Kattolaboratorio: Tarkennusta aurinkopaneelien suuntaamiseen ja kallistuksiin pohjoisessa
Pohjoisissa olosuhteissa aurinkoenergian tuotantoon vaikuttavat huomattavasti vuodenajat, Auringon korkeus, maantieteellinen sijainti, lämpötila ja lumen määrä. Vaikutuksia tarkasteltiin katolle eri suuntiin ja kaltevuuksiin asennetuilla aurinkopaneeleilla. Mittaukset aurinkoenergian tuotannosta otettiin 15 minuutin välein, ja dataa kerättiin yli kahden vuoden ajan, elokuusta 2021 lähtien osana Vinay Shekarin väitöstyön tutkimusaineistoa.
Aurinkoenergian tuotantoa pohjoisilla leveysasteilla on mitattu suhteellisen vähän verrattuna lauhkeisiin alueisiin. Viime vuosina tutkimus on kuitenkin lisääntynyt, ja siinä on keskitytty muun muassa lumesta johtuviin energiahäviöihin, suorituskykyyn kylmässä ilmastossa ja taloudelliseen kannattavuuteen. Oulu sijaitsee noin 65. pohjoisella leveyspiirillä.
”Mittaustuloksista selviää riippumatonta tietoa aurinkoenergian hyödyntämisen optimoimiseksi pohjoisilla alueilla. Tuloksia voidaan käyttää myös esimerkiksi kaavoituksen ja rakentamisen suunnittelussa”, sanoo Oulun yliopiston professori Eva Pongracz. Hän muistuttaa, että myös EU haluaa Euroopan kattojen valtavan aurinkoenergiapotentiaalin käyttöön. EU:n aurinkoenergiastrategian mukaan kattoaurinkosähköjärjestelmien asennus tulee pakolliseksi vuodesta 2026 uusissa yli 250 neliömetrin julkisissa ja kaupallisissa rakennuksissa, ja lopulta myös kaikissa uusissa asuinrakennuksissa.
Parhaat suuntaukset ovat kaakkoon ja etelään, toiseksi paras on itä, ja paras kallistus on 28°:n kulmassa
Kaikki kattolaboratorion 40 aurinkopaneelia ovat monokiteisiä piipaneeleja, joista 12 paneelia on katolla 23°–46°:n kallistuskulmassa ja 12 paneelia seinällä pystysuorassa eli 90°:n kulmassa, kaikki etelään suunnattuja. Tällä järjestelmällä tutkitaan kallistuskulman vaikutuksia. Karuselli-järjestelmässä on 16 paneelia: kahdeksan paneelia oli 40°:n kallistuksessa ja kahdeksan pystysuorassa. Sekä kallistetut että pystysuorat paneelit on suunnattu kaikkiin kahdeksaan pää- ja väli-ilmansuuntaan. Tällä järjestelmällä tutkitaan Auringon suunnan vaikutusta tuotantoon. Vastaavaa paneelien karusellia ei ole tutkimuskäytössä missään muualla.
”Mittausdatamme pohjalta voidaan todeta, että kun koko vuoden tuottoa halutaan maksimoida, aurinkopaneelit kannattaa asentaa katolle kaakkoon tai etelään. Toiseksi paras on idän suunta Auringon radan ansiosta, ja kolmanneksi paras on lounaan suunta”, toteaa Shekar. Suosituksensa tutkijat pohjaavat vuotuiseen kokonaistarkasteluun.
”Aiemman tutkimuksemme pohjalta suosituksemme on myös, että paneelit kannattaa asettaa matalaan 28°:n kulmaan perinteisen, 43–48°:n kulman sijasta”, vakuuttaa väitöskirjatutkija Shekar. 28°:n kulma vähentää varjostusta ja optimoi vuosittaista tuottoa hieman, eli 3 prosenttia verrattuna 45 asteen kulmaa.
Keväthangen kimmeltäessä monia kiinnostaa lumesta heijastuvan auringonvalon vaikutus aurinkopaneeleihin. ”Heijastumisessa todellakin on energiapotentiaalia, jota kannattaa tutkia enemmän”, Shekar vahvistaa. “Maalis-huhtikuussa lumisen kevään aikana pystysuorat, etelään suunnatut seinäpaneelit pystyivät tuottamaan yhtä paljon energiaa kuin 28°:n kulmaan kallistetut paneelit kesä-heinäkuussa, vaikka päivänvaloajat ovat lyhyemmät.”
Mutta koko vuoden ajan etelään suunnatut 28°:n kulmaan kallistetut kattopaneelit tuottivat 20 prosenttia enemmän energiaa kuin 90°:n kulman seinäpaneelit. Kesän pitkät päivät tuottivat myös piikkejä energiantuotantoon. Touko-heinäkuussa paneelit tuottivat lähes kaksi kolmasosa koko vuoden tuotannostaan.
”Keskittyminen matalalle kesän tuotantoa optimoivalle kallistetukseen on kuitenkin todennäköisesti paras ratkaisu vuoden kokonaistuotannon näkökulmasta. Emme myöskään suosittele hybridiasennustapaa, jossa osa paneeleista asennetaan eri suuntiin”, Pongracz summaa.
Aurinkopaneelien mittausdata on julkaistu, ja parhaillaan uusimmat tulokset ovat tieteellisessä vertaisarvioinnissa niiden vahvistamiseksi. ”Tulokset osoittavat, mitkä ovat taloudellisesti edullisimmat ja mitkä ovat epäoptimaaliset paneelien suuntaukset pohjoisissa olosuhteissa. Tämä antaa tärkeää tietoa EU:n velvoitteen mukaiseen kustannustehokkaaseen aurinkosähkön käyttöönottoon”, Shekar kertoo.
Lue aiempi tutkimus: Kokemuksia arktisen alueen kausittaisesta aurinkosähkötuotannosta
Vesi-, energia- ja ympäristötekniikan tutkimus Oulun yliopistossa