Aurinkoenergiatuotannon ennustushaasteet

Ilmatieteen laitoksella on viime aikoina työstetty aurinkoenergian tuotantoennusteen ensimmäistä kokeiluversiota, jota päästiin ensi kerran testaamaan aurinkoisena tiistaina ja pilvisempänä keskiviikkona helmikuussa.

 

Aurinko- ja tuulienergian tuotanto ovat vahvasti sääolosuhteista riippuvaisia. BCDC Energia -tutkimushankkeen yhtenä päätavoitteena on hyödyntää sääennusteista jalostettuja energiantuotantoennusteita älykkäissä energiaratkaisuissa ja energiakaupassa. Sääennusteiden muuttaminen tuuli- ja aurinkoenergiaennusteiksi on yksi olennainen askel kohti säätiedon laajempaa hyödyntämistä yhteiskunnan toiminnoissa.

Aurinkoenergian tuotantoennuste rakentuu monivaiheisesta prosessista, koostuen useista eri laskentavaiheista, ympäristötekijöistä ja niistä muodostuvista epävarmuuksista. Energiantuotantoennusteen selkärankana toimii luotettava ja operatiivinen numeerinen sääennustusmalli. Säämalli tarjoaa kaikki energiantuotantoennusteeseen tarvittavat ympäristömuuttujat jäljittelemällä auringonsäteilyn lämmittämän ilmakehän ja ilmakehän kanssa vuorovaikutuksessa olevan maanpinnan todellisia olosuhteita parasta käytettävissä olevaa tiedettä hyödyntäen, ja teknologisten laskentaresurssien reunaehtojen asettamissa rajoissa toimien.

Tarkan sääennusteen perusedellytyksenä toimii hyvän mallifysiikan lisäksi tarkka tieto järjestelmän alkutilasta. Tämä tarkoittaa kattavia ja laadukkaita säähavaintoja, jotka koostuvat maan- ja merenpintahavaintojen lisäksi mm. tutka- ja satelliittidatasta, sekä ilmakehäluotauksista ja lentokone- ja laivahavainnoista. Itse sääennustusmallin laskentatilavuus jakautuu ilmakehästä ja maan pintakerroksista koostuvaan kolmiulotteiseen hilapisteikköön. Jokaiseen hilapisteeseen määritetään mallin alkutila-arvot, jonka jälkeen vuorovaikutteista mallia ajetaan lyhyin aika-askelin ajassa eteenpäin mallifysiikan lainalaisuuksia noudattaen. Lopputuloksena syntyy ennuste tulevien ajanhetkien sääolosuhteille (säämalleista tarkemmin linkin avulla).

 

Aurinkoenergian tuotantoennusteen ja toteutuneen tuotannon vertailu

Itse aurinkoenergian tuotannon arvioimiseksi on vuosien saatossa luotu useita erilaisia menetelmiä, vaihdellen tehtyjen lähtöoletusten ja työkalujen käytettävyyden suhteen. Ilmatieteen laitoksella on viime aikoina työstetty aurinkoenergian tuotantoennusteen ensimmäistä kokeiluversiota, jota päästiin ensi kerran testaamaan aurinkoisena tiistaina 16. helmikuuta. Päävertailukohteeksi otettiin useiden paneeliasennusten lumikertymästä johtuen Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LUT) etelänsuuntainen vertikaaliseinäasennus (18,36 kW, tuotantolukemat). Myös Ilmatieteen laitoksen Kumpulan kattoasennus (21,0 kW) otettiin mukaan vertailuun huolimatta siitä, että sen paneelipinnoille kertynyt lumipeite heikensi suoraa vertailukelpoisuutta ideaalitilannetta kuvaaviin mallituloksiin (kuva 1).

Kumpulan aurinkopaneelikentät tiistaina 16.2.2016 klo 11:25

Kuva 1. Kumpulan aurinkopaneelikentät tiistaina 16.2.2016 klo 11:25

Kohteisiin laskettiin tuotantoennusteet tiistaille sekä keskiviikolle 16.–17. helmikuuta HIRLAM-mallin edellisinä päivinä klo 12 UTC (Coordinated Universal Time) tehtyjä ajoja hyödyntäen. Ennuste antoi paneelikenttien tuntikohtaiset tuotantoarviot, joita verrattiin toteutuneeseen minuuttikohtaiseen tuotantoon (Kumpulan havainnot viiden minuutin välein), sekä vuorokauden yli laskettuun kumulatiiviseen tuotantoon (kuva 2). Kumpulan tuloksissa näkyy molempien päivien osalta selvästi lumipeitteen aikaansaama vaimennus energiantuotantolukemiin. Huomionarvoista on myös se, että kahdesta 10,5 kW paneelikentästä koostuvan Kumpulan tuotantokentän huipputuotanto erosi tuohon aikaan voimakkaasti näiden kahden eri paneelikokonaisuuden kesken (0,29 vs. 1,74 kW tiistaina ja 0,46 vs. 2,37 kW keskiviikkona). Tämänkaltaisen asennuksen osalta voidaankin todeta, että yksittäisen paneelirivistön tuotantoteho toteutuu aina jossain määrin sen heikoimmin tuottavan paneelin mukaisesti.

