Pihamultaan asetettavat, aurinkokennon avulla pientä akkua lataavat pikkulamput ovat olleet trendi jo jonkin aikaa, mutta miten auringosta hyötyisi oikeasti? Kokeilimme miten auringon energian saa talteen parilla kätevästi mukana kulkevalla vaihtoehdolla.
Aurinkokennon toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön, jossa fotoni eli valokvantti absorboituessaan atomiin irrottaa siitä elektronin. Fotonin koko energia siirtyy elektronille, ja syntynyttä elektronia kutsutaan fotoelektroniksi.
Aurinkokennossa absorboivana materiaalina käytetään useimmiten puolijohdetta, kuten piitä. Jotta ilmiö tapahtuisi, täytyy fotonin energian ja aallonpituuden olla sopiva käytetyn puolijohdemateriaalin kanssa. Erilaiset valonlähteet tuottavat erilaisia tuloksia erityyppisillä aurinkokennoilla. Auringon jatkuva spektri sisältää paljon energiaa kaikilla aallonpituuksilla, joten se toimii hyvin kaikenlaisilla aurinkokennoilla.
Esimerkiksi pienissä elektroniikkalaitteissa, kuten taskulaskimissa käytetään amorfisia silikonikennoja, jotka ovat herkkiä näkyvän valon alueella. Siksi niitä voidaan käyttää hyvin sisätiloissa. Suuritehoiset kennot perustuvat mono- ja polykiteiseen piihin, joissa herkkyys on suurin infrapuna-alueella. Ne kuitenkin tuottavat energiaa suurella aallonpituusalueella, joten auringossa niiden hyötysuhde on huomattavasti amorfisia kennoja parempi. 
Yksittäisen aurinkokennon tuottama jännite on useimmiten hyvin pieni, joten kennot kytketään sarjaan jännitteen nostamiseksi. Näitä sarjaan kytkettyjä kennoja kutsutaan yleisesti aurinkopaneeleiksi.

Ei suoraan kiinni laitteeseen

Aurinkopaneelin ongelma on sen tuottama voimakkaasti heittelehtivä jännite, joka riippuu sekä valon määrästä että kuormasta, joka paneeliin kytketään. Siksi aurinkopaneelia ei useimmiten voi kytkeä suoraan sähkölaitteeseen, jonka toimintajännite on rajattu.
Sama pätee paneelin liittämisessä suoraan akkuun. Koska monen paneelin tuottama jännite hyvissä olosuhteissa on jopa 21 volttia, väliin tarvitaan useimmissa tilanteissa lataussäädin. Se vahtii, että latausvirta ja jännite eivät nouse liian suureksi, ja katkaisee esimerkiksi lyijyakun latauksen, kun akun jännite on 14,4 volttia.
Joissakin laitteissa, joissa aurinkopaneelikäyttö on huomioitu, on sisäänrakennettu lataussäädin, jolloin ne voidaan kytkeä paneeliin suoraan.
Edulliset kuluttajakäyttöön tarkoitetut aurinkopaneelit sisältävätkin useiden kennojen lisäksi elektroniikkaa, joka reguloi eli pitää jännitteen tasaisena. Usein tämä on yhdistetty usb-liitäntään, jossa jännite pysyttelee suunnilleen neljän ja viiden voltin välissä.
Koska auringon valon määrä vaihtelee voimakkaasti, aurinkopaneeli kannattaa käytännössä aina kytkeä akkuun tai varavirtalähteeseen. Tällöin sähköä on saatavilla silloinkin, kun taivas on pilvinen. Suomen olosuhteissa aurinkopaneelien tuottama teho pilvisellä säällä on olematonta.
Suurimman tehon saaminen aurinkopaneelista ei ole aivan yksinkertaista. Kennoista riippuen paneelin tuottama teho on suurimmillaan vain tietyn suuruisella kuormalla. Jos kuorma eli virta on liian suuri, putoaa antojännite merkittävästi. Jos kuorma on liian pieni, jää tehoa hyödyntämättä.
Tätä varten on kehitetty niin sanottuja mptt-lataussäätimiä (maximum power point tracking), jotka älykkäästi optimoivat kuormaa eri olosuhteissa suurimman tehon saamiseksi. Mptt-säätimillä voidaan saavuttaa jopa useita kymmeniä prosentteja parempi hyötysuhde perussäätimiin verrattuna. Tehoa voidaan entisestään parantaa aurinkoa seuraavilla moottoritelineillä.


