EINDWERK: ONTWERP VAN EEN DIDACTISCH ENERGIEBORD
Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Master Elektrotechniek Afstudeerrichting Automatisering Academiejaar 2007-2008
Tom Rysman
Voorwoord Ten einde mijn diploma industrieel ingenieur elektrotechniek optie automatisering te behalen, kreeg ik de opdracht mee een thesis uit te voeren. Mijn thesis is in opdracht van Curieus West-Vlaanderen en heeft als titel: “Ontwerp van een didactisch energiebord”. Curieus is een progressieve en dynamische sociaal-culturele vereniging voor volwassenen. Zij organiseren sociaal-culturele activiteiten met een lage drempel voor een ruim en divers doelpubliek. Tijdens de verwezenlijking van mijn thesis werd gebruik gemaakt van de kennis die me werd bijgebracht in mijn opleidingsjaren als industrieel ingenieur elektrotechniek alsook van mijn voorafgaande bacheloropleiding informatie – en communicatietechnologie. Het spreekt voor zich dat er bij het vervaardigen van een thesis heel wat beslissingen moeten genomen worden en de student met problemen te kampen kan krijgen. Hiervoor kon ik altijd terecht bij verschillende lectoren van het PIH. Daarom houd ik eraan om eerst en vooral een woordje van dank te richten aan mijn interne promotor Ing. Steve Dereyne die me bij deze thesis steeds met raad en daad heeft bijgestaan. Ook bedank ik van harte Ing. Henk Capoen, Ing. Dieter Vandenhoeke en Ing. Dieter Van Lierde, bij wie ik terecht kon voor hun raad en antwoorden op mijn vragen omtrent VB.net en Phoenix Contact.
Tom Rysman, juni 2008
Tom Rysman
III
Inhoudsopgave Voorwoord ......................................................................................... III Inhoudsopgave .................................................................................. IV 1 2
Inleiding .......................................................................................... 1 Energie-elementen ......................................................................... 3 2.1
Energieverbruikers .................................................................................... 3
2.1.1 Algemeen ............................................................................................................. 3 2.1.1.1 Vermogen ...................................................................................................... 3 2.1.1.2 Energie .......................................................................................................... 4 2.1.1.3 Lichtsterkte ................................................................................................... 4 2.1.1.4 Lichtstroom ................................................................................................... 4 2.1.1.5 Lichtopbrengst .............................................................................................. 4 2.1.1.6 Kleurtemperatuur .......................................................................................... 4 2.1.1.7 Kleurweergave-index .................................................................................... 6 2.1.1.8 Levensduur .................................................................................................... 7 2.1.2 Gloeilampen ......................................................................................................... 8 2.1.2.1 Werking......................................................................................................... 8 2.1.2.2 Lichtopbrengst .............................................................................................. 8 2.1.2.3 Kleurtemperatuur .......................................................................................... 9 2.1.2.4 Kleurweergave-index .................................................................................... 9 2.1.2.5 Levensduur .................................................................................................... 9 2.1.2.6 Dimmen......................................................................................................... 9 2.1.3 Halogeenlamp ..................................................................................................... 10 2.1.3.1 Werking....................................................................................................... 10 2.1.3.2 Lichtopbrengst ............................................................................................ 11 2.1.3.3 Kleurtemperatuur ........................................................................................ 11 2.1.3.4 Kleurweergave-index .................................................................................. 11 2.1.3.5 Levensduur .................................................................................................. 11 2.1.3.6 Dimmen....................................................................................................... 11 2.1.4 Spaarlamp ........................................................................................................... 12 2.1.4.1 Werking....................................................................................................... 12 2.1.4.2 Lichtopbrengst ............................................................................................ 12 2.1.4.3 Kleurtemperatuur ........................................................................................ 13 2.1.4.4 Kleurweergave-index .................................................................................. 13 2.1.4.5 Levensduur .................................................................................................. 13 2.1.4.6 Dimmen....................................................................................................... 13 2.1.4.7 Vorm en grootte .......................................................................................... 13 2.1.4.8 Wat betekent het cijfer 827 op een spaarlamp ............................................ 14 2.1.4.9 Energielabel ................................................................................................ 14 2.1.4.10 Ballast ......................................................................................................... 14 2.1.4.11 Nadelen van spaarlampen ........................................................................... 16 2.1.4.12 Conclusie van spaarlampen ......................................................................... 19 2.1.5 Ledlamp .............................................................................................................. 20 2.1.5.1 Werking....................................................................................................... 21 2.1.5.2 Lichtopbrengst ............................................................................................ 22
Tom Rysman
IV
2.1.5.3 Kleurtemperatuur ........................................................................................ 22 2.1.5.4 Kleurweergave-index .................................................................................. 24 2.1.5.5 Levensduur .................................................................................................. 24 2.1.5.6 Dimmen....................................................................................................... 24 2.1.5.7 Ledwall ....................................................................................................... 26 2.1.5.8 Conclusie van ledlampen ............................................................................ 27 2.1.6 Lampen die niet besproken worden op het bord ................................................ 28 2.1.6.1 TL-lamp ...................................................................................................... 28 2.1.6.2 Xenonlamp .................................................................................................. 29 2.1.6.3 Lagedruk natriumlamp (SOX) .................................................................... 30 2.1.6.4 Hogedruk natriumlamp (SON).................................................................... 31 2.1.6.5 Plasma-argonlamp ....................................................................................... 32 2.1.6.6 Kwikdamplamp ........................................................................................... 33 2.1.7 Huishoudtoestellen ............................................................................................. 34 2.1.7.1 Koken .......................................................................................................... 34 2.1.7.2 Koelen ......................................................................................................... 35 2.1.7.3 Vriezen ........................................................................................................ 35 2.1.7.4 Televisie ...................................................................................................... 36 2.1.7.5 Wasmachine ................................................................................................ 37 2.1.7.6 Stroomverbruik elektrische toestellen ......................................................... 38 2.1.8 Sluimerverbruikers ............................................................................................. 39 2.1.8.1 Actieve en passieve sluimertoestand .......................................................... 39 2.1.8.2 Meting ......................................................................................................... 41 2.1.8.3 Rationeel energiegebruik ............................................................................ 42
2.2
Hernieuwbare energie ............................................................................. 44
2.2.1 Door middel van de wind ................................................................................... 44 2.2.1.1 Windenergie ................................................................................................ 44 2.2.2 Door middel van de zon ..................................................................................... 51 2.2.2.1 Fotovoltaïsche cellen .................................................................................. 52 2.2.2.2 Zonnecollectoren ......................................................................................... 58 2.2.3 Door middel van water ....................................................................................... 62 2.2.3.1 Waterkrachtenergie ..................................................................................... 62 2.2.3.2 Blauwe energie............................................................................................ 69 2.2.4 Door middel van aarde ....................................................................................... 71 2.2.4.1 Warmtepomp............................................................................................... 71
2.3
Energiebehoud ........................................................................................ 76
2.3.1 Isolatie ................................................................................................................ 77 2.3.1.1 K-waarde (met grote K) .............................................................................. 77 2.3.1.2 R-waarde ..................................................................................................... 77 2.3.1.3 U-waarde (oude k-waarde) ......................................................................... 77 2.3.1.4 λ-waarde ...................................................................................................... 78 2.3.1.5 Koudebrug................................................................................................... 78 2.3.1.6 Dakisolatie .................................................................................................. 79 2.3.1.7 Muurisolatie ................................................................................................ 80 2.3.1.8 Vloerisolatie ................................................................................................ 80 2.3.1.9 Isolerend glas .............................................................................................. 81 2.3.1.10 Isolatiereglementering................................................................................. 82 2.3.2 Ventileren ........................................................................................................... 83