 

Rohkaisevia tuloksia sekä odotettuja haasteita

LUT:n osalta päästään tiistain ennusteen tuotantohuipun (15,35 kW) kohdalla varsin hyvään tulokseen (toteutunut huipputuotanto oli noin 15,07 kW), mutta ennusteen kertymä on toteutumaa laveampi, energiantuotannon kasvaessa ennusteen osalta nopeammin heti klo 8 jälkeen ja laskiessa myöhemmin, vasta noin klo 18 mennessä. Tämä johtaakin siihen, että vuorokausikertymän ero ennusteen ja toteutuneen välillä on huomattava: 96,16 kWh (ennuste) vs. 65,35 kWh (toteuma). Tähän vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa auringon matalien korkeuskulmien aiheuttavat katveet. Katvealueilla onkin suuri vaikutus aurinkoenergiaennusteisiin, ja se on tekijä joka tulee myöhempien kehitysvaiheiden osalta ottaa laskelmissa huomioon. Kunkin aurinkoenergiatuotantolaitoksen katvealueiden vaikutukseen voidaan päästä käsiksi vertaamalla kunkin kohteen lukuisia ennusteita ja toteutuneita tuotantomääriä toisiinsa.

Keskiviikon osalta kyseessä oli tiistaita pilvisempi päivä, erityisesti Lappeenrannassa. Tämä näkyy myös voimakkaasti vaihtelevissa toteutuneissa tuotannoissa, joissa vuorokausikertymien normaalijakauman tyyppistä kertymää ei havaita, varsinkaan Lappeenrannan osalta. LUT:ssa ennustettu (15,25 kW) ja toteutunut (16,43 kW) huipputuotantoero on silti samassa suuruusluokassa tiistain kanssa, vaikka vuorokausikumulaatioennuste (87,09 kWh) eroaakin tuotannosta (25,20 kWh) huomattavasti tiistaita enemmän. Aurinkoenergiaennusteen pilvisyystietoja tullaankin tulevaisuudessa tarkentamaan käyttämällä seuraavan sukupolven säämallia (HARMONIE), joka on erottelukyvyltään HIRLAM-mallia tarkempi. Lisäksi HARMONIE-mallin avulla on tarkoitus kuvata myös ennusteen epävarmuutta.

Kuva 2: Aurinkoenergian tuotantoennuste (vaaleat värit) sekä toteutunut tuotanto (tummat värit) Kumpulaan (Dynamicum) sekä Lappeenrantaan (LUT). Ylärivissä tiistain 16.2. hetkellinen (vasemmalla) sekä kumuloitunut (oikealla) energiantuotanto, alarivissä vastaava keskiviikolle 17.2.

Kuva 2: Aurinkoenergian tuotantoennuste (vaaleat värit) sekä toteutunut tuotanto (tummat värit) Kumpulaan (Dynamicum) sekä Lappeenrantaan (LUT). Ylärivissä tiistain 16.2. hetkellinen (vasemmalla) sekä kumuloitunut (oikealla) energiantuotanto, alarivissä vastaava keskiviikolle 17.2.

 

Aurinkoenergian tuotantolaskelma pähkinänkuoressa

Tärkeimmät aurinkoenergian tuotantoon vaikuttavat tekijät liittyvät ilmakehän vaimentaviin vaikutuksiin, tarkemmin ottaen pilvipeitteen ja ilmakehän aerosolien määrään sekä ilmakehän kosteussisältöön, jotka kaikki vaikuttavat maanpinnalle saapuvan auringonsäteilyn määrään ja spektriin (kuva 3). Talviaikoina myös lumiheijastuksilla voi olla vaikutusta. Auringon korkeuskulma, toisin sanoen vuoden- ja vuorokaudenaika, määrittää matkan, jonka auringonsäteily kulkee vaimennusta aiheuttavassa ilmakehässä. Jotta itse paneelipinnalle saapuva auringonsäteilyn osuus voidaan määrittää, tulee tietää paneelin rintamasuunta ja kaltevuus. Näitä tietoja hyödyntämällä pystytään muuttamaan säämallista saatava vaakasuoralle pinnalle saapuva auringonsäteilyn määrä paneelikentän orientaatiota vastaavaksi. Käytännön tasolla on hyvä tiedostaa myös mahdolliset katvealueet.

Kun säteilymäärä paneelipinnalle on laskettu, lasketaan millä tehokkuudella järjestelmä muuntaa vastaanotetun säteilyn energiaksi. Tähän vaikuttaa mm. valitun paneeliteknologian hyötysuhde, joka on paneelin teknisistä ominaisuuksista, paneelin käyttöiästä, ja paneelin kennojen vallitsevasta lämpötilasta riippuvainen. Paneelin kennojen lämpötila on mm. saapuvasta auringonsäteilyn määrästä, tuulennopeudesta, paneelin asennustavasta ja ympäröivän ilman lämpötilasta riippuvainen, jotka kaikki joko lämmittävät tai jäähdyttävät paneelirakennetta.

Kun kullekin ajanhetkelle on laskettu paneelille lankeavan säteilyn määrä ja paneelin keskimääräinen hyötysuhde, voidaan määrittää paneelin tuottama energiamäärä kullakin ajanhetkellä, ja laskea energiantuotannon kumulaatio. Jotta itse sähköverkkoon saatavissa oleva energiamäärä saadaan selville, tulee lopuksi määritellä myös invertterin eli vaihtosuuntaajan arvioitu tehohäviö.

Kuva 3. Aurinkoenergiatuotantoon vaikuttavat tekijät

Kuva 3. Aurinkoenergiatuotantoon vaikuttavat tekijät

Kiitokset LUT:n Antti Kososelle eteläseinän tuotantotietojen jakamisesta.

 

Kirjoittaja:

Herman Böök
Ilmatieteen laitos

Alunperin julkaistu 1.3.2016 BCDC Energia -blogissa.

Jätä kommentti

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.

Voit käyttää seuraavia HTML tageja ja attribuutteja:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>