Present and Future of Photovoltaic Solar Electricity

Ponencia Invitada presentada en el IEEE Region 8 Student Branch and GOLD Congress

Present and future of photovoltaic solar electricity

Introduction Crystalline silicon technology, from quartz to system Economical and environmental issues Alternatives to cristalline silicon technology Conclusions

Energy saving and solar electricity in fan-ventilated greenhouses

Greenhouse cultivation is an energy intensive process therefore it is worthwhile to introduce energy saving measures and alternative energy sources. Here we show that there is scope for energy saving in fan ventilated greenhouses. Measurements of electricity usage as a function of fan speed have been performed for two models of 1.25 m diameter greenhouse fans and compared to theoretical values. Reducing the speed can cut the energy usage per volume of air moved by more than 70%. To minimize the capital cost of low-speed operation, a cooled greenhouse has been built in which the fan speed responds to sunlight such that full speed is reached only around noon. The energy saving is about 40% compared to constant speed operation. Direct operation of fans from solar-photovoltaic modules is also viable as shown from experiments with a fan driven by a brushless DC motor. On comparing the Net Present Value costs of the different systems over a 10 year amortization period (with and without a carbon tax to represent environmental costs) we find that sunlight-controlled system saves money under all assumptions about taxation and discount rates. The solar-powered system, however, is only profitable for very low discount rates, due to the high initial capital costs. Nonetheless this system could be of interest for its reliability in developing countries where mains electricity is intermittent. We recommend that greenhouse fan manufacturers improve the availability of energy-saving designs such as those described here.

Thermal Energy Storage for Solar Power Production

Solar energy is the most abundant persistent energy resource. It is also an intermittent one available for only a fraction of each day while the demand for electric power never ceases. To produce a significant amount of power at the utility scale, electricity generated from solar energy must be dispatchable and able to be supplied in response to variations in demand. This requires energy storage that serves to decouple the intermittent solar resource from the load and enables around-the-clock power production from solar energy. Practically, solar energy storage technologies must be efficient as any energy loss results in an increase in the amount of required collection hardware, the largest cost in a solar electric power system. Storing solar energy as heat has been shown to be an efficient, scalable, and relatively low-cost approach to providing dispatchable solar electricity. Concentrating solar power systems that include thermal energy storage (TES) use mirrors to focus sunlight onto a heat exchanger where it is converted to thermal energy that is carried away by a heat transfer fluid and used to drive a conventional thermal power cycle (e.g., steam power plant), or stored for later use. Several approaches to TES have been developed and can generally be categorized as either thermophysical (wherein energy is stored in a hot fluid or solid medium or by causing a phase change that can later be reversed to release heat) or thermochemical (in which energy is stored in chemical bonds requiring two or more reversible chemical reactions).

Sähkön tuotantokustannusvertailu

Työssä vertaillaan eri sähköntuotantovaihtoehtojen taloudellista kannattavuutta. Kannattavuusvertailu suoritetaan pelkkää sähköä tuottaville voimalaitoksille. Raportti on jatkoa aikaisemmille tutkimuksille, joista viimeisin julkaistiin 2008. Tutkittavat voimalaitostyypit ovat: ydinvoimalaitos, maakaasukombilauhdevoimalaitos, kivihiililauhdevoimalaitos, turvelauhdevoimalaitos, puulauhdevoimalaitos, tuulivoimala ja uutena aurinkovoimala. Kannattavuustarkastelu suoritetaan annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja maaliskuun 2012 hintatasoa. Laskelmien perusteella 8000 tunnin huipunkäyttöajalla ydinsähkön tuotantokustannus, kun laitos rakennetaan olemassaolevalle tontille olisi 43,7 €/MWh, täysin uuden ydinvoimalaitoksen 57,9 €/MWh, kaasusähkön 75,4 €/MWh, turvelauhteen 75,4 €/MWh ja hiilisähkön hiilidioksidin talteenotolla 64,4 €/MWh, kun hiilidioksidipäästöoikeuden hintana käytetään 23 €/t. Vastaavasti uusiutuvista puupolttoainelauhdesähkön tuotantokustannus olisi 70,2 €/MWh kun taas 2200 tunnin huipunkäyttöajalla maalla sijaitsevan tuulivoimalaitoksen sähkön tuotantokustannus 52,7 €/MWh ja merellä sijaitsevan tuulivoimalaitoksen 76,8 €/MWh. Erillistarkastelussa arvioitiin suurien keskittävää teknologiaa käyttävän aurinko-voimalaitoksen tuotantokustannuksen ylittävän 100 €/MWh ollen todennäköisesti lähempänä 150 €/MWh. Arvio piensähkön tuotantokustannuksista aurinkosähköisillä paneeleilla vaihtelee 90 – 130 €/MWh. Merkittävin kustannussäästö syntyy, jos aurinkosähköpaketteja voidaan tarjota kuluttajalle kokonaistoimituksena avaimet käteen. Aurinkosähkön tuottaminen kotikeräimillä näyttääkin olevan vaiheessa, jossa se on selkeästi pienkäyttäjälle edullista mikäli sijoitettava pääoma 6000 – 18000 € ei vaadi ulkopuolista rahoitusta.