3
Energiebord .................................................................................. 84
Tom Rysman
V
3.1
Hardware................................................................................................. 84
3.1.1 Input/Output ....................................................................................................... 84 3.1.2 Touch-PC ........................................................................................................... 84 3.1.3 Communicatiemodule ........................................................................................ 85 3.1.3.1 Communicatiemethode ............................................................................... 85 3.1.3.2 Zelfontwerp van een interface..................................................................... 86 3.1.3.3 Keuze van de interface ................................................................................ 87 3.1.4 Voeding .............................................................................................................. 93 3.1.4.1 Stroomverbruik ........................................................................................... 93 3.1.5 Koeling: .............................................................................................................. 94 3.1.5.1 Schema ........................................................................................................ 95 3.1.5.2 Stroomwaarde ............................................................................................. 95 3.1.5.3 Weerstandswaarde ...................................................................................... 95 3.1.6 Leds .................................................................................................................... 95 3.1.6.1 Schema ........................................................................................................ 96 3.1.6.2 Weerstandswaarde ...................................................................................... 96 3.1.7 Dimmer............................................................................................................... 97 3.1.8 In de toekomst .................................................................................................... 97
3.2
Software .................................................................................................. 98
3.2.1 Toekenning van een IP-adres ............................................................................. 98 3.2.1.1 Mogelijkheden ............................................................................................ 98 3.2.1.2 Configureren van de module ....................................................................... 98 3.2.1.3 Zoeken van modules op het netwerk........................................................... 99 3.2.1.4 Web-based management van Phoenix componenten ................................ 100 3.2.2 OPC-communicatie .......................................................................................... 101 3.2.2.1 OPC Server ............................................................................................... 102 3.2.2.2 OPC Client ................................................................................................ 102 3.2.2.3 OPC DA interfaces ................................................................................... 103 3.2.2.4 OPC DA Object Model ............................................................................. 105 3.2.2.5 Entiteit OPC Server................................................................................... 105 3.2.2.6 Entiteit OPC Group ................................................................................... 105 3.2.2.7 Entiteit OPC Item ...................................................................................... 105 3.2.2.8 OPC DA communicatieprincipes .............................................................. 106 3.2.2.9 Synchrone communicatie .......................................................................... 106 3.2.2.10 Asynchrone communicatie........................................................................ 107 3.2.2.11 Event-driven .............................................................................................. 108 3.2.3 Opzetten OPC Server ....................................................................................... 109 3.2.4 Implementatie OPC Client in VB.net ............................................................... 111 3.2.4.1 Aanspreken van de wrapper ...................................................................... 111 3.2.4.2 Objectenstructuur opstellen....................................................................... 112 3.2.4.3 Aanspreekwaarde drukknoppen en leds .................................................... 112 3.2.4.4 Aanspreekwaarde van de stopcontacten ................................................... 113 3.2.5 Visualisatie van het programma ....................................................................... 114
4 5
Besluit .......................................................................................... 115 Literatuurlijst ............................................................................. 116
Tom Rysman
VI
1 Inleiding De opwarming van de aarde of het broeikaseffect is een gevolg van de aanwezigheid van de atmosfeer, waarbij een deel van de inkomende zonnestraling wordt teruggestraald in de vorm van infrarode straling. Deze stralingswarmte kan door de aanwezigheid van de zogenaamde broeikasgassen, zoals MVOS1-en, NOX2-en en SOX3-en, de atmosfeer slechts ten dele verlaten en zodoende warmt onze aarde langzaam op. Ook de CO2-uitstoot (koolstofdioxide), afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen, draagt bij tot de opwarming van de aarde. Dit is een heet hangijzer dat bijna elke dag het nieuws haalt. Een van de meest dramatische gevolgen van de opwarming van de aarde zou zijn, dat de ijskappen van Groenland en Antarctica geheel of gedeeltelijk smelten. De mens kan meehelpen bij het beperken van de opwarming van de aarde door gebruik te maken van duurzame energiebronnen. Duurzaam betekent letterlijk ‘lang aanhoudend’ en ‘bestendig, geschikt om lang te bestaan’. Dit houdt in dat deze bronnen, zoals zonlicht, windkracht, waterkracht of aardwarmte, niet kunnen opraken. Elke kilowatt aan elektriciteit4, opgewekt door middel van fossiele brandstof, kost ons ten minste 850 gram CO2-uitstoot. Dit toont aan dat we zuinig moeten omspringen met onze energie. Het is ook voordelig voor de mens om zuinig te leven want de prijs5 voor 1 kWh6 is 21 tot 23 eurocent. We betalen namelijk ongeveer 12 eurocent (stroomprijs) + 10 eurocent (transportkosten + energiebelasting). Deze waarden zijn uiteraard afhankelijk van de elektriciteitsmaatschappij. Vanuit deze situaties is mijn thesis gegroeid. Dit eindwerk heeft als doel de studie en realisatie van een didactisch energiebord. Dit bord dient mensen, zowel jong als oud, aan te zetten om energiebewuster te leven. Het bord wordt eerst en vooral gebruikt in een energiecafé. Daarnaast is het de bedoeling dat het bord kan aangewend worden bij voordrachten die handelen rond energie. Tenslotte kan het bord ook benut worden op beurzen en in scholen. Een aantrekkelijk design moet de mensen aanzetten om uit eigen initiatief van het bord gebruik te maken. Het bord biedt de mensen meer informatie over het verbruik van verschillende soorten verlichting, sluimerverbruikers en huishoudtoestellen. Als energiebronnen komen zonneenergie, windenergie, waterkrachtenergie, blauwe energie en warmtepompen aan bod. Niet te vergeten is natuurlijk energiebehoud. Energie kan door middel van de juiste isolatiematerialen goed behouden blijven. Bij het goed isoleren van een woning is het uitermate belangrijk om ook op een correcte manier te ventileren. Dit alles valt onder de term “energiebehoud”.
1
MVOS: Methaan Vluchtige Organische Stoffen zijn stoffen die in belangrijke mate bijdragen tot het broeikaseffect. 2 NOX: Beschrijven NO (stikstofmomoxide) en NO2 (stikstofdioxide) 3 SOX: Beschrijven SO2 (zwaveldioxide) en SO3 (zwaveltrioxide) 4 Bron: www.milieucentraal.nl 5 Bron: www.eandis.be (Tarieven_elektriciteit.pdf) 6 1 kWh = 1000 Wh. 1 KWh komt overeen met een één uur durend geleverd vermogen van 1 kW.
Tom Rysman
1
Als hulpmiddel op het didactisch bord werd gekozen om een PC met touchscreen te implementeren om informatie weer te geven over de verschillende aanwezige componenten. Kort samengevat bevat mijn thesis dus een praktisch en theoretisch gedeelte. Het praktische gedeelte houdt het ontwerp van het energiebord in, samen met het schrijven van een aantrekkelijk bijpassend programma. Het theoretisch gedeelte houdt de, al dan niet diepere studie omtrent de aanwezige componenten in.
Tom Rysman
2
2 Energie-elementen 2.1 Energieverbruikers 2.1.1 Algemeen 2.1.1.1 Vermogen Watt (W) is de eenheid van vermogen en werd genoemd naar James Watt. Vermogen is een grootheid uit de natuurkunde die de energie of arbeid per tijdseenheid voorstelt. Een gloeilamp met een vermogen van 60 watt verbruikt een arbeid van 60 joule (J) per seconde (s).
met
P: E: t:
vermogen, in watt (W) energie of arbeid, in joule (J) tijd, in seconden (s)
(2.1)
1 1 1
.
(2.2)
Het vermogen (schijnbaar) kan ook uitgedrukt worden in de vorm van spanning (U) en stroom (I). Het schijnbaar vermogen S houdt geen rekening met de arbeidsfactor (cos φ).
. met
S: U: I:
Tom Rysman
(2.3)
schijnbaar vermogen, in volt ampère (VA) spanning, in volt (V) stroom, in ampère (A)
3
2.1.1.2 Energie Kilowattuur7 (kWh) is een meer eenvoudige uitdrukking van energie of arbeid. De SISI eenheid8 van energie is namelijk joule. Een joule (J) is een wattseconde (Ws), want één watt is één joule per seconde. Aangezien ‘kilo’ duizend betekent en er 3600 seconden gaan in een uur, is één kWh gelijk aan 3.600.000 J of 3,6 MJ (Mega9joule). Eén kWh kan dus gedefinieerd worden als de hoeveelheid elektrische arbeid of energie die, door een vermogen van één kilowatt gedurende één uur, geleverd wordt. 2.1.1.3 Lichtsterkte Candela (cd) is de internationale rekeneenheid voor lichtsterkte. 1 cd (kaarsvlammetje) verlicht een en vlak op een afstand van 1 meter met 1 lux. Hoe hoger de waarde licht, licht hoe meer licht. 2.1.1.4 Lichtstroom Lumen (lm) is een rekeneenheid voor lichtstroom (bundeling van licht). De lichtstroom is de hoeveelheid stralingsenergie die per seconde in alle richtingen door een puntvormige lichtbron wordt uitgezonden. Deze is afhankelijk van het vermogen van de bron en de kleur van het licht. 1 lumen straalt ongeveer 4,09 x 1018 fotonen10 per seconde uit. 2.1.1.5 Lichtopbrengst Er wordt gerekend met lumen per watt (lm/W) om het lichtrendement te bepalen. Als we één watt aan vermogen in een lamp stoppen, stoppen krijgen we een hoeveelheid licht uit de lamp. Hoe hoger deze waarde ligt, hoe beter de lamp met zijn energie omspringt. 2.1.1.6 Kleurtemperatuur Kelvin11(K) is de notatie voor thermodynamische thermodynamische temperatuur ofwel kleurtemperatuur. Kelvin wordt gebruikt om de hoeveelheid wit licht aan te geven. Hoe hoger de waarde hoe witter het licht. Eens ens over de 6000 K begint de geleidelijke neiging naar blauw licht. 2700 K wordt ervaren als een ‘warm wit licht’, 4700 K levert een ‘daglichteffect’ op en 5400 K wordt dan als ‘koud wit licht’ ervaren.
Figuur 2..1: Kleurenspectrum met hun bijhorende K-waarde
7
Bron: www.encyclo.nl SI: Système International d’Unités: Internationaal systeem van eenheden om fysische en chemische grootheden te meten 9 Mega = 1.000.000 10 Fotonen: Bijna massaloze energiedeeltjes en worden ook lichtdeeltjes genoemd. 11 Kelvin: 0 K wordt gezien als het absolute minpunt en komt overeen met -273,15 °C. 8
Tom Rysman
4
De mens erkent zichtbaar licht wanneer het licht tussen een golflengte van 380 tot 800 nanometer12 (nm) ligt. Hoe hoger de kleurtemperatuur, hoe hoger ook de lichtintensiteit is. Door middel van de formule van Planck kunnen we precies gaan aangeven wat de verdeling van de uitgestraalde vermogen (I) over de verschillende golflengten is.
Figuur 2.2: Curven van Planck
Formule van Planck13:
met
12 13
I: π: λ: h: c: k:
.
!"
