ONTWERP EN BOUW VAN EEN ZONNECEL TESTOPSTELLING

Tim Spit Niels Vedekens
Om beter inzicht te krijgen in de werking en de opbrengst van een klein zonnepaneel - of zelfs een zonnecel (de kleinste bouwsteen van een zonnepaneel) - is het vrij eenvoudig om een compacte testopstelling te bouwen. Het doel van zo een testopstelling is om de reeds bestaande bevindingen en studies over zonnecellen op een didactische wijze te visualiseren.

Oogsten van de zonne-energie

Wie rijdt langs Vlaamse wegen, komt daken met zonnepanelen tegen.

Is het naïef om te investeren in een zonne-installatie op je dak of is het een trend die we de komende jaren alleen maar zullen zien toenemen?

 

Energietransitie

 

Dat we voor de productie van elektrische energie stilaan moeten afstappen van fossiele brandstoffen, is niet langer een taboe. Van alle investeringen in energieproductie gaat binnen de Europese Unie 80% naar hernieuwbare energie. Dagelijks krijgen we gratis energie van de zon. Straling van de zon op het aardoppervlak is goed voor 10^18 Watt. Dit kan je vergelijken met het vermogen van 100 miljard kerncentrales. Genoeg energie dus om nog generaties lang te genieten van gratis duurzame energie, zonder het gevaar op fijnstof of kernrampen. Het komt er dus op neer om deze energie zo efficiënt mogelijk te oogsten.

 

Bouw en ontwerp van een zonnecel testopstelling

 

Om beter inzicht te krijgen in de werking en de opbrengst van een klein zonnepaneel - of zelfs een zonnecel (de kleinste bouwsteen van een zonnepaneel) - is het vrij eenvoudig om een compacte testopstelling te bouwen. Het doel van zo een testopstelling is om de reeds bestaande bevindingen en studies over zonnecellen op een didactische wijze te visualiseren. Dit project richt zich op ingenieurs in spé, of op educatieve doeleinden in STEM-richtingen in secundaire scholen. Het doel is beter te begrijpen wat de parameters zijn, die een invloed uitoefenen op de productie van elektrische stroom uit zonne-energie. Daarnaast wordt ook een aanzet gegeven om te experimenteren met verschillende configuraties van zonnecellen. Tenslotte biedt dit project een beter inzicht in het belangrijke principe van de Maximum Power Point Tracking, een essentieel onderdeel om de opgewekte stroom los te laten op het stroomnet.

Omdat de testopstelling in staat is zich automatisch naar de zon te richten, heeft ze de naam Solar Tracker gekregen.

Solar Tracker

De zelf gebouwde Solar Tracker kan je hier aan het werk zien: http://tinyurl.com/solar-mppt

 

Bouw van de Solar Tracker

 

Om de Solar Tracker te bouwen heb je een autobatterij, een microprocessor (Arduino of Raspberry PI), 4 drukknoppen en twee stepper-motoren nodig. Er worden telkens 2 knoppen gebruikt om van elk motor de draairichting aan te sturen. Op deze manier kan de gebruiker handmatig experimenteren met de invalshoek van het zonlicht op het zonnepaneel. Door de toevoeging van 4 lichtgevoelige weerstanden (LDR's) wordt het mogelijk om, naast de manuele bediening, de Solar Tracker automatisch naar de lichtbron te richten. Voorwaarde is dat de code in de microprocessor wordt uitgebreid. Met behulp van een schakelaar op het bedieningspaneel kan de gebruiker kiezen uit een manuele of een automatische bediening.

Bij langdurig gebruik van de Solar Tracker bestaat het gevaar dat de spanning van de auto-batterij te laag wordt. In de behuizing van de Solar Tracker is daarom een LED-display voorzien die de spanning van de batterij weergeeft. Ter bescherming van de batterij wordt bovendien een relais-schakeling geïntegreerd, die het circuit onmiddellijk onderbreekt als de spanning van de batterij minder dan 11.4 V bedraagt. De gebruiker dient hierna de batterij opnieuw op te laden.

Alle onderdelen (tandwielen, behuizing enz.) werden op maat van het project ontworpen en gefabriceerd in het Fablab Brussels.

 

Visualisatie van de meetresultaten

 

Om goed te begrijpen wat de zonnecel aan elektrische energie produceert is het noodzakelijk om een aantal dingen in real-time te meten. Met behulp van Arduino en de nodige sensoren worden daarom de stroom en spanning, opgewekt door de zonnecellen, automatisch geregistreerd en weergegeven op het scherm van de computer. Het kloppende hart van de meeteenheid is de INA219-stroomsensor. Deze sensor meet met zeer hoge nauwkeurigheid de opgewekte stroom en spanning. Met deze waarden wordt het vermogen van de zonnecellen berekend. De Arduino communiceert bovendien met het programma 'Processing', waardoor alle geregistreerde waarden worden opgeslagen in een txt-bestand, zodat ze achteraf nog beschikbaar zijn voor verdere analyse. De meetresultaten worden ook in real-time gevisualiseerd met behulp van het softwarepakket 'KST'. Het is eveneens mogelijk om de tijd tussen verschillende metingen te variëren, gaande van een meting per halve seconde, tot een meting om de 5 minuten.