Alueellisen lämmitysjärjestelmän valinta hankesuunnitteluvaiheessa

Työn lähtökohtana oli tarkastella hankesuunnitteluvaiheen lämmitysjärjestelmän valintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä käytettiin Case-tarkasteluna Espoon Finnoon aluetta. Rakennusosakeyhtiö Hartela voitti Espoon Finnoon ensimmäisen (Finnoo I) asemakaava-alueen suunnittelu ja toteuttamisen ideakilpailun vuoden 2012 lopussa. Finnoo I alueelle rakennettaan noin 155 000 kerrosmetriä eli huoneistot noin 4000 asukkaalle. Alueen ra-kennukset suunnitellaan energiatehokkaaksi, sekä lämmityksessä ja sähkössä on tarkoitus käyttää uusiutuvaa energiaa. Työssä käsiteltiin alueellista lämmitysjärjestelmää ja sen vaihtoehtoetoja. Työssä tutkittiin myös aurinkosähkön käytön mahdollisuutta alueella. Ensin työssä mitoitettiin rakennusten energiankulutuksen muodostuminen alustavien suunnitelmien ja arvioitujen ominaiskulu-tusten avulla. Sen jälkeen käytiin läpi mahdolliset lämmitysjärjestelmät, joita alueella voi-daan käyttää ja arvioitiin niiden aiheuttamat elinkaarikustannukset koko laskenta-ajan jak-solla. Elinkaarilaskentaan valittiin viisi toteutuskelpoisinta järjestelmää ja niistä laskettiin elinkaarikustannukset. Lisäksi laskettiin järjestelmien hiilidioksidipäästöt vuosittain. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti yhtä ainoata parasta lämmi-tysjärjestelmää alueelle ei ole, vaan kaukolämpöä, maalämpöä ja hybridijärjestelmiä tulisi käyttää alueella sekaisin. Lisäksi alue on mahdollista rakentaa niin, että alue käyttäisi nolla-lämpöalueen periaatetta, niin että rakennukset, jotka tuottavat lämpöä liikaa myisivät ne sitä rakennuksille jotka tarvitsevat sitä. Aurinkosähkön potentiaali alueella on hyvä ja sitä käyttämällä voidaan rakennusten E-lukua ja hiilidioksidipäästöjä laskea.