#
(2.4)
uitgestraald vermogen, in Watt per vierkante meter (W/m²) constante pi, 3,1415 golflengte, in meter (m) evenredigheidsconstante of constante van Planck, 6,62 x 10-34 Js (joulesec.). lichtsnelheid, 299.792.458 m/s ≈ 300.000.000 m/s (meter per sec) constante van Boltzmann, 1.38 x 10-23 J/K (joule per Kelvin)
Nanometer: 1 nm = 1 x 10-9 m. Bron: www.ster.be
Tom Rysman
5
2.1.1.7 Kleurweergave-index Licht geeft ons de mogelijkheid om te kunnen zien en is essentieel voor onze waarneming, ons gevoel van veiligheid en de manier waarop we kleuren en bewegingen ervaren. De kleurweergave-index (CRI14) of Ra-waarde wordt uitgedrukt in procent (%) en bepaalt hoe correct een kleur van een belicht oppervlak, door een bepaalde lichtbron, waargenomen wordt. Iedereen kent het fenomeen waarbij men bij een pasbeurt in de kledingwinkel naar buiten loopt om de ‘echte’ kleur(weergave) van de kleding te zien. Daglicht heeft een Ra-waarde die hoger ligt dan 90%. Er kan gesteld worden dat de kleuren van een oppervlak correct kunnen waargenomen worden als de lichtbron een Ra-waarde bezit die hoger is dan 76%.
Figuur 2.3: Kleurenspectrum + Ra - waarden
14
CRI: ‘Color Rendering Index’ is Engels voor de kleurweergave-index.
Tom Rysman
6
2.1.1.8 Levensduur De levensduur van een lamp wordt uitgedrukt in branduren. Door middel van testen, onder ideale omstandigheden, wordt het aantal branduren bepaald. Telkens een lamp aan – of uitgeschakeld wordt, verliest deze een deeltje van zijn toegewezen aantal branduren. Ook de temperatuur en de vochtigheid kan een rol spelen.
Tom Rysman
7
2.1.2 Gloeilampen De gloeilamp is een warmtestraler en is de grootste verbruiker uit de huiselijke verlichting en is uitgevonden door Thomas Alva Edison in 1879. 2.1.2.1 Werking Een gloeilamp is een glazen bolletje met een wanddikte van een halve millimeter. Binnenin de gloeilamp verhit een elektrische stroom de gloeidraad die bestaat uit het hardmetaal wolfraam (smeltpunt 3410 °C). De stroom warmt de draad op tot 3000 °C, waardoor deze licht uitstraalt. Het gas dat aanwezig is in de gloeilamp, is argon en voorkomt koolvorming op de gloeidraad. Het glas en de gasvulling zorgen er anderzijds ook voor dat er geen zuurstof aan het draadje kan, waardoor bij het doorsturen van een elektrische stroom, het spontaan zou ontbranden. 2.1.2.2 Lichtopbrengst Een gloeilamp heeft echter een zeer kleine lichtopbrengst (≈ 14 lm/W). Dat is de hoeveelheid elektrische energie die de lamp in licht omzet. Ze zet 90 à 95 % van de verbruikte energie niet om in licht, maar in warmte. 90 à 95 % van de toegevoerde energie kan dus gezien worden als dissipatievermogen15. Sommige bronnen beweren daarom dat in de winter het gebruik van gloeilampen toch een efficiënte werking heeft. Dit is echter niet correct. Om deze warmte op te wekken is een heel stuk meer energie nodig dan verwarmen met huisbrandolie of aardgas. Daarbij komen dan nog eens de energieverliezen (≈ 2%) tijdens het transport van de elektriciteit. Gloeilampen hebben dus een grote impact op de uitstoot van CO2. Bovendien verdampt, door de vrijgekomen warmte, de gloeidraad in de lamp. De verdampte deeltjes zetten zich af tegen de binnenwand van de lamp, waardoor deze langzamerhand zwart wordt en de lichtopbrengst nog verkleint. Door de verdamping verdunt de gloeidraad ook, waardoor deze uiteindelijk breekt en de lamp stuk gaat.
Figuur 2.4: Gloeilamp
15
Dissipatievermogen: Onvermijdelijke warmteontwikkeling in een belasting of regeling van elektrische stroom. Meestal wordt deze onvermijdelijke warmteontwikkeling gezien als warmteverlies of vermogenverlies.
Tom Rysman
8
2.1.2.3 Kleurtemperatuur Gloeilampen leveren een warm licht op (≈ 2.700 K). 2.1.2.4 Kleurweergave-index Het licht van een gloeilamp heeft een uitstekende kleurweergave (Ra ≈ 100%). 2.1.2.5 Levensduur Gloeilampen hebben, met hun 1.000 branduren, een relatief korte levensduur. Een belangrijk voordeel is dan wel terug dat deze gloeilampen goedkoop zijn in aankoop (€ 0,50 - 1,50). Verder vindt u ze in allerlei vormen en groottes in de winkelrekken. 2.1.2.6 Dimmen Door een gloeilamp te dimmen zal de gloeidraad minder snel verdampen en heeft dit dus een gunstige invloed op de levensduur ervan. Ook zal er minder stroom door de lamp vloeien waardoor minder energie verbruikt wordt.
Tom Rysman
9
2.1.3 Halogeenlamp 2.1.3.1 Werking De halogeenlamp is ook een warmtestraler16 en een verbeterde versie van de gloeilamp. Het belangrijkste verschil is dat de halogeenlamp een inert17 gas bevat waardoor de wolfraamdeeltjes zich niet zo snel tegen de binnenwand van de lamp afzetten. De verdampte deeltjes slaan weer neer op de gloeidraad. gloeidraad. Bovendien is de wand van de lamp niet van glas, maar van kwarts of thermisch glas en staat het inerte gas onder hoge druk. De halogeencyclus (Figuur Figuur 2.5) 2.5 bestaat uit een aantal stappen. De wolfraamdraad verdampt, waardoor de atomen richting de koude wand van de lamp (300-600°C) bewegen. Onderweg binden de atomen zich met halogeenatomen dankzij de aanwezige warmte. De gevormde moleculen worden door hun gewicht en de conversiestromen in de lamp teruggebracht in de buurt van an de gloeidraad. Tenslotte vallen, vall , dichtbij de gloeidraad, de moleculen molecule terug uiteen in wolfraam atomen door de grote hitte. Hierbij hechten deze atomen zich terug aan de gloeidraad en zijn ze klaar voor een nieuwe cyclus.
Figuur 2.5: Halogeencyclus
In theorie zou een halogeenlamp dus ook kunnen besparen op energie-uitgaven energie uitgaven en het milieu. In de praktijk blijft dit effect uit omdat halogeenlampen meestal geen vervangers zijn van andere lampen. Ze worden integendeel als bijkomende verlichting verlichting gebruikt en verhogen zo het energieverbruik. De halogeenlamp is in vergelijking met de gloeilamp iets duurder in aanschaf. aanschaf Ze onderscheidt zich ook van de andere gloeilampen, gloeilampen doordat de prestaties ongeveer de gehele g levensduur constant blijven en ze vaak kleiner zijn dan gewone gloeilampen.
Figuur 2.6: Halogeenlampen
16 17
Warmtestraler: Is een element die door middel van verhitting van een gloeidraad licht kan opwekken. Inert gas: Is een gas die niet of nauwelijks reageert met vrijwel alle andere chemicaliën.
Tom Rysman
10
De middelste en rechtse halogeenlamp uit Figuur 2.6 mogen niet met de vingers aangeraakt worden. De glazen ballon van een halogeenlamp is gemaakt van kwartsglas, dat een hogere temperatuur aan kan dan gewoon glas. Het met de vingers aanraken van dit glas tast in koude toestand het glas nauwelijks aan. Pas bij een brandende lamp zullen de van de vingers afkomstige vetten en andere vuiligheid door de grote hitte inbranden in het kwartsglas. Met als gevolg dat het glas op die plaatsen ondoorzichtiger wordt, waardoor het glas op die plaats nog heter zal worden en versneld kapot zal gaan. Mocht het glas toch onverhoopt met de vingers zijn aangeraakt, dan kan de lamp met behulp van alcohol worden schoongemaakt. Uiteraard mag de lamp pas terug ingeschakeld worden eens alle alcohol verdampt is. Halogeenlampen stralen meer ultraviolet licht uit, waardoor belichte voorwerpen sneller verkleuren. Een oplossing hiervoor is kiezen voor een lamp met UV-beschermglas, zie linkse halogeenlamp uit Figuur 2.6. 2.1.3.2 Lichtopbrengst Een halogeenlamp heeft een lichtopbrengst van ongeveer 35 lm/W. 2.1.3.3 Kleurtemperatuur Halogeenlampen leveren, net zoals de gloeilamp, een warm wit licht op (≈ 3.200 K). 2.1.3.4 Kleurweergave-index Het licht van een halogeenlamp heeft een mindere kleurweergave-index dan een gloeilamp (Ra ≈ 80-90%). Toch kunnen we de kleuren, door middel van een halogeenlamp nog goed onderscheiden, daar deze waarde nog hoger ligt dan 76%. 2.1.3.5 Levensduur Door de bovenstaande eigenschappen brandt een halogeenlamp in vergelijking met een gloeilamp twee tot vier keer langer. Een halogeenlamp gaat dus ongeveer 2.000 tot 4.000 branduren mee. 2.1.3.6 Dimmen Een halogeenlamp (op 230 V) is net zoals de gloeilamp eenvoudig dimbaar, weliswaar zal de levensduur bij het dimmen niet vergroten. Dit komt doordat de lamp een bepaalde temperatuur nodig heeft, zodat de wolfraamdeeltjes terug zouden neerslaan op de gloeidraad. Deze deeltjes slaan, in plaats daarvan, neer op het kwarts- of thermisch glas. Dit is na verloop van tijd zichtbaar, daar het glas langzaamaan zwart wordt. Logischerwijs resulteert dit zwart laagje in een mindere lichtopbrengst van de lamp, alsook verdunt de gloeidraad sneller en brandt dan ook sneller door. Dimmen van halogeenlampen zorgt daarnaast wel voor de beste huiselijke sfeer qua verlichting.
