Aurinkopaneelien tuotannon optimointi vaihtelevissa sääolosuhteissa

Abstract

Tässä opinnäytetyössä tarkasteltiin aurinkopaneelien toimintakykyä ja sähköntuotannon optimointia Suomen vaihtelevissa olosuhteissa. Työssä keskityttiin erityisesti säteilyn intensiteetin, kennolämpötilan ja hajavalon osuuden vaikutuksiin sähköntuotantoon sekä selvitettiin, kuinka hyvin paneelit pystyivät yltämään valmistajan ilmoittamaan nimellistehoon (STC standardi: 1000 W/m², 25 °C). Tarkoituksena oli kartoittaa Suomen korkean leveyspiirin erityispiirteet ja arvioida erilaisten järjestelmäratkaisujen, kuten kiinteiden ja aurinkoa seuraavien paneelien, kannattavuutta.

Työssä käytiin läpi aurinkoenergian perusperiaatteet ja paneeliteknologian keskeiset tekijät, kuten suora säteily, hajavalo, kennon lämpötila sekä vuorokauden- ja vuodenaikavaihtelut. Lisäksi perehdyttiin STC ja NOCT testiolosuhteisiin, jotka määrittelevät paneelin toiminnan standardoiduissa testiympäristöissä. Simuloinneissa hyödynnettiin Euroopan komission PVGIS-järjestelmää, josta haettiin sähköntuotannon ja säteilymäärien ennusteita eri sijainneille Suomessa.

Kokeellinen osa toteutettiin keräämällä Ilmatieteen laitoksen havaintoasemien (Helsinki–Kumpula ja Rovaniemi–lentoasema) 1.4.2025 mittausdataa säteilytehosta (W/m²) ja ulkoilman lämpötilasta. Näiden perusteella laskettiin paneelien kennolämpötilaa käytännön olosuhteissa sekä arvioitiin hyötysuhdetta vakio STC olosuhteisiin verrattuna. Lisäksi työssä käytettiin hyödyksi PVGIS:in ennusteita arvioimaan asennuskulmaa, sähköntuotantoa sekä auringon säteilyn intensiteettiä.

Mittaustulokset osoittivat, että Helsingissä keskimääräinen säteily oli 558,6 W/m² ja tuotantoteho noin 56 % paneelien STC nimellistehosta, kun Rovaniemellä säteily jäi 457,6 W/m²:iin ja tuotanto oli noin 46 % STC arvosta. Kennolämpötila kohosi Helsingissä jopa 30 °C:een, mikä laski hyötysuhdetta laskennallisesti noin 4–6 % verrattuna 25 °C referenssiin, mutta absoluuttinen vaikutus jäi alle prosenttiin. Rovaniemellä alempi 18 °C lämpötila paransi hetkellisesti hyötysuhdetta, mutta matalampi säteilymäärä rajoitti kokonaistuottoa.

Koska hajavalo muodostaa Suomessa suuren osan kokonaissäteilystä, kiinteät, kallistetut paneelit pystyivät hyödyntämään sitä lähes yhtä tehokkaasti kuin suoraa säteilyä. Aurinkoa seuraavien järjestelmien tuottama lisäteho ei ole pidemmässä mittakaavassa kannattavaa nousevien asennus- ja ylläpitokustannusten kannalta.

Johtopäätöksenä todettiin, että aurinkopaneelijärjestelmät tulee mitoittaa Suomen alueellisen säteilyprofiilin mukaan ja suosia kiinteitä asennuksia seurantalaitteiden sijaan. Näin voidaan maksimoida sekä järjestelmän taloudellinen että ekologinen kannattavuus, vaikka tuotanto jääkin usein alle paneelien teoreettisen nimellistehon.

This thesis examines the operational performance and power generation optimization of photovoltaic panels under Finland’s highly variable conditions. It focuses on how irradiance intensity, cell temperature and the proportion of diffuse light influence electrical output and evaluates the panels’ ability to achieve their manufacturer‑specified nominal rating. The objective was to identify the distinctive characteristics of a high‑latitude environments and to assess the economic feasibility of various system configurations, including both fixed‑tilt arrays and solar tracking setups.

The study covered the fundamental principles of solar energy and the key factors in PV technology including direct versus diffuse irradiance, cell temperature, and how solar input varies over the course of a day and through the seasons. It also examined the Standard Test Conditions and Nominal Operating Cell Temperature testing environments, which define panel performance under standardized laboratory conditions. Simulations drew on the European Commission’s PVGIS platform to forecast energy yields and irradiance levels at multiple Finnish locations.

The experimental phase involved collecting solar irradiance (W/m²) and ambient temperature data from the Finnish Meteorological Institute’s observation stations at Helsinki–Kumpula and Rovaniemi Airport on April 1, 2025. From these measurements, actual PV cell temperatures were estimated, and panel efficiencies were assessed against standard STC conditions. The study also leveraged PVGIS forecasts to evaluate optimal tilt angles, projected energy yields, and local irradiance levels.

The measurement results highlight two general trends: solar panel performance is primarily governed by available irradiance, with cell temperature playing a secondary role. In southern locations like Helsinki, higher irradiance levels support greater energy output despite moderate efficiency losses due to heat. Conversely, in northern locations such as Rovaniemi, cooler temperatures can slightly improve efficiency, but the lower irradiance significantly limits overall performance. These findings illustrate how geographic and climatic factors jointly shape photovoltaic system efficiency in different regions.

Because diffuse light makes up a large share of Finland’s total irradiance, fixed, tilted modules can capture it as efficiently as direct sunlight. Over the long term, the additional energy yield from solar-tracking systems fails to justify their higher installation and maintenance costs.

The study concludes that photovoltaic systems should be designed around Finland’s regional irradiance profile, with fixed-tilt installations preferred over tracking systems. This approach maximizes both economic and environmental returns, even though actual energy yields often fall short of the panels’ theoretical nominal capacity.