Akude valik

Parameetrid, mis tuleb jälgida

Kui alustate akude valimisega päikesepaneelide jaoks, siis leiate palju akude iseloomustavaid tehnilisi parameetreid. Kõikide parameetrite seas võib eristada järgmised, mis on kõige olulisemad:

• võimsus ja mahutavus,
• tühjendussügavus (DoD ehk Depth of discharge),
• laadimise kasutegur (Round-trip efficiency),
• maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv (Cycle Life),
• energiatihedus (energy density),
• isetühjenemise kiirus (self-discharge rate).

Aku mahutavus ja võimsus

Aku mahutavus näitab, kui palju energiat saab aku salvestada. See väärtus on tavaliselt esitatud kilovatt-tundides (kWh). Eluhoonetes akud tihti paigaldatakse eraldi moodulitena, mis saavad vajadusel olla paigaldatud üksteise peal. See teeb päikesepaneelide ja salvestussüsteemi mahutavuse laiendamist lihtsamaks.

Teisisõnu, mahutavus on aku suurus. Tuleb pöörata tähelepanu ka sellele, et mahutavus ei näita, kui palju võimsust saab akust hetkel välja võtta ja tarbida. Aku mahutavus on kogu energia hulk, mis on võimalik salvestada akus, kuid võimsus on energia, mis on võimalik tarbida ühe ajavahemiku jooksul, ehk mahutavus = võimsus * aeg. Võimsus tavaliselt on esitatud kW-des.

Näiteks kõrge võimsuse ja madala mahutavusega akud saavad väikese ajaperioodi jooksul toita suur hulk seadmeid. Samas madala võimsuse ja kõrge mahutavusega akud on võimelised toita väike hulk seadmeid pika ajaperioodi jooksul, kuid ei saa toita suur hulk seadmeid.

Aku tühjendamisssügavus (DoD)

Enamik akusid tuleb hoida laetud teatud tasemel kogu aeg. Täielik tühjendamine kahjstab aku ning vähendab oluliselt aku eluiga.

DoD näitab, kui palju energiat protsentides on võetud akust tema kogu mahutavusest. Paljud akude tootjad näitavad oma toodete tootelehtedel maksimaalset lubatud tühjendamissügavust. Näiteks, akust mahutavuse 10 kWA ja lubatud tühjendamissügavusega 90% saab kasutada kuni 9 kWA energiat enne, kui see tuleb uuesti laadida. Mida suurem on lubatud DoD, seda rohkem energiat saab akust võtta, enne kui tuleb see uuesti laadida.

Aku laadimise kasutegur (Round-trip efficiency)

Täiendavalt tuleb arvestada ka aku laadimise kasuteguriga. Laadimise kasutegur näitab kui palju energiat kulutatakse, et salvestada akusse teatud hulk energiat. Näiteks, kui aku laadimise kasutegur on 80% ja aku laadimiseks oli kulutatud 10 kWh energiat, siis uuesti akust võtta on võimalik ainult 8 kWh energiat (10 kWh* 80%/ 100). Ehk, et salvestada akusse 8 kWh energiat, protsessis kulutatakse täiendavalt 2 kWh energiat ja kogu energiakulu on 10 kWh.

Aku maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv

Aku maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv viitab sellele, mitu korda on võimalik aku täielikult laadida ja tühjendada enne, kui aku mahutavus oluliselt väheneb. See on oluline tegur, mida tuleb arvestada aku ostmisel, kuna see mõjutab seadme üldist eluiga ja töökindlust. Näiteks Li-ion akul maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv võib olla kuni 2000, kuid plii-happe akul see on umbes 500 tsüklit.

Aku energiatihedus

Energiatihedus näitab, kui palju energiat aku võib salvestada kaalu- või ruumalaühiku kohta. See parameeter on tavaliselt esitatud kWh/kg (kilovatt-tundi kilogrammi kohta) või kWh/m³ (kilovatt-tundi kuupmeetri kohta) ühikutes. Mida suurem antud parameeter, seda rohkem energiat saab salvestada sama suurusega aku.

Aku isetühjenemise kiirus

Kui aku ei kasutata, siis ta ikkagi aeglaselt kaotab oma salvestatud energiat. Aku isetühjenemise kiirus näitab, kui palju aku kaotab energiat, kui see ei ole kasutusel. Tavaliselt antud parameeter esitatakse protsentides aku mahutavusest (nt. 2% kuus).

