ABB on keskittänyt voimalaitosluokan aurinkosähköinverttereiden tuotekehityksen Suomeen, Pitäjänmäelle. Viime vuonna laajennettu aurinkolaboratorio antaa kehitystyöhön entistä paremmat mahdollisuudet.

Aurinkolaboratorio ehkä esittäytyy ensimmäistä kertaa siellä käyvälle hiukan erilaisena kuin voisi kuvitella. Siellä ei ole yhtään aurinkopaneelia, eikä yhtään aurinkoa simuloivaa lamppua. Sen sijaan siellä kyllä käsitellään suuria tehoja ja kaapeleita on suuria määriä.

Keskijänniteverkkoon liitetty testilaitteisto

Pitäjänmäellä testattavat laitteet ovat tyypillisesti suuria elektroniikkakaappeja. Toimittajamme vierailun aikaan testattavana oli 2,3 megavolttiampeerin (MVA) invertteri eli vaihtosuuntaaja. Laite on suunniteltu vaativia olosuhteita varten ja se voidaan sijoittaa ulkotiloihin missä tahansa käyttöpaikassaan. Tämän kokoluokan laitteeseen liitetään käyttöpaikassaan jopa 10 000 aurinkopaneelia ja tätäkin suurempitehoisia laitteita on kehitteillä.

Vaativiin olosuhteisiin tehtävät laitteet pitää myös testata vaativissa olosuhteissa. Lattiasta kattoon ruostumattomalla teräksellä pinnoitettu testaustila on tilavuudeltaan peräti reilut 200 kuutiometriä, siellä voidaan ylläpitää haluttu lämpötila 40 pakkasasteen ja 100 lämpöasteen välillä sekä 5–95 % suhteellinen kosteus (RH).

Laboratorion keskijänniteverkkoon liittävät muuntajat on varustettu säätömekanismilla, joka antaa mahdollisuuden poimia muuntajan käämeiltä juuri halutun jännitteen.

Laitos on yhdistetty 20 kilovoltin (kV) sähköverkkoon ja se ottaa sieltä vain testauslaitteiston häviöt. Testauslaitteisto on toteutettu periaatteella jossa syöttölaitteen (AC -> DC) ulostulo on yhdistetty testattavan laitteen (DC -> AC) sisäänmenoon. Laitteiden hyötysuhde on tyypillisesti 98–99 % eri toimintapisteissään, joten vain pari prosenttia testaustehosta muuttuu lämmöksi. 2,3 MVA:n laitteen kohdalla tämä tarkoittaa noin 25–50 kilowatin (kW) häviötehoa.

Testilaitteet on liitetty verkkoon viiden kiloampeerin (5 kA) muuntajilla. Aikaisemmin käytettävissä oli yksi 5 kA:n liityntä ja laajennuksen yhteydessä laboratorioon rakennettiin toinen 5 kA liityntä uusine muuntajineen . Tämä antaa mahdollisuuden testata nyt enimmillään kahta 8 MVA:n invertterilaitteistoa samanaikaisesti.

Keskijänniteverkosta tulee säädettävän muuntajan läpi energia tasasuuntaajalle, joka simuloi aurinkopaneelikenttää. Testattava laite syöttää vaihtosuuntaamansa tehon muuntajan läpi takaisin verkkoon. Aurinkolaboratoriossa on rinnakkain kaksi tällaista järjestelmää.

Testaaminen on tuotekehityksen avain

– Aurinkovyöhykkeen maissa kuten Intiassa ja Lähi-Idässä laitteet joutuvat toimimaan hyvin lämpimissä olosuhteissa ja muualla saattaa olla hyvin kylmää, sanoo ABB:n voimalaitosmittakaavan aurinkoinverttereiden tuotehallinnasta vastaava johtaja Jyrki Leppänen. – Siksi on luonnollista, että meidän pitää pystyä altistamaan laitteemme vastaaville olosuhteille jo tuotekehitysvaiheessa.

– Tämä on kuitenkin vasta lähtökohta. Monilla alueilla sähköverkot ovat heikompia kuin esimerkiksi Suomessa ja verkossa saattaa esiintyä suuriakin jännite- ja taajuusvaihteluita. Tätä varten teemme laitteille ns. verkkokoodi (Grid Code) -testausta, johon kuuluu esimerkiksi Low Voltage Ride Through- (LVRT) ja High Voltage Ride Through (HVRT) -testaus. Nämä tarkoittavat tapaa, jolla invertteri reagoi erilaisiin verkossa tapahtuviin vaihteluihin.

Tuhansien ampeerien virran siirtäminen vaihtosuuntaajalta muuntajaan vaatii paksut kaapelit

– Eri maiden sähköverkko-operaattoreilla on vaihtelevia määräyksiä joiden mukaan verkkoon liitettävien laitteiden tulee toimia ja meillä täytyy olla valmius täyttää kunkin kohdemaan määräykset. Tämä edellyttää laajaa ja perusteellista testaamista. Testiohjelma sertifiointeineen saattaa kestää jonkin laitteen osalta jopa vuoden, mutta sen jälkeen meillä on varmuus, että laite toimii juuri niin kuin on tarkoitettu.