Useimmissa kannettavissa aurinkopaneeleissa on vain usb-liitäntä tai kaksi, mutta testipaneelissa on lisäksi 12 voltin dc-liitäntä. Usb-liitäntä on melko hyvin reguloitu viiteen volttiin, mutta 12 voltin liitäntään ei kannata kytkeä jännitteelle kovin herkkiä laitteita ilman erillistä lautasohjainta.
Neljän paneelin kasaan taittuva kokonaisuus menee pieneen tilaan. Lenkit helpottavat ripustamista. Mittasimme kolmen tunnin aikana aurinkopaneelin dc-lähdöstä saatavaksi lataustehoksi 8–10 wattia. Usb-lähdön maksimiteho testihetkellä oli samaa luokkaa.

Taiteltava matkapaneeli

Mobiilikäyttöön tarkoitetun usb-aurinkopaneelin kanssa haasteet ovat yksinkertaisempia kuin maksimaalisen tehon tavoittelu. Suurin ongelma liittyy ladattavaan laitteeseen, kuten puhelimeen, tablettiin tai varavirtalähteeseen ja sen latauspiiriin.
Kun älykkäästi lataava puhelin kytketään usb-laturiin tai aurinkopaneeliin, tutkii se ensin usb-liitännän koodauksen, eli onko laturi mitoitettu esimerkiksi yhden vai kahden ampeerin latausvirralle. Sen jälkeen latauspiiri kuormittaa laturia kyseisellä virralla. Jos latausjännite tässä vaiheessa putoaa selvästi, kuten matalatehoisilla aurinkopaneeleilla tai huonossa säässä usein käy, pudottaa se latausvirtaa, jotta jännite nousee halutulle tasolle (usein noin 4–5,5 volttia). Tämän jälkeen lataus jatkuu normaalisti valitulla nopeudella.
Riippuen hieman latauselektroniikasta puhelin saattaa tutkia latausjännitettä reaaliajassa ja säätää tarvittaessa latausvirtaa. Usein on kuitenkin niin, että alussa säädettyä latausvirtaa voidaan vain pudottaa.
Tämän vuoksi aurinkopaneelien kanssa saattaa esiintyä tehottomuutta, kun aurinko menee hetkeksi pilveen mutta paistaa taas hetken päästä. Lähes olemattomiin pudonnut latausteho ei enää palaa ennalleen, ja puhelimen akku ei lataudu.
Yksinkertaisin keino korjata tilanne on käyttää nollausta aurinkopaneelin lataussäätimessä. Kun se havaitsee paneelilta tulevan jännitteen romahduksen varjotilanteessa, sammuttaa se usb-lähdön kokonaan ja kytkee sen uudestaan päälle auringon tullessa taas esiin. Tällöin ladattava puhelin tekee alkutoimet uudestaan ja latautuu vauhdikkaasti.
Nollauksen kynnys voi vaihdella, ja joissain tilanteissa osittainen varjo, kuten esimerkiksi paneelin ohi verkkaisesti kävelevä henkilö ei välttämättä aktivoi nollausta, vaikka teho laskisi selvästi. Tällöin latausvirta ei välttämättä palaudu alkuperäiselle tasolle ennen seuraavaa kunnon varjoa.

Aurinkopaneelilla varustetun varavirtalähteen sisällä on kahden litiumpolymeerikennon muodostama akku. Valmistajan ilmoitus 29,6 wattitunnin kapasiteetista ylittyi ilahduttavasti testissä, sillä virtapankki antoi ulos yhtä paljon energiaa vielä jännitemuunnoksen jälkeenkin.
Edullinen usb-yleismittari on ehdoton varuste aurinkopaneelia käyttävälle. Mittaustemme mukaan se kertoo latausjännitteen ja -virran hyvin tarkasti: se näyttää ainoastaan 0,5 % liian pieniä lukemia. Lisäksi se integroi siirretyn kapasiteetin milliampeeritunteina. Wattituntimittari valitettavasti puuttuu.