Wanneer gedurende een aantal opeenvolgende uren de opgewekte stroom wordt gemeten, kan bijvoorbeeld zeer duidelijk worden vaststellen dat bewolking voor de zon een ogenblikkelijke negatieve invloed heeft op de opbrengst van een klein zonnepaneel.

 

Maximum Power Point Tracking

 

Om op zoek te gaan naar het ideale werkingspunt van het zonnepaneel, namelijk het Maximum Power Point, moet de belasting op het paneel aanpasbaar zijn. Dit kan bijvoorbeeld door een variabel aantal kleine gloeilampjes aan te sluiten op de zonnecel. Het verbruikte vermogen door de belasting zal steeds overeenkomen met het vermogen opgewekt door de zonnecellen. Echter de kunst bestaat erin de belasting zo aan te passen dat dit vermogen maximaal wordt. In twee uiterste gevallen is het vermogen gelijk aan nul. In het eerste geval vloeit er geen stroom wanneer de positieve en negatieve pool van het zonnepaneel niet verbonden worden. We meten dan de zogenaamde open-klemspanning. In het tweede geval vloeit er kortsluitstroom, maar is de spanning nul volt. Dit is omdat de beide polen rechtstreeks, en dus zonder verbruiker, op elkaar worden aangesloten, wat tot kortsluiting leidt.

Door echter meer en meer lampjes in het circuit op te nemen, zal men merken dat het vermogen van het zonnepaneel toeneemt tot het een bepaalde maximumwaarde bereikt. Daarna neemt het vermogen opnieuw af.

 

Nabeschouwing

 

Aan de opstelling is een uitgebreide didactische handleiding toegevoegd, met veel aandacht voor de beschrijving van alle componenten. De gebruiker krijgt zo meer inzicht in de keuzes die bij het ontwerp werden gemaakt. De lezers met een technische knobbel worden uitgedaagd om het bestaande ontwerp verder te optimaliseren. Zo kan er bijvoorbeeld nog gesleuteld worden aan de massa-verdeling van het beweegbare paneel om de motoren minder te belasten. Een tweede kritisch punt is de lange bekabeling tussen de meeteenheid en de Solar Tracker, die maakt dat er spanningsverliezen optreden. Om dit te vermijden kan de meeteenheid vlak naast de Solar Tracker worden geïnstalleerd, maar dan moeten de meetresultaten draadloos naar de computer verzonden worden. Het nadeel hiervan is dat de gebruiker de invloed van variërende belasting pas zal waarnemen wanneer hij/zij plaatsneemt achter de computer.

Bibliografie

[1] B. Netterfield and R. Chern, “kst - plots scientific data.” https://kst-plot.kde.org/. Accessed: 2017-02-19.
[2] S. Andreev, “Car battery voltage.” http://carbatteryworld.com/ car-battery-voltage/, 01/14/2013. Accessed: 2017-04-05.
[3] AA1Car, “Diagnosing a car battery that runs down.” http://www.aa1car.com/ library/battery_runs_down.htm, August 9, 2017. Accessed: 2017-04-06.
[4] Velleman, “Velleman vma404 - dc-dc adjustable voltage step down module lm2596s.” https://www.velleman.eu/downloads/29/vma404_a4v01.pdf, 2017. Accessed: 2017-07-11.
[5] D. Lindsell, “What is a bypass diode?.” http://www.solar-facts.com/panels/ panel-diodes.php, 2008. Accessed: 2017-04-10.
[6] L. Bas, “Bocking and by-pass diodes in solar panels.” https://www.civicsolar.com/ support/installer/questions/what-bypass-diode, 2017. Accessed: 2017-04- 10.
[7] TI, “Current sensing - current shunt monitor.” http://www.ti.com/paramsearch/ docs/parametricsearch.tsp?family=analog&familyId=426&uiTemplateId= NODE_STRY_PGE_T&DCMP=analog_signalchain_mr&HQS=currentshuntport-pr, 2017. Accessed: 2017-03-22.
[8] Adafruit, “Data sheet for the ina219 chip.” http://www.adafruit.com/datasheets/ ina219.pdf, 2012. Accessed: 2017-03-18.

Universiteit of Hogeschool
Bachelor of Science in de industriële wetenschappen: Elektromechanica
Publicatiejaar
2017
Promotor
Pr. Svend Bram
Kernwoorden