Aurinkosähköä

Aurinkoenergian tuotanto
Aurinkoenergia on uusiutuvaa energiaa, eikä se tuota hiilidioksidipäästöjä tai jätettä. Tyypillisesti sähköä tuotetaan generaattorilla pyörimisliikkeestä. Aurinkopaneeli eroaa tästä merkittävästi: siinä sähköä tuotetaan suoraan puolijohteen avulla, ilman liikettä. Aurinkopaneeli muodostuu lukuisista aurinkokennoista. Aurinkokenno perustuu valosähköiseen ilmiöön, jossa auringon säteilyenergia muuttuu suoraan sähköksi. Ilmiö on tunnettu 1880-luvulta lähtien. Tyypillisin aurinkokennon materiaali on pii. Yksittäinen aurinkokenno tuottaa hyvin pienen jännitteen (noin 0,6 volttia) ja suuremman jännitteen saavuttamiseksi aurinkopaneelissa onkin yksittäisiä aurinkokennoja sarjaan kytkettynä.
Aurinkokennon keksimisen ajankohta voidaan määritellä monella tapaa, mutta esimerkiksi vuoden 1878 Pariisin maailmannäyttelyssä oli esillä toimiva aurinkokenno. Teollisessa mittakaavassa aurinkokennoja on valmistettu 1950-luvulta lähtien avaruuskäyttöön, mutta energiataloudellista merkitystä keksinnöllä on
ollut vasta viimeisten 10 – 20 vuoden ajan, kun aurinkopaneeleilla tuotetun sähkön hinta on rajusti laskenut. 1950-luvulla yksi watti tuotettuna aurinkopaneelilla maksoi 1500 euroa kun nyt watti maksaa noin 30 senttiä.
Lähde: Voimala, opettajan opas, STEK ry 2021

1. Lue yllä oleva teksti ja vastaa kysymyksiin

1. Mitä etuja on aurinkoenergiassa?
2. Miten aurinkoenergian tuotanto eroaa muista energiantuotantotavoista?
3. Mitä eroa on aurinkokennolla ja aurinkopaneelilla?
4. Mikä on aurinkokennon tärkein raaka-aine?
5. Kuinka suuren jännitteen yksittäinen aurinkokenno voi tuottaa? Miten aurinkopaneelin jännite saadaan suuremmaksi kuin yhden kennon jännite?
6. Mihin ilmiöön aurinkokennon sähköntuotanto perustuu? Koska tämä ilmiö on keksitty?
7. Milloin ensimmäiset aurinkopaneelit on rakennettu?
8. Kuinka paljon aurinkopaneeleilla tuotetun sähköenergian hinta on laskenut 1950-luvusta
   nykypäivään? 

2. Aurinkopaneelit omakotitaloon
Etsi Internetistä jokin ”aurinkopaneelilaskuri” ja sen
avulla kartalta jokin rakennus.

1. Selvitä montako aurinkopaneelia laskuri suosittelee
   tähän rakennukseen ja paljonko ne maksaisivat?
2. Montako kilowattituntia tällainen määrä paneeleja
   voisi tuottaa sähköä vuodessa?
3. Kuinka suurta rahamäärää tällainen tuotto vastaisi?
   Oleta, että sähkö maksaa 0,15€/kWh.

EXTRA:
Aurinkokennossa käytetään puolijohteita. Mitä puolijohde
tarkoittaa ja mikä on sen merkitys aurinkokennossa?

Oppilastyö: Miten paljon aurinkopaneeli tuottaa eri olosuhteissa?

Välineet: -Voimalan kytkentäalusta -Aurinkopaneeli -Banaanijohtimia (2 kpl) -Vihko tai muu peittolevy (tutkimuksessa B) -Kulmamitta (tutkimuksessa C)

Työn tavoite: Tutkia valaistusolosuhteiden vaikutusta
aurinkopaneelin sähköntuotantoon.