Akude tüübid

Akude tüübid, mis kõige rohkem kasutatakse koos päikesepaneelidega on liitiumioon- (li-ion), plii-happe (lead-acid), AGM (Absorbed Glass Mat), geel- või soolavee akud. Tänapäeval kõige levinumad nendest on liitiumioon- või AGM akud.

Liitiumioonaku (li-ion)

Eelised:

• Kõrge energiatihedus. Antud tüübi akud võtavad vähem ruumi, kui teiste tüüpide akud. Näiteks liitiumioonaku võib võtta 2 kuni 5 korda vähem ruumi, kui sama mahutavusega plii-happe aku.
• Suur maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv, ehk pikk eluiga. Kuni neli korda rohkem, kui plii-happe akul.
• Väike isetühjenemise kiirus. Ligikaudselt 2- 5% kuu kohta.

Puudused:

• Kõrge hind. Kuni 5 korda kallimad, kui plii-happe aku.
• Võivad olla plahvatus- või põlemisohtlikud kui need vigastatakse, lühistatakse või ülelaaditakse. Seega antud tüübi akud vajavad hoolikalt läbimõeldud paigaldamist ning kaitsmist.
• Temperatuuritundlikud. Ei talu hästi kõrgeid temperatuure. Kui liitiumioonakud on paigaldatud ruumis kõrge temperatuuriga, siis see vähendab nende eluiga. Lubatud ümbritsev temperatuur liitiumioonakude jaoks on -20 kuni 60 °C, kuid optimaalne ümbritsev temperatuur nende jaoks on 15 kuni 35 °C. Kui ümbritsev temperatuur on rohkem, kui 35 °C, siis see juba hakkab negatiivselt mõjutama antud tüübi akude eluiga.

Üleujutatud plii-happe (flooded lead-acid) akud

Eelised:

• Odav hind. Kõige odavam akude tüüp turul.
• Võivad kiiresti anda palju võimsust, mis ei kahjusta neid. Seega hästi sobivad seal, kui tihti lülitakse sisse/ välja suure elektritarbimisega seaded.

Puudused:

• Vajavad regulaarset hooldust. Soovitatakse teha akude ülevaatust ning täita neid destilleeritud veega iga 2- 4 nädala järel.
• Madal energiatihedus. See tähendab seda, et nad võtavad üsna palju ruumi.
• Peavad olema paigaldatud väga hästi ventileeritavasse ruumisse kuna vähesel määral eraldavad vesinikku.
• On oht, et mõnel akul tekkib kiire termiline väljalase (thermal runaway), mis on tuleohtlik. See juhtub väga harva ning selle põhjuseks võivad olla aku kukkumine, vale kasutamine (Üle 100 protsendi laadimine, tühjendamine alla lubatud piiri) või praak. Kui märgatakse, et aku on kuum, siis soovitavalt asendada rikutud aku võimalikult kiiremini.

AGM akud

Eelised:

• Ei vaja hooldust. Vajab ainult aeg-ajalt ülevaatust.
• Väikese isetühjenemise kiirusega. Ehk säilitavad kaua energiat, kui ei ole kasutusel. Selle omaduse pärast antud tüübi akud väga hästi sobivad päikesepaneelide süsteemide jaoks, mis ei kasutata igapäevaselt.
• Peaaegu ei eralda vesinikku, ehk ei vaja nii tõhusat ventilatsiooni nagu plii-happe akud.
• Ei ole mürgised. Lihtsam utiliseerida.
• Odavamad, kui liitiumioonakud, kuid kallimad, kui plii-happe akud.
• Taluvad liikumist ning lööke.
• Saavad olla täislaetud kiiremini, kui teised akude tüübid.
• Vajadusel saavad anda energiat kõrge tühjendamissügavusega.
• Ei ole väga tundlikud pinge suhtes, millega laaditakse. Saavad olla laaditud pingega, mis on vähem kui nende jaoks ettenähtud normaalne (nimi)pinge.

Puudused:

• Vähem eluiga, kui Li-ion akudel.
• Vähem energiatihedus, kui Li-ion akudel.
• Kallimad, kui üleujutatud plii-happe akud.

Geelakud

Eelised:

• Ei vaja hooldust. Vajab ainult aeg-ajalt ülevaatust.
• Taluvad liikumist ning lööke.
• Ei lekki. Isegi, kui nende korpus/ ümbris on vigastatud.
• Vastupidavad ekstreemsetele temperatuuridele ja ilmastikuoludele (nt. suurele kõrgusele merepinnast).
• Ei kahjustu, kui nad on külili.