Aurinkosähköpotentiaali Lappeenrannan julkisissa rakennuksissa

Lappeenrannan kaupungin tavoitteena on vähentää alueen energiankulutusta ja hiilidioksidipäästöjä. Yhtenä vaihtoehtona tutkittiin julkisten rakennusten aurinkosähköpotentiaalia Lappeenrannan alueella. Työssä tutkittiin aurinkosähkön ympäristövaikutuksia ja taloudellista kannattavuutta yleisellä tasolla ja Pontuksen koulun case-kohteessa. Julkista rakennuskantaa jaoteltiin aurinkosähköntuotantoon soveltumisen kannalta ja laskettiin teoreettinen aurinkosähkön tehopotentiaali kaikille julkisille rakennuksille. Aurinkosähkö osoittautui taloudellisesti voittoa tuottavaksi verrattuna nykyisiin sähkön hintoihin ja aurinkosähkön todettiin vähentävän hiilidioksidipäästöjä verrattuna keskivertoon suomalaiseen energiantuotantoon. Lappeenrannan kaupungissa on runsaasti potentiaalia aurinkosähkön asentamiselle ja sillä voitaisiin saavuttaa merkittäviä säästöjä aurinkopaneelien elinkaaren aikana.

Aurinkovoimalaitoksen mitoittaminen suunnitteilla olevaan kerrostaloon

Aurinkopaneelien ja inverttereiden hinnat ovat laskeneet viime vuosina, joten au-rinkosähköstä on tullut kannattava sähköntuotantomuoto kiinteistöille. Tässä kandidaatintyössä kerrotaan, kuinka arvioida suunnitteilla olevan rakennuksen peruskuormaa aurinkopaneeleiden asennuksen näkökulmasta. Voimalaitoksen sijoituskohde sijaitsee Järvenpäässä. Kohteessa on 69 huoneistoa 8 kerroksessa ja yhteiset tilat 9. kerroksessa. Voimalaitoksen kannattavuutta tutkitaan simuloimalla tuotantoja ja arvioimalla kulutusta. Tuotantoja simuloidaan HOMER-ohjelmistolla. Rakennuksen kulutusta arvioidaan suunnittelijoilta saatujen tietojen perusteella, ja vanhempien samankaltaisten kohteiden kulutusten perusteella, jotka saadaan Nuuka-portaalista. Saaduista tuloksista huomataan, että nykyisillä sähkönhinnoilla aurinkopaneelit ovat kannattava investointi, vaikka sähköä tuotettaisiin hieman ylimääräistä, joten paneelit voidaan mitoittaa hieman kulutusta suuremmaksi. Takaisinmaksuaika on noin 20 vuotta. Tulokset ovat linjassa vanhempien tutkimusten kanssa. Tuloksista huomataan, myös että paneeleita jakamalla eri ilmansuuntiin saadaan tuotannon huipputeho pienemmäksi ja samalla tuotanto jakautumaan laajemmalle ajanjaksolle. Paneelien hintojen laskettua on kannattavaa asentaa paneeleja epäedullisempiin suuntiin, täten saadaan tuotantoa ajoitettua mahdollisesti paremmin kulutus-ta vastaavaksi. Mitoituksen voi tarkistaa rakennuksen valmistuttua, sillä raken-nuksesta tullaan mittaamaan paneeleiden tuottama sähkö ja kohteen kiinteistösähkönkulutus.

Pk-yrityksen aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavat tekijät

Tutkielman tavoitteena on selvittää pienten ja keskisuurten yritysten aurinkovoimalainvestointiin liittyviä tekijöitä sekä erityispiirteitä. Tutkielmassa pk-yritykset on rajattu alueellisesti Etelä-Suomeen ja tekijöitä tarkastellaan investoinnin sekä päätöksenteon näkökulmasta. Keskeisenä asiana tutkielmassa on aurinkosähkömarkkinoiden nykytila sekä mahdollisuudet. Osatavoitteena on tutkia aurinkosähkön hyödyntämistä ja käyttöönottoa Suomessa sekä luoda aurinkosähkön mahdollisuuksista selkeämpi kokonaiskuva. Tutkielman tutkimusmenetelmänä käytetään laadullista tutkimusta. Tutkielma koostuu teoreettisesta katsauksesta sekä empiirisestä osuudesta. Teoreettinen osuus tarkastelee investointeja ja rahoitusvaihtoehtoja. Empiirinen osuus pitää sisällään kolmen kohdeyrityksen haastattelut. Haastattelut toteutettiin marraskuussa 2015 aurinkosähkömarkkinoilla toimiville ratkaisuntarjoajille. Haastatteluiden avulla kartoitettiin alalla toteutettujen aurinkovoimalainvestointien taustatekijöitä ja erityispiirteitä. Tutkimustuloksina havaittiin selkeitä aurinkovoimalainvestointiin vaikuttavia tekijöitä sekä muutamia erityispiirteitä. Taloudellista kannattavuutta voidaan pitää investointien lähtökohtana. Tähän vaikuttaa uusiutuvan energian investointeihin saatavilla oleva energiatuki, jolla on merkittävä vaikutus pk-yrityksen päätöksentekoon. Lisäksi ekologinen sähkön tuotanto sekä omavaraisuus nousivat haastatteluissa esiin. Johtopäätöksinä voidaan todeta aurinkosähkön sisältävän useita tekijöitä ja erityispiirteitä, joita investoijien sekä ratkaisuntarjoajien tulee ottaa huomioon. Aurinkosähkömarkkinoiden suurta potentiaalia voidaan hyödyntää tehokkaammin kehittämällä alan tiedonjakoa esille nousseiden tekijöiden ja erityispiirteiden osalta.