Paneelin toiminnan tutkimista

Tehokas keino aurinkokennon toiminnan analysointiin on latausmittarin käyttö, jonka kertomasta latausvirrasta voi päätellä ongelmatilanteita. Usb-laturin ja laitteen väliin sijoitettavan mittarin saa jo alle kymmenellä eurolla. Kokeilemamme KCX-017-mittari kertoo jännitteen ja virran lisäksi siirretyt milliampeeritunnit (mAh). Koska milliampeerituntilukema ei ota huomioon jännitettä, olisi wattituntimittari toivottava lisäominaisuus.
Mittasimme mittarin tarkkuuden ja olimme positiivisesti yllättyneitä. Toiminta-alueellaan sen virhe oli vain noin 0,5 prosenttia sekä virran, jännitteen että milliampeerituntimittarin osalta. Viiden voltin jännitteellä laite näytti 4,98 volttia. Virran se näytti 0,01 ampeeria liian alhaisena lähes koko toiminta-alueellaan. Maksimivirralla 3,0 ampeeria tulos oli prikulleen oikein. Koska milliampeerituntimittari toimii virtamittauksen perusteella, oli virhe siinä sama. Todellinen 1 000 milliampeeritunnin siirretty kapasiteetti näkyi mittarissa lukemana 996 milliampeerituntia.
Hetkittäistä virtaa ja jännitettä näyttävä mittari on tietysti kätevä, mutta sillä on vaikea tarkkailla auringon sijainnin ja varjojen vaikutusta jälkikäteen, ellei mittaria pidä silmällä ja kirjoita lukuja ylös. Tätä tarkoitusta varten logitiedoston kirjoittava tai datan usb-liitäntää pitkin tietokoneelle siirtävä mittari on parempi, mutta niiden hinnat ovat moninkertaisia.

Toimiva lataus

Testiin saatu neljän aurinkopaneelin laturi perustuu hyväksi todettuihin Sunpower-kennoihin. Se tarjoaa usb-liitännän lisäksi myös nimellisesti noin 12 voltin dc-tasajännitelähdön. Tavallisesta 5,5 x 2,1 millimetrin liitännästä saatava jännite vaeltaa paljon, ja käytettävän laitteen tulisi olla sopeutuvaa mallia. Mittasimme dc-lähdön antotehoksi maksimissaan noin 10 wattia, ja kolmen tunnin aikana keskimäärin noin kahdeksan wattia, kun taivaalla oli hyvin vähäisesti pilviä.
Usb-lähdön toimivuus testattiin iPad Miniä lataamalla. Paneelin elektroniikka toimi hyvin, ja latausnopeudeksi saimme maksimissaan noin 1,5 ampeeria. Emme aivan yltäneet iPadin maksimilatausnopeuteen käytetyillä kaapeleilla kesäkuisen aamupäivän auringonpaisteessa. Pilvinen ja sateinen keli juuri ennen tämän numeron painoon menoa esti perusteellisemmat kokeet.
Koska aurinkopaneelin antojännite ja siitä saatava latausteho vaihtelee paljon, paras tapa hyödyntää paneelia on kytkeä sen ja ladattavan laitteen väliin varavirtalähde. Parhaimmillaan järjestely on silloin, kun varavirtalähde ei sammuta usb-lähtöä pysyvästi, kun sen lataus alkaa tai loppuu. Näin saadaan jatkuva tasainen lataus varavirtalähteestä esimerkiksi puhelimelle ja auringonpaisteen sanelemana täydennystä upsina toimivaan varavirtalähteeseen.
Upsina toimivia varavirtalähteitä ovat esimerkiksi AVPlussan tammikuun numerossa testatut Blitzwolf BW-P3 10 000 mAh (vain QC3.0-lähtö) sekä Xiaomi PLM01ZM 10 000 mAh. Myös esimerkiksi Biltema Powerpack 10 400 mAh toimii tällaisessa käytössä, vaikka se katkaiseekin usb-lähdön hetkeksi silloin, kun aurinkopaneeli alkaa ladata varavirtalähdettä. Puhelin osaa katkon jälkeen kuitenkin aloittaa latauksen normaalisti.