Puudused:

• Kallimad, kui AGM akud sarnaste omadustega.
• Lihtsasti kahjustatavad elektriliselt.
• Tundlikud pinge suhtes, millega laaditakse.
• Väikese energiatihedusega, ehk võtavad palju ruumi.

Soolavee akud

Eelised:

• Ei vaja hooldust. Vajab ainult aeg-ajalt ülevaatust.
• Ei ole mürgised ega tuleohtlikud.
• Suur maksimaalne laadimis-tühjendustsüklite arv, ehk pikk eluiga. Võib olla isegi rohkem, kui li-ion akudel. Taluvad ~5000 laadimis-tühjendustsükle.
• Lihtsalt utiliseerida, kuna ei sisalda ohtlikke aineid.

Puudused:

• Ei saa anda palju võimsust lühikese aja jooksul.
• Väikese energiatihedusega, ehk võtavad nt. rohkem ruumi, kui li-ion akud.
• Kõrge hind. Kallimad, kui li-ion akud.
• Veel ei ole nii levinud elamute päikesepaneelide süsteemide jaoks, kuid nende populaarsus hetkel kasvab seoses sellega, et nad on palju ohutum kui li-ion akud ning ei vaja hooldust.

Päikesepaneelide valik

STC (Standard Test Conditions)

Turul on saadaval erinevate suurustega ning erinevaid tehnoloogiaid kasutatavad päikesepaneelid. Selleks, et neid oleks võimalik adekvaatselt võrrelda, on välja töötatud rahvusvahelised standardid, mille järgi päikesepaneelid katsetatakse ning koostatakse nende spetsifikatsioonid. Standardites on kirjeldatud standardsed (ideaalsed) katsetingimused (inglise keeles- standard test conditions), millistes paneelid peavad olema katsetatud. See tähendab, et päikesepaneelide spetsifikatsioonides toodud elektrilised karakteristikud näitavad seda, kui hästi antud paneelid töötavad ning genereerivad elektrienergiat standardsetes tingimustes. Niimoodi erinevate tootjate või tüüpide paneelide parameetrid on lihtne võrrelda. Reaalsuses päikesepaneelide paigalduskoha tingimused mõnel määral alati erinevad katsetingimustest ning seda tuleb ka kindlasti võtta arvesse päikesepaneelide valikul. Põhilised parameetrid päikesepaneelide standardsete katsetingimuste jaoks on järgmised:

• Päikesekiirgus: 1000W/m²
• Atmosfääri optiline mass (air mass) AM: 1.5
• Päikesepaneeli ühe elemendi sisemine temperatuur: 25 °C

Päikesekiirgus

Päikesekiirgus antud juhul näitab, kui palju päikeseenergiat on kättesaadav antud spetsiifilisel kohal, et muunda selle fotoelektrilise protsessi abil elektrienergiaks. 1000W/m² vastab pilvitu ilmale ning atmosfääri optilisele massile AM= 1.5.

Atmosfääri optiline mass (AM)

Atmosfääri optiline mass näitab kui palju suuremat atmosfääri paksust päikesekiirgus peab läbima kuni jõuab maapinnani võrreldes sellega, kui päike oleks seniidis. Teiste sõnadega võib seletada, et antud parameeter näitab mitu korda suurem mingisuguse nurga all asuva atmosfäärisamba mass, võrreldes seniidisuunalise atmosfäärisambaga (vt. joonis allpool). Näiteks ekvaatoril AM on ligikaudselt 1, kuid Euroopas see on ligikaudselt 1.5.

Päikesepaneeli ühe elemendi sisemine temperatuur

Päikesepaneeli ühe elemendi sisemine temperatuur ajal, kui päikesepaneel töötab normaalses režiimis (muundab valgust elektrienergiaks).

NOCT (Nominal Operating Cell Temperature)

Üldiselt NOCT näitab, kui palju kuumeneb päikesepaneeli üksikelement välistingimustes, mis on sarnased reaalsetele õue paigaldustingimustele. Need tingimused on järgmised:

• Päikesekiirgus: 800W/m²
• Atmosfääri optiline mass (air mass) AM: 1.5
• Õhu temperatuur: 20 °C
• Tuulekiirus: 1 m/s
• Paneeli kalle: 45°