Tom Rysman
11
2.1.4 Spaarlamp De spaarlamp is een in de jaren 1970 ontwikkeld type lamp, die eind jaren 1980 op de markt kwam. De spaarlamp is een compacte versie van een TL (tube luminescent)luminescent) of fluorescentielamp. Inn het Engels wordt ze daarom omschreven als Compact Fluorescent Fluor Lamp (CFL). Een spaarlamp is dus, net als de TL-lamp, TL een gasontladingslamp. 2.1.4.1 Werking De lamp bestaat uit éénn of meer gebogen glazen buisjes, met daarin kwikdamp. Aan beide uiteinden van elk buisje bevindt zich een elektrode. Als we de lamp inschakelen, wordt de kwikdamp aan beide elektroden verwarmt voor een betere geleiding. De elektrische stroom veroorzaakt tussen deze eze elektroden een gasontlading, gasontlading waarbij de kwikdamp ultraviolet licht uitstraalt.. Dat wordt in zichtbaar licht omgezet door een fluorescerende laag laa op de binnenwand van de lamp.
Figuur 2.7: Spaarlamp
2.1.4.2 Lichtopbrengst Een spaarlamp brengt gemiddeld ongeveer vijf keer meer licht (≈ 70 lm/W) op dan een gloeilamp. Anders gezegd betekent dit dat een spaarlamp van 20 W evenveel licht opbrengt als een gloeilamp van 100 W. Tabel 2..1: Overschakeling van gloeilamp naar spaarlamp
Gloeilamp 25 Watt 40 Watt 60 Watt 75 Watt 100 Watt
Tom Rysman
Spaarlamp 5 Watt 8 Watt 12 Watt 15 Watt 20 Watt
12
2.1.4.3 Kleurtemperatuur Het licht van een spaarlamp wordt door veel mensen als onprettig ervaren. Dit komt doordat de fluorescerende laag van een spaarlamp slechts een smal spectrum aan kleuren kan opwekken. Men kan wel meerdere soorten fluorescerend materiaal gebruiken om natuurlijk licht, of met andere woorden een kleurtemperatuur van 2700 K, zo goed mogelijk na te bootsen. Hierbij daalt echter voor de meeste merken de lichtopbrengst tot ongeveer 50 lm/W. 2.1.4.4 Kleurweergave-index De Ra-waarde van een spaarlamp ligt tussen de 70 à 85%. Aangezien er spaarlampen bestaan die een Ra-waarde bezitten van minder dan 76%, kan de mogelijkheid zich voordoen dat kleuren niet goed kunnen worden waargenomen. 2.1.4.5 Levensduur Spaarlampen zijn een stuk duurder (≈ 6 euro/st) dan gloeilampen, maar gaan tot 10 keer langer mee (≈ 10.000 branduren). Daar ze een heel stuk minder verbruiken, betalen ze zichzelf dus meestal op korte termijn terug. 2.1.4.6 Dimmen Gewone dimmers kunnen bij spaarlampen niet gebruikt worden. Als de spanning te laag wordt, zal de lamp gaan knipperen (pendelen). Hierdoor neemt de levensduur van de lamp snel af. De spaarlamp is op twee manieren beperkt dimbaar. Dimbare spaarlampen zijn te dimmen door middel van een specifieke dimmer voor spaarlampen en door een aan/uit-schakelaar. Deze eerste is dimbaar in beperkte mate daar de eerste 15% niet degelijk dimbaar is. De laatste is te dimmen in verschillende vaste standen (bvb 100%, 66%, 33%, 5%). Er kan opgemerkt worden dat de levensduur van de spaarlampen, door te dimmen en veel aan- en uit te schakelen, aanzienlijk daalt. Er is ook een dimbare elektronische ballast. Normaal gesproken regelt men dan de frequentie van de lamp door het insturen van een analoog signaal van 0-10V DC. Doordat de lamp aangestuurd wordt met een hogere frequentie is het flikkeren van de lamp geminimaliseerd, in zoverre dat wij het niet meer zien. 2.1.4.7 Vorm en grootte Spaarlampen bestaan in allerlei vormen: spiraalvormig, bolvormig (meestal erg groot), cilindervormig of peervormig. Bij de laatste drie vormen zijn de buisjes van de spaarlamp omhuld door een tweede glazen wand. De fitting van spaarlampen stemt overeen met die van gloeilampen. Wel moet voor een grote lichtopbrengst de lamp tamelijk groot zijn. Daardoor oogt ze niet altijd mooi in bestaande lichtarmaturen, die vaak zijn ontworpen voor een gloeilamp of halogeenlamp. De huidige generatie is lichter en compacter dan vroeger, maar helemaal opgelost is het probleem niet.
Tom Rysman
13
2.1.4.8 Wat betekent het cijfer 827 op een spaarlamp De meeste klassieke spaarlampen met schroefdraadfitting18 (E27 of E 14) zijn alleen maar te krijgen in kleur 827. Deze lampen bezitten een kleurtemperatuur kleurtemperatuur van 2700 K, wat dus een warm wit licht is. Spaarlampen met steekfitting (zonder ballast) bieden een grotere keuze. Daar vind je naast 827 ook 830, 840, 930, 940 en 950. Het eerste cijfer slaat op de kleurweergave-index: kleurweergave 8 betekent een Ra-waarde groter ter of gelijk aan 80%, een 9 betekent dus een Ra-waarde Ra groter of gelijk aan 90%. De twee volgende cijfers slaan op de kleurtemperatuur: kleurtemperatuur 27 betekent een kleurtemperatuur van 2700K, 30 betekent een kleurweergave van 3000 K. 2.1.4.9 Energielabel De Europese Commissiee verplicht dat op de verpakking van de spaarlamp het energielabel vermeld staat19. Op het energielabel staat, staat door middel van een letter aangegeven, aangegeven in welke mate dit element energie verbruikt. Een A-label A label springt het zuinigst om met energie, een GG label iss het minst zuinig. Spaarlampen krijgen meestal het energielabel A of B toegekend.
Figuur 2.8: Energielabel
2.1.4.10 Ballast Net als een TL-lamp lamp bezit de spaarlamp een ballast. ballast Deze eze werkt op hetzelfde principe. Een ballast heeft twee functies, enerzijds zorgen ze voor een hoge hog startspanning spanning en anderzijds zorgen ze voor het limiteren van de stroom na het opstarten. Er bestaan twee types ballasten, de magnetische en de elektronische ballast. Magnetisch ballast (MVSA20):: De standaard magnetische ballast gebruikt een combinatie van inductieve en capacitieve netwerken om de lampstroom te te limiteren. Aluminium om gelamelleerde gelamelleer ijzeren plaatjes vormen de inductor. De energie-efficiënte magnetische ballast is de verbeterde versie van de standaard ballast. Hier is het aluminium van de spoel vervangen door koper en zijn de gelamelleerde gela ijzeren plaatjes langer. Dit resulteert in een betere efficiëntie, efficiëntie doordat het koper een lagere weerstandswaarde heeft dan aluminium. Het grotere oppervlak van de metalen plaatjes zorgt voor een betere warmteafgifte waardoor de ballast koeler blijft. 18
Schroefdraadfitting: Ook Edison--schroeffitting schroeffitting genoemd. Hierbij wordt de lamp in de fitting geplaatst door midden van een schroefbeweging. 19 Bron: www.changezdampoule.be en www.lightplus.be 20 MVSA: Magnetisch voorschakelapparaat
Tom Rysman
14
Figuur 2.9:: Opstelling spaarlamp en TL-lamp TL met magnetische ballast
De ballast is in serie geschakeld met de lamp en de starter. Indien er spanning op het geheel gezet wordt, gaat er een stroom lopen door de gloeidraden van de lamp, waardoor deze opgewarmd wordt.. Indien de starter uitschakelt (dit is in wezen een bimetaal21), veroorzaakt de ballast een grote spanningspiek (± 1.000 V), waardoor een elektrische boog ontstaat van de ene naar de andere zijde van de lamp. Deze boog gaat een wisselwerking aan met het in de buis aanwezige gas, welke een stralingsenergie produceert produceert (ionisatie). Deze stralingsenergie strijkt langs de binnenkant van de buis tegen de fosforlaag op het glas, waardoor zichtbaar licht uitgestraald wordt. ballas Als de lamp brandt,, is de starter uitgeschakeld. Dee stroom vloeit door de lamp en de ballast dient nu als stroombegrenzer. Als er geen ballast gebruikt wordt, wordt zal de stroom alsmaar toenemen en de lamp zal zichzelf vernietigen. De ballast is gemaakt voor een bepaalde voedingsspanning met enige tolerantie. Indien de spanning onder de tolerantie zakt, zal de lamp niet ontsteken. Is de spanning boven de tolerantie, dan zal de lamp meer stroom gaan trekken en zal ze na verloop van tijd stuk gaan. De magnetische ballast werkt op een netfrequentie van 50 Hz. Hierbij flikkert de lamp aan een frequentie van 100 Hz. Elke cyclus wordt het gas as dan geïoniseerd en gedeïoniseerd. Alleen dit al kan 25% van de gebruikte gebruikt energie uitmaken. Elektronische ballast (EVSA22): Een elektronische ballast is opgebouwd uit verschillende onderdelen, onderdelen zoals een RFI/EMI filter, gelijkrichter en DC-filter, filter, inverter en een stroombegrenzer (Figuur Figuur 2.10). 2. De RFI/EMI23 filter werkt als beveiliging / scheiding van de netspanning en interne spanning van de ballast. De gelijkrichter en DC-filter filter zetten de wisselspanning wisselspanning van het net om naar een gefilterde gelijkspanning. De inverter zet de gelijkspanning om naar een hoogfrequente (20 à 100 kHz) wisselspanning. Met deze frequentie heeft het gas niet genoeg tijd om te deïoniseren, deïoniseren waardoor deze in de geïoniseerde toestand toestand blijft. Theoretisch hebben wij hier dus een winst van 25% op het energieverbruik t.o.v. de magnetische ballast. Een elektronische ballast is niet geschikt voor alle type lampen. Sommige kunnen wel meerdere types aan. Doordat de elektronische ballast efficiënter is met zijn energie kan de lichtopbrengst lichtopbrengst tot 20% hoger zijn. 21
Bimetaal bestaat estaat uit twee verschillende, op elkaar gewalste, stukken metaal. Deze twee materialen hebben een verschillende uitzettingscoëfficiënt, waardoor het bimetaal bij temperatuurswijziging zal buigen. Bij een starter kan verondersteld worden dat daardoor een schakelaartje s geopend wordt. 22 EVSA: Elektronisch voorschakelapparaat 23 RFI: Radio Frequentie Interface; in het Engels: EMI: Electromagnetic Interface. Dit is ongewenste hooghoog frequente energie, veroorzaakt door schakelen van transistoren, uitgangs-gelijkrichters uitgangs hters en zenerdiodes in de schakelende voeding.