Paneeli ja pankki samassa

Mutta entäpä aurinkopaneelin ja varavirtalähteen yhdistelmä? Kombinaatio tuntuu äkkiseltään kerrassaan nerokkaalta, sillä koko on taiteltavaa paneelia selvästi pienempi, eikä laitteiden väliin tarvita yhtä ylimääräistä johtoa. Jossakin on kuitenkin pakko olla tingitty, sillä paneelin pinta-ala on vain murto-osa erillispaneeliin verrattuna. Ja tietysti koko ajatus siitä, että litiumioniakku sijoitetaan suljetussa kotelossa kuumaan auringonpaisteeseen tuntikausiksi on täysin järjetön.
Testasimme 8 000 milliampeeritunnin varavirtalähteen, jossa on ison osan yläpinnasta täyttävä aurinkopaneeli. Virtalähde on silikonireunuksilla tiivistetty, joten se kestänee myös hyvin kosteita olosuhteita. Usb-porttien suojat eivät ole järin tiiviin tuntuisia, joten veteen laitetta ei kannata vesitiiviyslupauksista huolimatta upottaa.
Mittasimme varavirtalähteen aurinkopaneelin pintalämpötilaksi suorassa paisteessa 63 astetta. Kotelon sisällä lämpötila noussee akulle haitalliseen lämpötilaan melko nopeasti, mikä joko vähentää akun elinikää tai pahimmassa tapauksessa aiheuttaa vaaratilanteen. Laitetta ei missään nimessä kannata jättää pysäköidyn auton kojelaudalle.
Positiivisena seikkana täytyy mainita, että virtalähde todella tarjoaa lupaamansa kapasiteetin. Sisällä oleva 29,6 wattitunnin akku on kapasiteetiltaan jopa hieman tämän yli, sillä yhden ampeerin purkuvirralla usb-liitännästä kokonaisenergia oli 29,4 wattituntia. Jännitteenmuunnoshäviöt huomioon ottaen tulos on erittäin hyvä.
Varavirtalähteen täysi lataus hyvällä usb-laturilla kestää noin viisi ja puoli tuntia. Elektroniikka kuumenee ladatessa melko paljon. Tehokkaamman kahden ampeerin usb-liitännän maksimivirta on noin 2,2 ampeeria, ja suojapiiri katkaisee annon 2,4 ampeerissa.
Kapasiteetiltaan ja latausvirraltaan testattu varavirtalähde on oikein kelpo. Pehmeä kumi parantaa iskunkestävyyttä, ja tiivisteet vähentävät kastumisriskiä. Samaan hintaan saa kyllä parempiakin akkupankkeja. Kelvottomasta aurinkopaneelitoiminnosta kun ei kannata maksaa yhtään ekstraa.

Artikkeli on lyhennelmä AVPlus-numerossa 5/2017 ilmestyneestä testistä.
TEKSTI & KUVAT: Marko Auvinen

Testilaitteet
Aurinkokennolaturi neljällä paneelilla
 (Solar Pack 24 W)
Hinta: 69,99 €

Mitat: Auki: 72 x 27 cm, kiinni: 16 x 27 cm
Paino: 560 g
Liitännät: Usb, dc

Hätälaturi aurinkokennolla ja isolla akulla
 (Solar Charger 8000mAh)
Hinta: 39,99 €

Mitat: 14 x 7,5 x 1,8 cm
Paino: 217 g
Latausliitäntä: Micro-usb

Lähtöliitäntä: 2x usb

Maksimilähtövirta: 2,2 A
Latausvirta: 1,8 A

Yleismittari usb-virran ja -jännitteen mittaukseen 
(KCD-017)
Hinta: 7,99 €
Mitat: 6 x 2,9 x 1,5 cm
Paino: 26 g
Liitännät: Micro-usb ja usb-a sisään, usb-a ulos

Muuta: Ilmoittaa jännitteen, virran ja kertyneet milliampeeritunnit

Lisätietoja: teknikmagasinet.fi