Päikesepaneelide katsetamises tootjad kasutavad NOCT tingimusi selle jaoks, et hinnata, kui palju paneelid kuumenevad. Tihti aga antud katsetingimused kasutatakse ka selle jaoks, et näidata, kuidas üldiselt paneelid töötavad reaalses elus. Seega päikesepaneelide spetsifikatsioonidest tihti (kuid ei ole alati) on võimalik leida ka paneelide karakteristikud, mis on saadud NOCT tingimustes. Tuleb juhtida tähelepanu, et üks peamine erinevus NOCT ning STC katsetingimuste vahel on see, et STC katsetingimuste puhul standardis on kindlaks määratud päikesepaneeli üksikelemendi sisemine temperatuur mille juures mõõdetakse päikesepaneli parameetrid. Kuid NOCT katsetingimuste puhul standardis on kindlaks määratud ümbritseva keskkonna temperatuur ning mõõdetud NOCT ise näitab kui kuumaks muutub paneelielement määratud ümbitseva keskkonna temperatuuri puhul. STC ja NOCT puhul võetakse arvesse ka teised ümritseva keskkonna parameetrid, mis on kirjeldatud ülalpool ja on erinevad STC ja NOCT puhul.

Mono- ja polükristallilised päikesepaneelid.

Päikesepaneelid tavaliselt koosnevad eraldi elementidest, mis on ühendatud omavahel jadamisi. Kõige levinumad paneelid koosnevad kas 60 või 72 elemendist. Iga päikesepaneeli üksikelement genereerib võimsust ning kogu päikesepaneeli võimsus on üksikelementide võimsuste summa. Enamikute müügis olevate päikesepaneelide üksikelemendid on tehtud silikoonist. Mono- ja polükristalliliste päikesepaneelide vahe on selles, et monokristallilisel paneelil üksikelement koosneb ühest monoliitsest silikoonkristallist, kuid polükristallilise paneeli üksikelement koosneb mitmetest silikooni tükkidest. Üldiselt polükristallilised paneelid on odavam, kuid monokristallilistel paneelidel on suurem efektiivsus ning sama võimsusega monokristalliline paneel võtab vähem ruumi, kui polükristalliline.

Monokristallilised päikesepaneelid

• Musta värviga
• 15-25 % efektiivsusega, ehk sama võimsusega paneel võtab vähem ruumi
• 1 kWp* võtab ruumi 5-6 m²
• Eluiga: ligikaudselt 25 aastat
• Kallimad, kui polükristallilised päikesepaneelid

Polükristallilised päikesepaneelid

• Karakteerse sinise värviga
• 12-20 % efektiivsusega, ehk sama võimsusega paneel võtab rohkem ruumi
• 1 kWp* võtab ruumi 6-7 m²
• Eluiga: ligikaudselt 25 aastat
• Odavamad, kui monokristallilised päikesepaneelid

* kWp on kilowatt peak, ehk kui palju võimsust päikesepaneel genereerib STC tingimustes.

Varjude mõju päikesepaneelide tootlikkusele

Nagu oli mainitud enne, päikesepaneelid koosnevad üksikelementidest (rakkudest), mis on ühendatud omavahel jadamisi. Vaatleme päikesepaneeli üksiku elemendi. Kui elemendi peale ei lange valgus, siis ta on tasakaalustatud seisundis ja ei juhi elektrit. Kui päikesepaneelide elemendile sattub valgus siis antud element muutub väikeseks akuks positiivse ja negatiivse elektroodidega. Kuna päikesepaneeli elemendid on ühendatud jadamisi, siis kui näiteks ainult üks element on täielikult varjatud valgusest, siis see katkestab kogu ahelat ning päikesepaneeli poolt genereeritav võimsus muutub nulliks. Sellel põhjuseks on väga oluline jälgida, et töös olevate päikesepaneelide peale ei langeks varjud ning nad oleksid puhtad.

Kui varjude langemine paneelidele on vältimatu, siis tuleb jälgida, et paneelides oleks sisseehitatud möödaviigu dioodid. Möödaviigu dioodid on ühendatud paneelis niimoodi, et jagada selle osadeks. Kui juhtub, et paneeli ühe osa juhtivus langeb, siis elekter hakkab liikuma mööda dioodi. Sellisel juhul päikesepaneeli teised osad jäävad töösse ning paneeli poolt genereeritav võimsus ei lange nii märkimisväärselt. Normaaltingimustes möödaviigu dioodi kaudu vool ei lähe.

Inverteri ning akulaadija valik.