Tom Rysman
15
Figuur 2.10: Opstelling spaarlamp en TL-lamp met elektronische ballast
EOL staat voor End Of Live. Aan het eind van de levensduur van een lamp gaat de stroom door de gloeidraad enorm oplopen. Hiertegen moet een elektronische ballast beschermd zijn. Kies dus voor een type die een EOL heeft. Anders is er kans dat het elektronische VSA opgeblazen wordt, indien de lampen niet tijdig gewisseld worden. 2.1.4.11 Nadelen van spaarlampen De voordelen van spaarlampen zijn dus niet min, toch hebben ze ook enkele nadelen, die consumenten van een overstap kunnen weerhouden: De ontstekingssnelheid In tegenstelling tot gloeilampen bereiken spaarlampen pas na enkele seconden of minuten de maximale lichtintensiteit. Niet alle lampen kampen met een trage ontsteking. De resultaten hiervan zijn verdeeld. De trage ontstekingssnelheid kan een probleem zijn als u spaarlampen wilt gebruiken in een kamer, waarin u over het algemeen niet lang vertoeft, maar wel meteen voldoende licht nodig hebt, zoals een badkamer of wc. Daarom worden spaarlampen best gebruikt op plaatsen waar het licht lang mag branden, zoals in de woonkamer of de keuken. Hinder van koude In een koude omgeving ontsteken spaarlampen over het algemeen nog trager en soms brengen ze ook minder licht op. Dit blijkt bij ongeveer de helft van spaarlampen. Een kwart hiervan kampt in ernstige mate met dit probleem. Over het algemeen raden fabrikanten het gebruik buiten of in een koude omgeving af. In de winkel vindt u wel spaarlampen die speciaal voor dergelijk gebruik zijn bedoeld. Elektromagnetische veld Net als de TL-lamp creëert de spaarlamp een elektromagnetisch veld, dat door sommigen als onprettig kan worden ervaren.
Tom Rysman
16
Spaarlampen horen bij het KGA24 Kapotte spaarlampen mogen nooit bij het restafval gedeponeerd worden. Ze bevatten immers kwikdamp, een giftig en uiterst milieuonvriendelijk gas. Daardoor behoren ze tot het klein gevaarlijk afval. Kwikdamp kan, eenmaal het in de longen terecht komt, door inademing ernstige schade toebrengen aan de hersenen, het zenuwstelsel, de lever en de nieren. Onder andere Philips en Osram werken aan spaarlampen waarin de kwikcomponent vervangen is door het edelgas25 Xenon. Daardoor kunnen deze lampen, op Xenon - basis, bij het gewone afval gedeponeerd worden. Xenon geleidt zoals kwikdamp ook heel goed, echter is de geleiding toch minder efficiënt, waardoor meer energie nodig is om de lamp te laten branden. Harmonischen26 De spanning in West-Europa heeft een frequentie van 50 Hz. Men spreekt van harmonische vervorming wanneer er ook andere frequenties dan deze grondfrequentie aanwezig zijn. Hogere harmonischen zijn de oorzaak van de vervorming. Dit zijn veelvouden van de 50 Hz grondfrequentie. Mogelijke gevolgen van harmonische vervorming zijn: extra energieverliezen, uitval van elektronische apparatuur en overbelasting van nulgeleiders. De Netcode stelt grenzen aan de totale harmonische vervorming (THD27). Deze grens bedraagt voor het laag- en middenspanningsnetwerk 8% gedurende 95% van een week. Voor hoogspanningsnetten van 110 kV en hoger gelden strengere eisen. Bij een lineaire verbruiker zal bij het aanleggen van een sinusvormige spanning een sinusvormige stroom vloeien, al dan niet met een bepaalde faseverschuiving. Niet-lineaire verbruikers daarentegen ontrekken bij het aanleggen van een sinusvormige spanning een niet sinusvormige stroom. Harmonische vervorming wordt veroorzaakt door deze niet-lineaire belastingen. De belangrijkste bron van harmonische vervuiling is vermogenelektronica, zoals gelijkrichters van computers, televisies of besturingskasten van elektrische motoren. Ook spaarlampen en TL-buizen veroorzaken hogere harmonischen in het elektriciteitsnetwerk. Er zijn verschillende methoden om harmonische vervuiling terug te dringen, zoals het toepassen van passieve filters voor een specifieke frequentie en actieve filters, die zich kan aanpassen aan de varianten van de harmonischen.
24
KGA: Klein Gevaarlijk Afval Edelgas: Een edelgas is een scheikundig element uit de edelgasgroep van het periodiek systeem waarbij de buitenste elektronenschil volledig gevuld is. 26 Bron: www.gifkikker.nl, www.et-installateur.nl en www.IEEE.org (Side Effects of Energy Saving Lamps) 27 THD: Total Harmonic Distortion 25
Tom Rysman
17
Positie en buitentemperatuur28: De positie waarin een spaarlamp zich bevindt is, net als de temperatuur buiten de lamp is van belang. Wanneer de lamp gemonteerd is in zijn houder, met zijn glas naar boven, dan is de bovenkant van het glas warmer dan de onderkant. In dit geval kan de warmte, die de elektroden produceren, niet goed verdeeld worden. Dit is vooral belangrijk wanneer de buitentemperatuur lager is dan 20°C. Wanneer de buitentemperatuur lager is dan -10°C, kan de lampefficiëntie dalen met 90%.
Figuur 2.11: Lampefficiëntie in funtie van de buitentemperatuur
De lichtopbrengst van een 20 W spaarlamp zou ongeveer dezelfde lichtopbrengst moeten hebben als een 100 W gloeilamp. Wanneer we een spaarlamp nemen die recht opstaat, bij een temperatuur van 0°C, zal de spaarlamp maar zoveel licht produceren als een gloeilamp van 60W.
Figuur 2.12: Lumineuze flux in functie van het vermogen bij lage temperaturen (opstaande lamp)
28
Bron: IEEE/PES and NTUA, Athens, Greece, Side effects of energy saving lamps – October 14-6, 1998
Tom Rysman
18
Ook een hoge temperatuur zorgt voor een daling van de lichtopbrengst. Dit effect is meest zichtbaar bij spaarlampen die naar beneden hangen.
Figuur 2.13: Lumineuze flux in functie van het vermogen bij hoge temperaturen (hangende lamp)
Terugwintijd29: Wanneer een lamp minder dan 2,3 uur zou branden per dag, is het niet nuttig om een spaarlamp te gebruiken, daar de terugwintijd langer is dan de levensduur.
Figuur 2.14: Terugwintijd in functie van de werkuren van de lamp per dag
2.1.4.12 Conclusie van spaarlampen In praktijk worden de voordelen van spaarlampen dikwijls overschat, terwijl de negatieve effecten vreemd genoeg bijna nooit besproken worden. Spaarlampen worden door de overheid en elektriciteitsmaatschappijen gepromoot door middel van onvolledige reclame, subsidies en premies. Ze besparen wel energie en kosten, maar daarnaast vervuilen ze ook (voor velen onbewust) het elektriciteitsnet, dragen ze bij tot de vermindering van de levensduur van nevenapparaten en bevatten ze een schadelijke kwikdamp. 29
Bron: IEEE/PES and NTUA, Athens, Greece, Side effects of energy saving lamps – October 14-6, 1998
Tom Rysman
19
2.1.5 Ledlamp Led staat voor ‘Light Light Emitting Diode30’ en wordt gezien als de lamp van de toekomst. In 1962 werd door Nick Holonyak de eerst werkende led ontwikkeld. ontwikkeld. Vrijwel alle afstandsbedieningen en sturen hun commando met behulp van de infrarode led. Infrarood is niet zichtbaar voor ons oog, waardoor er geen gezichthinder is en er toch een commando kan overgedragen worden. De hooghelderheidsleds zijn sinds 2000 gestaag31 in opmars om gloeilampen in bvb. verkeerslichten, waarschuwingsborden waarschuwingsborden en stoplichten te vervangen.