Laitteiden kytkennät: Kytke laitteet kuvan mukaisessa järjestyksessä: Kytke banaanijohtimen päät lataussäätimen ”akku”-terminaaliin, punainen johdin punaiseen, musta mustaan. Kytke johdinten toiset päät akun terminaaleihin. HUOMAA: akusta tulevat musta ja punainen pää eivät saa koskea toisiaan tai syntyy oikosulku ja sulake palaa. Liitä aurinkopaneelin johtimet jännite- ja virtamittarin ”sisään”-terminaaliin. Vie johtimet jännite- ja virtamittarin ”ulos”-terminaalista lataussäätimen ”sisään”- terminaaliin. Näin näet jännite- ja virtamittarilla paneelista lataussäätimeen menevän virran, jännitteen ja tehon.

Tutkimus A. Valonlähteen vaikutus sähkön tuotantoon

Vie aurinkopaneeli erilaisiin valonlähteisiin, esimerkiksi lähelle valaisinta, ikkunan viereen, ulos
auringonvaloon jne. Kirjaa mittaustulokset taulukkoon.

Pohdi:

1. Missä valaistusolosuhteissa paneeli tuotti eniten sähköä? Entä vähiten?
2. Paljonko sähköenergiaa paneeli tuottaisi parhaimmassa valaistusolosuhteessanne tunnin aikana?
   Sähköenergian tuotto lasketaan kertomalla sähköteho (watteina, W) ja aika (tunteina, h). Yksiköksi
   tulee wattitunti, Wh.
3. Kauanko kestää, että saisitte tuotettua aurinkopaneelilla niin paljon energiaa kuin kännykän akkuun
   mahtuu, eli noin 10 wattituntia?

Tutkimus B. Varjostuksen vaikutus sähkön tuotantoon

Vie aurinkopaneeli mahdollisimman valoisaan paikkaan, mieluiten ulos, jos mahdollista. Peitä aurinkopaneelista vihkon tai muun levyn avulla erisuuruisia osia, esimerkiksi 5%, 10%, 20 %, 50% ja 70%. Kirjaa mittaustulokset taulukkoon.

Pohdinta:

1. Millaiseen paikkaan aurinkopaneelit kannattaa sijoittaa, jotta ne tuottavat mahdollisimman paljon?
2. Missä päin maailmaa aurinkopaneelien käyttö on tehokkainta?
3. Miten ilmansuunnat tulee ottaa huomioon aurinkopaneelien asennuksessa?

Tutkimus C. Auringon tulokulman vaikutus sähköntuotantoon

Vie aurinkopaneeli voimakkaan lampun tai auringon valoon. Aseta paneeli ensin siten, että valo tulee siihen
kohtisuoraan (mittari näyttää silloin suurimmat lukemat). Kirjaa tulos taulukkoon.
Kallista paneelia siten, että valon tulokulma muuttuu (ks. kuva). Ota mittaustulokset ylös esimerkiksi 10°:n
välein kulmamittaa apuna käyttäen.

Pohdi:

1. Kuinka suurella kallistuskulmalla aurinkopaneeli lakkasi tuottamasta sähköä?
2. Miksi aurinkopaneeleja ei kannata asentaa vaakatasoon, vaan 15-40 asteen kulmaan vaakatasoon
   nähden?

Aurinkoseuranta

Kytkennät: Kytke laitteet kuvan mukaisesti. HUOMAA: jos lataussäädin näyttää akun jännitteeksi yli 13,7 volttia, on akku aivan täysi eikä mittari siksi näytä oikeaa lukemaa. Tällöin akkua täytyy purkaa käyttämällä sähköä johonkin, esimerkiksi kännykän lataamiseen.

Suoritus:
Mittaa Voimalalla joka oppitunti samaan aikaan ja samassa paikassa aurinkopaneelilla saatava
teho esimerkiksi parin kuukauden ajan. Kirjaa saamasi teholuku taulukkoon. Piirrä lopuksi
ruutupaperille kuvaaja, jossa on y-akselilla teho ja x-akselilla päivämäärä.

Kuinka paljon teho vaihteli eri päivinä? Mistä vaihtelu johtui?

Millaisia haasteita aurinkopaneelin tehon vaihtelu aiheuttaa? Miten tähän voi varautua?

VOIMALA_Oppilastöitä ja tehtäviä_MH.pdf