Testattavaan laitteeseen sijoitettujen antureiden sadan johdot antavat käsityksen kerättävän datan määrästä.

Testattavassa laitteessa saattaa olla satoja antureita, joilla mitataan sen eri osien tilaa testauksen kuluessa. Laitteeseen liitetty paksu nippu ohuita johtimia antaa tästä havainnollisen kuvan. Keskeinen merkitys testauksessa on Leppäsen mukaan pitkälle kehitetty automaattinen testausohjelmisto, jonka avulla on mahdollista simuloida kaikkia erilaisia käyttötilanteita.

Kattavat ratkaisut kaikille alueille

ABB on yksi harvoista toimijoista maailmassa, joka toimittaa aurinkosähköinverttereitä kaikille eri markkina-segmenteille, joita ovat kiinteistölaitteet (Residential), teollisuuden laitteet (Commercial Industrial) sekä voimalaitosmittakaavan tuotteet (Utility Scale). Suomeen on keskitetty voimalaitosluokan laitteiden tuotekehitys.

– ABB toimittaa inverttereiden ohella kaikkea muuta sähköverkkoihin liittyvää tekniikkaa, kuten sähköasemien muuntajia ja muuta tekniikkaa, sanoo Leppänen. – Tämä antaa meille vahvaa synergiaetua. Olemme Tier One -toimittaja aurinkosähköjärjestelmissä, joihin toimitamme paneeleita lukuun ottamatta kaikki sähköiset komponentit. Kokonaisuutena periaatteemme on myös olla yksi johtavista toimijoista kaikilla valitsemillamme toimialueilla.

Intia on yksi ABB:n strategisista markkina-alueista, jossa aurinkosähkö kasvaa voimakkaasti. ABB:n oma tehdas Intiassa valmistaa noin viiden gigawatin (GW) verran aurinkoinverttereitä vuodessa. ABB:n koko inverttereiden jo toimitettu asennettu kanta on jo yli 35 GW, joista noin puolet on kiinteistölaitteita ja puolet suuria voimalaitoskokoluokan laitteita.

Tehoelektroniikan topologia kehittyy ja ABB:n kolmitasoinen elektroniikka sekä kehittyneet ohjausalgoritmit antavat mahdollisuuden tuottaa parempilaatuista sähköä entistä laajemmalla jännite- ja tehoalueella.

Esimerkkejä kehittyneestä laitteistoarkkitehtuurista on 1200 voltin IGBT:n (suuritehoinen bipolaaritransistori) käyttö 1500 voltin String-jännitteen yhteydessä. Toinen esimerkki on patentoitu laitteiden jäähdytysjärjestelmä, joka perustuu suljettuun kiertoon ja aineen olomuodon muutokseen. Se yhdistää neste- ja ilmajäähdytyksen parhaat puolet.

Aurinko on nopeimmin kehittyvä uusiutuvan energian lähde

Uusiutuvan energian osuus maailman koko primäärienergian tuotannosta oli vuonna 2016 noin 13,7 %, kertoo IEA:n (International Energy Agency) raportti. Sähkön tuotannosta uusiutuvan energian osuus oli lähes 24 %. Kasvuvauhdissa aurinkosähkö (PV) on ylivoimainen ykkönen. Aikavälillä 1990–2016 oli aurinkosähkön keskimääräinen vuotuinen kasvu IEA:n mukaan 37,3 %. Tuulisähkön vastaava kasvuluku oli 23,6 %.

Uusiutuva energia edusti kahta kolmasosaa vuonna 2016 maailman sähköverkkoihin liitetystä uudesta energiasta. kehityksen perusteella voidaan arvioida, että 2040-luvulla aurinko ja tuuli dominoivat maailman energiantuotantoa. Viime vuonna julkaisemamme artikkeli kertoo kehityksestä.

– Oman energiansa tuottavat käyttäjät ovat tällä hetkellä eturintamassa toimivia varhaisia omaksujia, mutta tulevat nopeasti muuttumaan valtavirraksi, arvioi Leppänen. – Myös Suomessa meidän kannattaa tuottaa mahdollisimman paljon uusiutuvaa sähköä verkkoon.

– Aurinkosähkön kasvun nopeus ja uusien innovaatioiden määrä tuovat ennen kokemattomia mahdollisuuksia sekä asentajille että kaikille arvoketjun varrella toimiville yrityksille.

Jouko Lampila | Lähde: ABB | Otsikkokuva: Jyrki Leppänen (oik) ja Petri Rusanen esittelevät olosuhdekaapissa tai paremminkin olosuhdehallissa testattavana olevaa 2,3 MVA:n vaihtosuuntaajaa