Figuur 2.15: Verschillende soorten leds
Een ledlamp (Figuur 2.16)) bestaat uit een heel aantal leds (meest linkse led van Figuur 2.15) die naast elkaar gepositioneerd staan, waardoor de lichtopbrengst vergroot wordt.
Figuur 2.16: De ledlamp
30 31
Light Emitting Diode: Diode die licht uitstraalt. Gestaag: Voortdurend en in gelijk blijvend tempo.
Tom Rysman
20
Figuur 2.17: Doorsnede van een led
2.1.5.1 Werking Een licht uitzendende diode of led bestaat uit twee verschillende soorten halfgeleidende halfgeleidend materialen (vaak varianten van galliumarsenide) die elkaar raken. Het N- materiaal (rechts op Figuur 2.18) bevat een aantal antal vrij bewegende elektronen. Het P-materiaal materiaal (links) heeft een tekort aan elektronen, dat zich manifesteert als een aantal beweeglijke 'gaten'. Onder invloed van een elektrische spanning bewegen de negatief geladen elektronen en de gaten in tegengestelde richting.. Wanneer een elektron een gat ontmoet, neemt deze de plaats van het gat in.. De energie die daarbij vrijkomt, wordt uitgezonden in de vorm van licht met een bepaalde golflengte. Het dunne gouddraadje maakt de verbinding van de kathode met de anode. Het draadje adje moet zo dun mogelijk zijn om een zo groot mogelijke lichtopbrengst te hebben. Goud oud heeft na zilver de kleinste elektrische weerstand en is dus de op één na beste elektrische geleider. Goud heeft een smeltpunt van 1062 °C. Zilver heeft een smeltpunt van 961,78°C. Daar deze van goud zo’n 100 °C hoger ligt, kreeg dit metaal de voorkeur.
Figuur 2.18: Werking van de led (elektronen en gaten)
Tom Rysman
21
2.1.5.2 Lichtopbrengst De lichtopbrengst van een ledlamp kan sterk variëren. Vandaag andaag hebben deze een lichtopbrengst van 30 tot 60 lm/W. In 2006 werd reeds een ledlamp ontworpen die een lichtopbrengst had van 131 lm/W32. Deze lamp zal in de toekomst hoogstwaarschijnlijk wel in de winkelrekken te vinden zijn. 2.1.5.3 Kleurtemperatuur
Figuur 2.19: Golflengte
De kleur van het opgewekte licht is afhankelijk van de aard van de halfgeleidermaterialen, halfgeleidermaterialen waaruit de led is opgebouwd. Meer specifiek betekent dit dat de kleur afhankelijk is van de breedte van de verboden zone (bandgap) tussen de valentieband33 en de geleidingsband34 (Figuur 2.20).. Dit is de verklaring waarom een lange golflengte (Figuur Figuur 2.19 2. – Rood) een lagere doorlaatspanning heeft dan een led met een korte golflengte (Figuur Figuur 2.19 2. – Blauw). Een rode led brandt bijvoorbeeld bij 1,2 1, V, een blauwe gaat pas branden bij 3 V (Figuur 2.21).
Figuur 2.20: Geleider, halfgeleider en isolator
Figuur 2.20 toont aan hoe de geleidingsband gesitueerd is tegenover de valentieband bij een geleider, halfgeleider en isolator. Metaal is een geleider en is dus in staat om zonder grote moeite elektronen te laten bewegen. bewe Metaal is dus een goede elektrische geleider. Een isolator
32
Bron: www.cree.com Valentieband: Is de energieband die de meeste elektronen bevat. 34 Geleidingsband: gsband: Is de energieband die het minst elektronen bevat. De elektronen bevinden zich in een toestand met een bepaalde energie en zullen het liefst de laagste energie bezitten. 33
Tom Rysman
22
(niet-geleider), zoals porselein, rubber, gedestilleerd water35 en glas laten geen elektrisch stroom door. Een halfgeleider is een soort tussen een geleider en isolator. Deze is tot een bepaalde grens in staat om te functioneren als isolator. De materialen streven naar een equipotentiaal, wat betekent dat de twee materialen streven naar een gelijke spanning. Bij een bepaald spanningsverschil is de halfgeleider niet meer in staat om dit spanningsverschil op te houden en wordt een elektron van de valentieband naar de geleidingsband gebracht. Dit gaat gepaard met lichtemissie. Hoe groter de bandgap, hoe hoger de spanning tussen beide halfgeleidermaterialen moet zijn voor een elektronenoverdracht en hoe korter de golflengte van het vrijgekomen licht zal zijn.
Figuur 2.21: Ledkarakteristieken Tabel 2.2: Kleuremissie
Halfgeleidermateriaal Gallium-aluminiumarsenide Galliumarseenfosfide Galliumnitride Galliumfosfide Zinkselenide Siliciumcarbide Indiumgalliumnitride Diamant
Afkorting AlGaAs GaAsP GaN GaP ZnSe SiC InGaN C
Kleur Rood of infrarood Rood, oranje of geel Groen Groen Blauw Blauw Blauw of ultraviolet Ultraviolet
35
Gedestilleerd water is een isolator, daar er geen metalen zoals natrium, magnesium, kalium en koper (nonferro-metaal) aanwezig zijn.
Tom Rysman
23
2.1.5.4 Kleurweergave-index index De kleurweergave-index index van ledlampen varieert, varieert daar veel verschillende kleuren bestaan van ledlampen. De helder witte led heeft een Ra-waarde Ra van 98%36. 2.1.5.5 Levensduur De levensduur van de ledlamp ligt tegen de 100.000 uren. uren Dit it betekent in theorie dat een ledlamp tot 100x langer zou meegaan dan een gloeilamp. 2.1.5.6 Dimmen Fase-aansnijding en fase-afsnijding afsnijding37:
Figuur 2.22 22: Fase-aansnijding (links) en fase-afsnijding (rechts)
Leds kunnen bijna niet gedimd worden door middel van een gewone dimmer (0-100%). Om leds te dimmen, is inn werkelijkheid het bereik verplaatst naar de lagere stand van de dimmer (0-10%).. Dit komt doordat de LED veel licht blijft geven als het vermogen omlaag gaat (50% vermogen geeft 50% of meer licht) in tegenstelling met een gloeilamp die bij 50% vermogen nog maar 15-20% 20% licht geeft. Het is zelfs zo dat als door een led minder stroom gestuurd wordt, deze een hogere lichtopbrengst per watt w heeft. Bvb. geeft een led bij 700mA 2.5W 100 lumen. lumen. Diezelfde led geeft bij 350mA 1,2W 70 lumen. Bij een halvering van de stroom zakt de lichtintensiteit dus slechts 30%. Het voordeel el van dit systeem is dat de levensduur van de lamp hiermee verlengd wordt.
36 37
Bron: link.aip.org Bron: www.lumotech.com en www.e-plan.josefscholz.de www.e
Tom Rysman
24
PWM:
Figuur 2.23: Pulsbreedtemodulatie
PWM staat voor Pulse Width Modulation of in het Nederlands, pulsbreedtemodulatie. Leds Led kunnen, doordat ze bestaan uit een halfgeleider, halfgeleider snel aan – en uitschakelen. Bij dimmen met behulp van pulsbreedtemodulatie emodulatie wordt word de led snel aan- en uitgeschakeld met een frequentie die hoger ligt dan 100 Hz (T < 10ms). 10ms). Afhankelijk van de periode dat de led ‘aan’ is wordt een feller of minder fel licht waargenomen. Deze periode, waarbij de led onder spanning staat, staat heet de duty cycle (D).
Figuur 2.24: Duty cycle
(2.5)
met
D: τ: T:
Duty cycle, in procent (%) Tijd dat de led onder spanning staat, in seconden (s) Periode, in seconden (s)
Het is op die manier dus mogelijk om de lichtintensiteit van een led aan te passen door middel van de duty cycle. Het nadeel van deze dimmer is echter dat de levensduur van de leds, leds door het aan – en uitschakelen, sterk vermindert.
Tom Rysman
25
2.1.5.7 Ledwall Door middel van de drie basiskleuren (RGB38) kan elk kleur van het zichtbare spectrum gecreëerd worden. Dit betekent dat door de combinatie van drie verschillende leds een heel pak meer kleuren kunnen bekomen worden.
Figuur 2.25: Basiskleuren
Deze toepassing wordt ondermeer gebruikt bij ledwall’s. Een ledwall kan als al een grote tv beschouwd worden. Dit wordt ondermeer gebruikt bij optredens en in stadions. stadions Elke vierkante centimeter (pixel) van de ledwall bezit vijf leds, twee rode, twee groene en een blauwe. Er wordt slechts één blauwe led gebruikt, ondermeer omdat blauwe leds een grotere lichtintensiteit bezitten en omdat deze daarnaast ook een stuk duurder zijn dan de rode en de groene. Een ledwall is opgebouwd uit een aaneenschakeling aaneenschak van kleinere re panelen (≈ ( 1 m²). Dit it is de reden waarom een ledwall in principe oneindig groot kan gemaakt worden.
Figuur 2.26: Ledwall
38
RGB: Staat voor Rood, Groen en Blauw.
