongelmia asennukseen liittyen. Erot vuosituotannoissa eri asennuskulmien välillä ovat kuitenkin sen verran pieniä, että asennuskulman muuttamisen haitat ovat suuremmat kuin siitä saatavat hyödyt. Täytyy kuitenkin tiedostaa, että esimerkiksi loivemmalla asennuskulmalla päivän tuotantoaika on pidempi kuin vastaavalla jyrkemmällä, ja pilvisellä säällä jyrkempi asennuskulma tuottaa heikommin kuin vastaava loivempi. Suurin kannattavuuteen vaikuttava seikka on kuitenkin se, miten paljon tuotettua sähköä pystyy itse käyttämään. Tämän takia aurinkosähköjärjestelmän asentaminen jopa itään tai länteen voi olla hyödyllistä kotitalouksille, koska niissä sähköä käytetään yleisesti eniten aamu- ja ilta-aikaan. Toisaalta valtakunnan tasolla kulutuspiikki on kuitenkin päiväaikaan. Suurimmat erot vuosituotannoissa tulevat käytännössä muista asioista kuin asennuskulmista, kuten varjostuksista, suuntakulmista, käytännön toteutuksesta ja paneelien laadusta. Kuvassa 2.17 on esitetty vuosituotantopotentiaali eri ilmansuuntiin tasokulman funktiona. Kuvasta 2.17 nähdään, että kaakon ja lounaan välillä maksimaalinen tuotanto saadaan noin 45° tasokulmalla, mutta idässä ja lännessä tasokulman kasvattaminen pudottaa tuotantoa. Maksimaalinen vuosituotantopotentiaali parhaalla taso- ja suuntakulmalla on noin 1000 kWh. On myös huomattava, että aurinkopaneeleja ei suositella asennettavaksi alle 10° asennuskulmaan, koska se tuo ongelmia paneelien puhdistumiselle.

Tuotantoa on myös mahdollista lisätä kääntyvillä ratkaisuilla, jotka seuraavat aurinkoa. Paras vuosituotanto on siis mahdollista saada aikaan kahden akselin suuntaan kääntyvällä järjestelmällä. Tällaiselle järjestelmälle simuloitu maksimaalinen vuosituotanto on noin 1360 kWh, joka on lähes 40 % enemmän kuin parhaalle kiinteälle järjestelmälle. Kääntyvä järjestelmä sisältää kuitenkin mekaniikkaa, jossa on huoltotarve sekä mahdollinen vioittumisriski. Lisäksi tällaisen järjestelmän rakentamiskustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin vastaavan kiinteän asennuksen. Kääntyvän järjestelmän sijasta paneeleja on mahdollista laittaa enemmän ja sijoitella niitä eri ilmansuuntiin. Kuvassa 2.18 on esitetty optimaalisin kulma tuottaa aurinkoenergiaa joka kuukaudelle. Joulu- ja tammikuun pienet tasokulmat johtuvat pilvisestä säätyypistä. Näinä kuukausina aurinko paistaa myös todella matalalta.

Tässä hankkeessa katon kaltevuus on 1:2 eli noin 26°. Kuvassa 2.19 on siten esitetty suuntakulman vaikutus tuotantoon paneelien tasokulman ollessa 26° ja järjestelmän koko 1 kW. Kuvasta 2.19 nähdään, että etelään suunnatuilla paneeleilla vuosituotantopotentiaali on noin 970 kWh, itään suunnatuilla 780 kWh ja länteen suunnatuilla 770 kWh.

Aurinkosähköstä puhuttaessa keskitytään monesti sen kannattavuuteen. Kannattavuutta on mahdollista ajatella eri tavoilla. Järkevintä kannattavuutta olisi tarkastella tuotetun sähkönhinnan kannalta, koska tällöin ei tarvitse ennustaa tulevaisuuden sähkön hintaa, eikä omakäyttöastetta. Tuotetun sähkönhinta on mahdollista laskea, kun tiedetään tarvittavat investointikustannukset. Paneelien vuosituotanto on mahdollista simuloida ja ottaa myös mukaan paneelien tuotannon heikkeneminen vuosien saatossa. Yleisesti valmistajat lupaavat, että paneelit tuottavat 10 vuoden päästä vielä yli 90 % siitä, mitä uutena ja 25 vuoden päästä yli 80 %. Täten on syytä olettaa, että paneelit tulevat kestämään seuraavat 30 vuotta. Invertterit täytyy vaihtaa tänä aikana ainakin kerran. Kuvassa 2.20 on esitetty tämän hankkeen aurinkosähkönhinta sisäisen koron funktiona, kun tuotetulla aurinkosähköllä korvataan suoraan ostosähköä eli kaikki menee omaan käyttöön. Sisäinen korko voidaan ajatella olevan lainan korkoa, investoidun pääoman korkoa tai molempia. Vertailuarvona kuvaan on piirretty yleinen sähkön kuluttajahinta, 14 snt/kWh. Jos lainan koroksi ajatellaan 1,5 %, aurinkosähkön tuotantokustannukset ovat eteläasennuksen osalta 5,5 snt/kWh sekä itä- ja länsiasennuksen osalta noin 6,9 snt/kWh. Vastaavasti sisäinen korko siltä osin, kun kaikki tuotettu sähkö menee omaan käyttöön ja ostosähkön hinta on 14 snt/kWh, on eteläasennuksen osalta 10,1 %, itäasennuksen 7,7 % ja länsiasennuksen 7,6 %. Kustannusoptimaalisin aurinkovoimalan mitoitustapa on ylimitoitus. Tämä johtuu siitä, että verkkoon myydyn sähkön kustannus kilowattituntia kohden on merkittävästi pienempi kuin omaan käyttöön saadun sähkön kilowattitunnin säästön suuruus. Suuremmasta aurinkosähkövoimalasta on mahdollista saada myös heikoimpina tuotantohetkinä enemmän omaan käyttöön.