Rakennukseen integroitavien aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuus pohjoismaisiin olosuhteisiin

Tässä työssä esitellään aurinkosähköjärjestelmien rakenne, toiminta ja niille sopivia käyttökohteita. Työn tavoitteena on arvioida teknillistaloudellisesti rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuutta Pohjoismaisiin olosuhteisiin. Tekninen arviointi toteutetaan pohjautuen kirjallisuuteen, käytännön analysointiin ja simuloituihin tuloksiin. Taloudellinen arviointi sisältää lisäksi myös laskennallista analysointia. Aurinkosähköjärjestelmän toiminnan arvioinnissa päädyttiin hyödyntämään aiemmin aurinkosähköjärjestelmien suorituskyvystä julkaistuja materiaaleja. Käytössä olevien resurssien rajallisuus ei mahdollistanut tarpeeksi laajamittaisten suorituskykytestien toteuttamista. Teknisen arvioinnin perusteella saatiin selville merkittävimpien tekijöiden vaikutus rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien toimintaan. Teknillistaloudellisen arvioinnin perusteella julkisivumateriaalien korvaaminen aurinkopaneeleilla tulee harkita tapauskohtaisesti. Työ sisältää myös katsauksen olemassa olevista teknisistä ratkaisuista.

Opistorakennusten energiatehokkuuden parantaminen

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää Kymenlaakson Opiston energiatehokkuuden parantamista ja tutkia onko olemassa selvästi taloudellisempi sekä ekologisempi tapa kattaa Opiston lämmitystarve verrattuna nykyisin käytössä olevaan kaukolämpöön. Työn teoriaosuudessa tehdään katsaus rakennusten energiatehokkuuteen vaikuttaviin seikkoihin, lähienergian tuotantoon ja energiatehokkuuden parantamiseen liittyvään lainsäädäntöön ja säädöksiin. Useasta rakennuksesta koostuva kansanopisto tarjoaa mielenkiintoisen pohjan selvitystyölle ja suuri lämmitystehontarve yhdistettynä monille saneerauskohteille tyypillisiin ahtaisiin teknisiin tiloihin asettaa rajoituksia lämmitysjärjestelmän suunnittelulle. Soveltavassa osuudessa määritellään reunaehdot mahdolliselle kaukolämmön korvaavalle lämmitysratkaisulle. Tutkitaan vesistölämmön hyödyntämisen mahdollisuutta ja lasketaan aurinkosähkön ja -lämmön tuotantopotentiaalia. Maalämpöjärjestelmän mitoituksessa ja taloudellisessa vertailussa käytettiin apuna maalämpöjärjestelmiä toimittavia yrityksiä. Työssä saatujen tulosten perusteella maalämpöjärjestelmä on taloudellisesti kannattava isossa kohteessa, tosin järjestelmän asennukseen liittyy ahtaiden tilojen johdosta ongelmia. Maalämpö on myös selvästi ekologisempi, kuin nykyisin käytössä oleva kaukolämpö. Aurinkosähkön tuotannolle on Kymenlaakson Opistolla hyvä potentiaali ja sähkön tuotanto kohtaa hyvin sähkön käytön.