Tom Rysman
26
2.1.5.8 Conclusie van ledlampen Ledlampen zitten volop in de lift en zijn ook naar mijn mening de lamp van de toekomst. De ledlamp heeft relatief gezien geen negatieve punten. Ze bezitten geen schadelijke dampen, gaan nog stukken langer mee (tot 100.000 branduren39) dan een spaarlamp en verbruiken daar bovenop ook nog eens een en stuk minder. In de toekomst mag er dus nog heel wat van leds verwacht worden. Tabel 2.3: Lichtstroom
Figuur 2.27: Berekening verbruik40 39
100.000 branduren: Merk op dat deze waarde enkel geldt als de lamp eenmalig aangestoken wordt, werkt in ideale omstandigheden en nooit meer uitgeschakeld wordt tot ze stuk gaat. 40 Opmerking: Deze berekening is op voorwaarde dat de lampen effectief hun meegedeelde meegedeelde branduren bereiken. Ook de prijs per lamp kan verschillen, wat het eindresultaat beïnvloedt.
Tom Rysman
27
2.1.6 Lampen die niet besproken worden op het bord 2.1.6.1 TL-lamp De TL41-lamp lamp is een fluorescentielamp, fluorescentielamp die door middel van gasontlading ultraviolet licht uitzendt. De fluorescerende laag aan de binnenkant zorgt er voor dat het onzichtbare ultraviolet licht omgezet wordt in helder wit licht. Zoals eerder besproken is de TL-lamp TL dus een voorganger van de spaarlamp.
Figuur 2.28: TL-lamp
lampen geven bij eenzelfde opgenomen elektrisch vermogen 5,5 keer meer licht dan een TL-lampen gloeilamp.42 lampen worden vooral gebruikt in werkplaatsen en scholen, scholen omdat ze een helderheid TL-lampen hebben van daglicht en ze een laag verbruik hebben. Ook worden TL-lampen TL lampen meer en meer gebruikt voor sfeerverlichting onder de vorm van indirect licht.
Figuur 2.29: Direct (links) en indirect licht (rechts)
Direct licht is licht die een object rechtstreeks belicht. Indirect licht is daarentegen het resultaat van reflecties (Figuur Figuur 2.29). 2.2 Het plafond is het enige oppervlak in een ruimte, dat volledig zichtbaar is. Lichtreflectie van het plafond kan daarom bij indirect licht van groot belang zijn. Indirect licht heeft voornamelijk voornamelijk een sfeerfunctie. Door deze lampen op een correcte manier te gebruiken kan een ruimte een heel stuk aangenamer worden gemaakt. gemaakt
41 42
TL: Staat voor Tube Luminescent (lichtgevende buis) Bron: www.elektrabel.be
Tom Rysman
28
2.1.6.2 Xenonlamp Een xenonlamp is een variant van de halogeenlamp, met het verschil dat deze gebruik maakt van het gasonladingprincipe. Zoals de naam reeds aantoont, maakt deze lamp gebruik van het edelgas xenon.
Figuur 2.30: Xenonlamp
Deze lampen worden vooral als dimlicht en groot g licht gebruikt in auto’s (bixenon43 genoemd).. Ze bestaan in verschillende kleurtemperaturen (Tabel 2.4). Xenon wordt niet in huiselijke lijke kringen gebruikt, daar een te wit licht geen aangenaam licht is. De reden dat de xenonlamp gebruikt wordt als verlichting in auto’s komt omdat de veiligheid op de weg ermee verhoogd wordt. Xenonlampen hebben namelijk een hoge kleurtemperatuur, kleurtemperatuur waardoor ze ons een aanzienlijk beter zicht/contrast opleveren. Hierdoor worden fietsers en voetgangers sneller waargenomen. Xenonlampen kunnen ook tegenliggers verblinden, wat voor een tegengesteld effect zou zorgen. Daarom moet een xenonlamp goed afgesteld staan sta voor een optimaal gebruikt. Tabel 2.4: Kleurtemperatuur
Kleurtemperatuur (K) 6.000 8.000 10.000 12.000
Uitstraling Helder wit licht Helder wit met blauwe tint Helder blauw Helder blauw met paarse tint
De xenonlamp verbruikt ongeveer 40% minder energie dan een gewone halogeenlamp, halogeen gaat zes tot tien keer langer mee en heeft een drie maal hogere lichtopbrengst.44
43 44
Bixenon: Is één xenonlamp die in principe twee xenonlampen bezit, één voor voor dimlicht en één voor grootlicht. Bron: www.tradevision.be
Tom Rysman
29
2.1.6.3 Lagedruk natriumlamp (SOX) De natriumlamp is een ontladingslamp en bestaat uit een U-vormige buis, die voorzien is van uitstulpingen. Aan de uiteinden van deze buis zijn elektroden ingesmolten (vast natrium). In de buis bevindt zich een weinig neongas en een kleine hoeveelheid natrium45, dat in koude toestand in de uitstulpingen is geconcentreerd. De buis bevindt zich in een buitenballon die, om afkoeling te voorkomen, luchtledig is gepompt en van een warmteterugkaatsende laag is voorzien (indiumoxide).
Figuur 2.31: Lagedruk natriumlamp
De ontsteekspanning hangt af van het vermogen van de buis en varieert van 350 tot 600V. In eerste instantie wordt de ontsteking onderhouden door het neongas. De buis straalt hierdoor een roodbruin licht uit. De buis gaat bovendien opwarmen, waardoor na 10 tot 15 minuten het natrium verdampt en het gasvormige natrium de ontsteking overneemt.
Figuur 2.32: Kleurenemissie
Deze lampen stralen dan een momchromatisch geeloranje kleur (kleurtemperatuur ≈ 1800 K) uit en bezitten een slechte kleurweergave (Ra= 0-18%). Ze hebben een grote lichtopbrengst (≈ 95 - 200 lm/W). Zij worden voornamelijk gebruikt als wegverlichting en verlichting op industrieterreinen.
Figuur 2.33: Straatverlichting 45
Natrium (Na): Is een kneedbaar metaal met een laag smeltpunt en een zilverachtig uiterlijk.
Tom Rysman
30
2.1.6.4 Hogedruk natriumlamp (SON)
Figuur 2.34: Hogedruk natriumlamp
Bij hogedruk natriumlampen wordt ook wat energie in de rest van het spectrum uitgestraald (Figuur 2.35), waardoor de kleurweergave-index (Ra = 22-70%) een stuk hoger licht dan deze van de lagedruk natriumlamp.
Figuur 2.35: Kleurenemissie
Het uitgestraalde licht is meer lichtgeel, maar per type kan de kleur wat verschillen (kleurweergave ≈ 1900-2150K). Dit type lamp wordt tegenwoordig steeds vaker voor straatverlichting gebruikt omdat ze kleiner en lichter is. Daarnaast heeft de hogedruk natriumlamp een hogere lichtopbrengst (48-150 lm/W) en een langere levensduur dan de lagedruk natriumlamp. Axioma is een bedrijf die gespecialiseerd is in licht en biedt milieuvriendelijke straatverlichting aan, dit op basis van led-verlichtingstoestellen. Belval is een stad in het Groot-Hertogdom Luxemburg met 25.000 inwoners waar Axioma de straatverlichting gaat veranderen van natriumlampen naar led-verlichting. Hierbij zouden 25 tot 50% minder lichtmasten nodig zijn voor eenzelfde lichtverdeling. Daarbij zou deze led-verlichting tot 20% minder energie verbruiken. 46
46
Bron: www.axioma.be
Tom Rysman
31
2.1.6.5 Plasma-argonlamp47 Wat misschien een lamp van de toekomst kan zijn, is de plasma-argonlamp. Dit is een nieuw soort lampje van het Amerikaanse bedrijf Luxim. Het lampje, ter grootte van een pinda, geeft namelijk meer licht dan een straatlamp. De lamp is zelfs twee maal zo zuinig als high-end leds48 en geeft bovendien het breder kleurenspectrum weer. De Luxima plasma-argon lampjes hebben een lichtopbrengst van maar liefst 140 lm/W. Binnenin de kern van het plasma loopt de temperatuur op tot zo’n 6000 K, wat ongeveer gelijk is aan de temperatuur van de oppervlakte van de zon.
Figuur 2.36: Plasma-argonlamp
Over dit type lamp is nog niet veel informatie terug te vinden. Het is momenteel ook nog in geen enkele toepassing terug te vinden.
47 48
Bron: news.zdnet.com High end-leds: Dit zijn leds met een groter vermogen dan een standaard ledje.
Tom Rysman
32
2.1.6.6 Kwikdamplamp49 De kwikdamplamp is een voorganger van de natriumlamp. Aangezien het niet de bedoeling is om hier een diepere studie over door te voeren, worden slechts enkele van de belangrijkste kenmerken aangehaald. Er bestaan lagedruk-, hogedruk- en superhogedrukkwikdamplampen. Dit zijn gasontladingslampen die gevuld zijn met kwikdamp. De ontlading veroorzaakt een helder wit licht. Na verloop van tijd krijgt het licht van de lamp een groenachtige zweem. Net zoals de TL-lamp en de spaarlamp wordt gebruik gemaakt van een fluorescerende laag, die ervoor zorgt dat een zichtbaar licht wordt gecreëerd. Om de lamp te kunnen ontsteken is een elektrisch spanningsverschil nodig, hierbij is de starter in de lamp ingebouwd.