Tässä hankkeessa aurinkosähköä päätettiin laittaa niin paljon kuin vain kattopinta-alaa hyödyntäen on mahdollista. Tämän takia talon etelälape ja autotallin itä- ja länsilappeet laitettiin täyteen aurinkopaneeleja. Autotalli sijoitettiin tarkoituksella eri suuntaan kuin talo, jotta saataisiin tasaisempi tuotanto läpi päivän. Normaalistihan kotitaloudet tarvitsevat sähköä aamuisin ja iltaisin ja tämänkin takia itä- ja länsisuuntaus on perusteltua. Toinen syy eri ilmansuunnille on myös se, että talossa käytettävä 17 kW:n sähköliittymä (3×25 A) ei antaisi laittaa näin paljoa aurinkopaneeleja yhteen ilmansuuntaan, mutta eri ilmansuuntiin laitettaessa aurinkopaneelien tuotantohuiput ovat eri aikaan ja ongelmaa tämän suhteen ei ole. Aurinkopaneeleja laitetaan yhteensä 20,5 kW; etelään 10 kW, itään 5,25 kW ja länteen 5,25 kW. Tällä asettelulla ja kattokulman ollessa 26° simuloiduksi vuosituotannoksi saadaan 16,5 MWh ja tunnin aikaiseksi huipputehoksi 14,7 kW. Tässä ei ole otettu huomioon joulu-, tammi- ja helmikuun tuotantoja lumen takia. Jos kaikki kuukaudet otettaisiin huomioon, simuloitu vuosituotanto olisi 17,8 MWh. Kuukausi-, päivä- ja tuntikohtainen tuotanto 20,5 kW_p:n aurinkosähkövoimalalla on esitetty kuvassa 2.21.

Kuva 2.21.  Simuloitu 20,5 kW:n aurinkosähkövoimalan tuotanto. Arvioitu vuosituotanto on 16,5 MWh. Joulu-, tammi- ja helmikuu on nollattu lumen takia. Paneelien tasokulma 26° ja invertterin hyötysuhde 97 %.

Valaistus

Valaistuksen kuluttamaa energiamäärää on mahdollista minimoida laadusta tinkimättä. Nykyaikaisilla led-valaisimilla on mahdollista säästää energiaa verrattuna muihin valaisintekniikoihin. Valittavien led-valaisimien tulee olla hyvälaatuisia, pitkäikäisiä ja energiatehokkaita. Myös värilämpötilaan ja värintoisto-ominaisuuksiin on syytä kiinnittää huomiota. Värilämpötilan kasvaessa valon väri muuttuu punaisesta (2000 K) siniseksi (12 000 K). Tässä hankkeessa kaikki valaisimet toteutetaan led-tekniikalla.

Kodinkoneet

Kodinkoneilla on mahdollista säästää energiaa ja veden kulutusta oleellisesti riippuen niiden käyttötarkoituksesta. Kodinkoneisiin on nykyisin merkitty niiden energialuokitus. Energialuokituksessa laitteet jaetaan luokkiin A–G, joista A-luokka on paras ja G-luokka heikoin. Nykyisin on kuitenkin A-luokkaakin parempia luokituksia, joita merkitään A+, A++ ja A+++. Plusmerkkien määrä kertoo luokituksen paremmuuden. Tässä hankkeessa on pyritty valitsemaan laitteet, jotka kuuluisivat laitteistojen kärkipäähän energiankulutuksessa. Kaikkiin kohteisiin ei ole mahdollista valita kolmella plusmerkinnällä varustettua laitetta.

Sähkösuunnittelu

Sähkösuunnittelussa otettiin huomioon muutamia asioita, jotka ovat tärkeitä käytettävyyden kannalta. Yksinkertaistetusti lähtökohtana oli sijoittaa sähkö-, antenni- ja tietoliikennepistorasioita riittävästi, jotta huonekalujen sijoittelu olisi vapaampaa. Ulkoseiniin sijoitettavia rasioita pyrittiin välttämään mahdollisuuksien mukaan, mutta käytettävyyden kärsimättä. Taloon ei rakenneta kotiautomaatiojärjestelmää, koska sekä suunnittelu että toteutus haluttiin pitää mahdollisimman yksinkertaisena. Tekniseen tilaan sijoitetaan mittauskeskus, aurinkoinvertterit, maalämpöpumppu, ilmanvaihtokone ja lämminvesivaraaja, koska teknisessä tilassa liitäntöjen ja putkitusten tekeminen on huomattavasti vapaampaa kuin muissa tiloissa. Tekninen tila on tekninen tila ja siellä kaapelit ja putket voivat olla näkyvillä ja kulkea vapaasti esimerkiksi vaikka kaapelihyllyjä pitkin. Talon ja autotallin välille laitettiin myös tietoliikennekaapeli tulevaisuutta varten. Ylimääräisiä suojaputkia on myös hyvä sijoittaa tekniseen tilaan ja rakennusten välille varmuuden vuoksi, koska ne mahdollistavat kaapelien jälkiasennuksen ilman kaivutöitä.

• Share on Facebook.
• Share on Twitter.
• Share on Google+
• Share on LinkedIn