Potential of making - Over to sustainable buildings in the Kingdom of Bahrain

Two unique large buildings in the Kingdom of Bahrain were selected for make-over to sustainable buildings. These are the Almoayyed Tower (the first sky scraper) and the Bahrain International Circuit, BIC (The best world Formula 1 Circuit). The amount of electricity extracted from using renewable energy resource (solar and wind), integrated to the buildings-has been studied thoroughly. For the first building, the total solar electricity from the PV installed at the roof and the 4 vertical facades was found 3 017 500 kWh annually (3 million kWh), i.e. daily energy of 8219 kWh (enough to Supply electricity for 171 houses, each is rated as 2 kW house-in Europe the standard is 1.2 kW). This means that the annual solar electricity produced will be nearly 3 million kWh. This correspond to annual CO, reduction of 3000 t (assuming each kWh of energy from natural gas lead to emission of 1 kg of CO2). For the second building (BIC) the solar electricity from PV panels installed at the roof top, fixed at tilt angle of 26 degrees facing south, will provide annual solar electricity of is 2.8 x 10(6) kWh. The solar electricity from PV panels installed on the windows (12,000 m(2)) will be 45.3 x 10(6) kWh. This means that the total annual electrical power from PV panels (windows and roofs) will be nearly 12 MW (32 kW per day). The CO2 reduction will be 48,000 t. Under the carbon trading or CDM scheme the revenue (or the reward) would be (sic)480,000 million annually (the reward is (sic)10 per tonnes of CO2). The BIC circuit can have diversified electricity supply, i.e. from solar radiation (PV), from solar heat (CSP) and from wind (wind turbines), assuring its sustainability as well as reducing the CO2 emission.

Bahrain's Formula-1 racing circuit: energy and environmental considerations

The Bahrain International Circuit (BIC) and complex, at latitude 26.00N and longitude 51.54E, was built in 483 days and cost 150 million US$. The circuit consists of six different individual tracks with a 3.66 km outer track (involving 10 turns) and a 2.55 km inner track (having six turns). The complex has been designed to host a variety of other sporting activities. Fifty thousand spectators, including 10,500 in the main grandstand, can be accommodated simultaneously. State-of-the art on-site media and broadcast facilities are available. The noise level emitted from vehicles on the circuit during the Formula-1 event, on April 4th 2004, was acceptable and caused no physical disturbance to the fans in the VIP lounges or to scholars studying at the University of Bahrain's Shakeir Campus, which is only 1.5 km away from the circuit. The sound-intensity level (SIL) recorded on the balcony of the VIP lounge was 128 dB(A) and was 80 dB(A) inside the lounge. The calculated SIL immediately outside the lecture halls of the University of Bahrain was 70 dB(A) and 65 dB(A) within them. Thus racing at BIC can proceed without significantly disturbing the academic-learning process. The purchased electricity demand by the BIC complex peaked (at 4.5 MW) during the first Formula-1 event on April 4th 2004. The reverse-osmosis (RO) plant at the BIC provides 1000 m(3) of desalinated water per day for landscape irrigation. Renewable-energy inputs, (i.e., via solar and wind power), at the BIC could be harnessed to generate electricity for water desalination, air conditioning, lighting as well as for irrigation. If the covering of the BIC complex was covered by adhesively fixed modern photovoltaic cells, then similar to 1.2 MW of solar electricity could be generated. If two horizontal-axis, at 150 m height above the ground, three 75m bladed, wind turbines were to be installed at the BIC, then the output could reach 4 MW. Furthermore, if 10,000 Jojoba trees (a species renowned for having a low demand for water, needing only five irrigations per year in Bahrain and which remain green throughout the year) are planted near the circuit, then the local micro-climate would be improved with respect to human comfort as well as the local environment becoming cleaner.