Inverteri võimsus

• Esialgu tuleb kindlaks teha, mis on toidetava elektrisüsteemi tipptarbimine, ehk maksimaalne hetkeline tarbitav võimsus.
• Edasi tuleb võtta arvesse inverteri kasuteguri, mis saab leida inverteri andmelehelt/ spetsifikatsioonist. Näiteks, kui kasutegur on 90% siis elektrisüsteemi maksimaalne tarbimine peab olema jagatud 0.9-ga.
• Valitud inverteri nimivõimsus peab olema võrdne või natuke suurem, kui eelmises punktis saadud väärtus.
• Täiendavalt oleks vaja kaalutleda, kui tõenäoline, et päikesepaneelide süsteem tulevikus laiendatakse ning arvestada sellega.
• Kodutarbimise katteks Eestis tavaliselt lubatakse paigaldada maksimaalselt 15 kW päikesepargi. See tähendab, et päikesepargi inverter peab olema nimivõimsusega mitte rohkem, kui 15 kW. Seejuures paigaldatud päikesepaneelide koguvõimsus võib olla natuke rohkem, kui 15 kW.

Inverteri sisendpinge (VDC)

Inverteri andmelehe parameetritest võib leida lubatud pingevahemiku päikesepaneelide ahela jaoks. Päikesepaneelide ahela pinge peab jääma antud vahemiku piiridesse. Selleks, et vältida võimsuse kadu ning kasutada inverteri võimalikult efektiivsemalt, päikesepaneelide ahela maksimaalne pinge peaks olema võimalikult lähedal inverteri parameetrites toodud pingevahemiku ülempiirile.

Päikesepaneelide ahela pinge ülemise piiri leidmine

Selleks, et leida ühe päikesepaneeli pinge ülempiiri me peame kasutama järgmisi parameetreid, mis on võimalik leida paneeli andmelehest:

• V_oc (open circuit voltage)- Päikesepaneeli poolt genereeritav maksimaalne pinge avatud vooluahela puhul (kui paneelil ei ole koormust/ tarbimist).
• Temperatuuri koefitsient V_oc jaoks (%/ ℃)- Näitab kuidas muutub pinge sõltuvalt ümbritseva temperatuuri muutmisest.

Ümbritseva temperatuuri languse puhul päikesepaneeli pinge kasvab. Seega esialgu peame kindlaks määrama, mis võib olla perspektiivne minimaalne ümbritsev temperatuur päikesepaneeli paigalduskoha jaoks. Näiteks Eesti puhul võime võtta -30 (℃). Edasi on vaja leida kui palju see temperatuur erineb STC tingimustest. STC tingimuste järgi standardne ümbritsev temperatuur on 25 (℃) ning erinevus on -30- 25= -55 (℃). Oletame, et temperatuuri koefitsient on -0.3 (%/ ℃). Leiame, kui palju muutub V_oc minimaalse temperatuuri puhul: -0,3* -55= 16.5 (%). Nüüd saame leida maksimaalse pinge minimaalse temperatuuri puhul. Oletame, et päikesepaneeli V_oc on 20 (V), siis maksimaalne pinge -30 (℃) puhul on 20 (V) * 116.5 (%) / 100 = 23.3 (V).

Selleks, et kasutada inverterit nii efektiivsemalt, kui võimalik, maksimaalne pinge minimaalse ümbritseva temperatuuri puhul peab olema võimalikult lähedal inverteri pingevahemiku ülempiirile, kuid ei ületa antud piiri. Kui mingil hetkel päikesepaneelide ahela pinge ületab inverteri andmelehel määratud ülempiiri, siis inverteri automaatika võib katkestada ahela ning päikesepaneelide poolt genereeritavat võimsus rohkem ei ole võimalik tarbida. Kui automaatika aga sellisel juhul ei katkesta ahelat, siis inverter saab olla rikutud ja vajab asendamist.

Päikesepaneelide ahela pinge alumine piir

Alumine piir määratakse V_mp (maximum power voltage) parameetriga. Antud parameeter näitab pinget, mille puhul päikesepaneeli poolt genereeritav võimsus on maksimaalne. Anutud parameeter peab olema suurem, kui inverteri andmelehel määratud päikesepaneelide ahela pingevahemiku alampiir.

Päikesepaneelide jada- ning rööpühendus

Päikesepaneelide jadaühendus

Kui päikesepaneelid ühendatakse jadamisi, siis kogu ahela pinge on üksikpaneelide pingete summa.

Päikesepaneelide rööpühendus

Kui päikesepaneelid ühendatakse paralleelselt, siis kogu ahela pinge võrdub üksikpaneeli pingele. Pinge asemel summeeritakse vool.

Päikesepaneelide kombineeritud ühendus.

Võib kombineerida nii jada- kui rööpühendused. Sellisel juhul kehtivad samad reeglid, mis on toodud ülalpool. Allpool joonisel on toodud päikesepaneelide kombineeritud jada- ning rööpühenduse näidis.