Figuur 2.37: Kwikdamplamp
Vanaf 1948 werd deze lamp veel in straatverlichting gebruikt, maar vanaf 1970 kreeg de natriumlamp de voorkeur. Al was de blauwwitte kleur van de kwikdamplamp en de lange levensduur een voorkeur voor velen, toch kreeg de natriumlamp de voorkeur omdat deze goedkoop te produceren was en een stuk minder verbruikte. De lichtopbrengst van een kwikdamplamp ligt ook een stuk lager dan deze van de lagedruk natriumlamp, 70lm/W respectievelijk 95-200 lm/W. Op termijn is de natriumlamp dus goedkoper dan de kwikdamplamp. De kwikdamplamp heeft als negatief aspect dat ze bij lage temperaturen een afname heeft van de lichtopbrengst. Ook veroorzaakt die een relatief hoge milieubelasting door de aanwezigheid van kwik.
49
Bron: www.wikipedia.com, www.energiebesparinggww.nl
Tom Rysman
33
2.1.7 Huishoudtoestellen Op het didactisch bord komen verschillende huishoudtoestellen aan bod. Er worden tips meegegeven die nuttig kunnen zijn bij de aankoop van deze toestellen, zoals welke soorten er bestaan en welke het meest energiezuinig zijn. 2.1.7.1 Koken50 Fornuis: In het algemeen zijn fornuizen op aardgas voordeliger dan op elektriciteit, zowel op het vlak van verbruik als de kostprijs. Een klassiek elektrisch fornuis verbruikt immers twee keer zoveel energie als een fornuis op aardgas. Het grote voordeel van aardgas is de snelheid: je hebt geen opwarmtijden. De laatste jaren maken elektrische fornuizen wel gebruik van diverse technologieën. De keramische platen met weerstanden (klassieke gietijzeren kookplaten) scoren minder goed dan de keramische platen met halogeenlicht die een korte opwarm- en afkoeltijd hebben. Nog beter zijn de kookplaten met inductie. Ze warmen heel snel op en de warmte blijft in de kookpot. Zo verbruiken inductieplaten 40% minder energie dan een klassiek elektrisch fornuis, even energievriendelijk als aardgasplaten dus. Inductieplaten zijn bovendien erg veilig51 en onderhoudsvriendelijk. Kookpotten: Kwaliteitsvolle kookpotten zijn kookpotten met een vlakke, dikke bodem die de warmte goed geleidt. Bij een elektrisch fornuis levert een slechte kookpot een dubbel energieverbruik op. Wanneer geen gebruik gemaakt wordt van een deksel stijgt het verbruik tot zelfs 350%. Ook bij goede kookpotten is een deksel van belang, anders verbruikt het elektrisch fornuis 280% meer energie. De grootte van de pot is hierbij ook van belang, als de kookpot kleiner is dan de kookplaat, gaat heel wat energie verloren. Een snelkookpan verbruikt 40 tot 70% minder energie dan een gewone kookpot. Door gebruik te maken van een snelkookpan gaan ook minder vitaminen verloren en blijft de smaak beter behouden. (Microgolf)oven: Er bestaan ovens op gas en op elektriciteit. Een gasoven is het meest energievriendelijk. Een oven waarin de lucht via een ventilator circuleert heeft een betere verdeling van de warmte en heeft een kortere opwarmtijd nodig. Een oven is ideaal voor het bereiden van grote hoeveelheden. Een microgolfoven is dan weer beter en sneller voor het bereiden van kleine hoeveelheden. Een standaardmicrogolfoven verbruikt minder energie dan een combitoestel. Een microgolfoven is bijna de helft zuiniger dan een klassieke oven of fornuis, behalve bij de bereiding van grote hoeveelheden. 50
Bron: www.netonline.be Bij inductiekookplaten is er geen kookplaat die warmte afgeeft. De mogelijkheid om zich te verbranden aan platen komt in dit geval niet voor. 51
Tom Rysman
34
2.1.7.2 Koelen52 Koelkasten worden best op maat van het gezin gekocht. Hiervoor mag ongeveer 50 liter per persoon gerekend worden. Koelkasten zonder vriesruimte zijn zuiniger dan combitoestellen. De warmte die uit de koelkast gehaald wordt, wordt aan de achterkant (rooster) van de koelkast aan de omgeving afgestaan. Daarom is het belangrijk dat het toestel op enkele centimeters van de muur staat, waardoor de lucht er goed kan circuleren. Ook is het belangrijk dat de rooster regelmatig schoongemaakt wordt. Een laagje stof (isolator) op deze rooster zorgt ervoor dat de warmte moeilijk kan afgestaan worden aan de omgeving. De ideale temperatuur van een koelkast bedraagt 4 à 5° C. Een lagere temperatuur kost onnodig energie en bij een hogere temperatuur zal voedsel te snel bederven. Warme gerechten dienen best afgekoeld te zijn voor ze in de koelkast geplaatst worden. Ingevroren gerechten worden daarentegen best in de koelkast ontdooid. Ze zorgen voor extra koeling en zullen toch ontdooien. Als een koelkast meer dan twee weken niet gebruikt wordt, wordt deze best uitgeschakeld. De deur op een kier laten staan, dient om schimmelvorming tegen te gaan. 2.1.7.3 Vriezen Een diepvries wordt, net zoals een koelkast, best op maat van het gezin gekocht. Een goede richtlijn kan 20 liter per persoon zijn. Dit is uiteraard ook afhankelijk van persoon tot persoon, daar de ene persoon meer gerechten invriest dan de ander. Horizontale diepvrieskisten verbruiken 15% minder dan verticale diepvrieskasten. Een diepvriezer wordt bij voorkeur in een koele ruimte geplaatst. Op die manier is het verschil tussen de temperatuur binnen en buiten de diepvries kleiner. De ideale diepvriestemperatuur bedraagt -18°C. Elke graad lager verbruikt 5% meer elektriciteit. Er wordt ook aangeraden om de diepvries zo goed mogelijk te vullen. Hoer meer de diepvries gevuld is, hoe minder de diepvries moet koelen. Bij een stroompanne wordt aangeraden om de diepvriezer dicht te laten. Zolang de panne niet langer dan 24 uur duurt, blijft uw voedsel onder het vriespunt. Een ijslaagje van 2 mm verhoogt het energieverbruik met 10%! Het ijslaagje doet dienst als isolator waardoor de lucht in de diepvries moeilijker gekoeld raakt. Er bestaan ook No frostmodellen (zonder ijsafzetting) op de markt.
52
Bron: www.netonline.be
Tom Rysman
35
2.1.7.4 Televisie Plasma-schermen hebben een groot energieverbruik. Een gewoon tv-scherm verbruikt 100150 watt, een LCD-scherm53 145-200 watt en plasma-schermen 350-400.
Figuur 2.38: Televisiescherm
Het energieverbruik van een tv-scherm wordt door vier punten beïnvloed: - De grootte van het tv-scherm. - De helderheid en het contrast. Hoe hoger deze ligt, hoe meer energieverbruik. Zet de televisie niet te licht. Bij veel licht wordt de televisie meer helder ingesteld, waardoor het vermogen tot 100 watt hoger kan liggen dan bij een minder contrastrijk en verlicht beeld. Dit kan 180 kWh schelen op het jaarlijkse energieverbruik. - Plasmaschermen met HD-ready (scherper beeld) gebruiken ongeveer 80 W meer. Het energiegebruik van LCD-tv’s is onafhankelijk van de aan- of afwezigheid van HD.
- Het totale sluimerverbruik (stand-by mode) kan tot 10% van de totale elektriciteitsrekening van de consument omvatten. Het vermogen in de stand-by stand varieert van 0,5 tot 5 W. Sluimerverbruik kan voorkomen worden door de ‘uit’-knop op het televisiescherm te gebruiken. Een duidelijk zichtbare (en zuinige) LED-indicator kan de gebruiker informeren dat het toestel in stand-by mode staat.
53
LCD: Liquid Crystal Display
Tom Rysman
36
2.1.7.5 Wasmachine54 Het merendeel van de elektriciteit die wasmachines verbruiken, dient om het water op te warmen. Daar verwarmen met elektriciteit veel energie kost, zijn er hotfill-wasmachines op de markt gebracht. Deze kunnen aangesloten worden op de warmwatertoevoer. Wanneer het water verwarmd kan worden door middel van aardgas in een condensatieketel, kan op eender welk tijdstip van de dag gewassen worden zonder een groot energieverbruik.
Figuur 2.39: Wasmachine
Een goede raad is om de trommel volledig te vullen. Indien de trommel slechts voor 50% gevuld is, kan in vele gevallen een knop ingedrukt worden waardoor 45% minder water gebruikt wordt. Wasmachines bezitten de dag van vandaag ook meestal een ecoprogramma (E-knop). Hierbij wordt er gewassen op een lagere temperatuur en duurt de wasbeurt minder lang. Dit kan voor een energiebesparing van 30 tot 40% zorgen in vergelijking met een wasbeurt met het ‘normaal’ programma. Het wordt sterk aangeraden om de filter regelmatig te reinigen. Bij een gereinigde filter wordt minder energie verbruikt en gaat de wasmachine een heel stuk langer mee. Wassen op 40 °C verbruikt drie keer minder energie dan een wasbeurt op 90 °C. De nieuwe generatie wasproducten zijn ontworpen om op een temperatuur van 40 °C goed te presteren. Hierdoor is het ook niet meer nodig om een voorwas te doen, dit bespaart tot 15 % energie en water. Door op deze temperatuur te wassen blijft het wasgoed ook in een betere staat. Een droogtoerental van 1200 toeren/minuut zorgt ervoor dat het wasgoed sneller kan drogen. Een elektrische droogtrommel wordt best zoveel mogelijk vermeden, daar het verwarmen van lucht veel energie kost. Bij de aankoop van een droogtrommel is het daarom aangeraden om te kiezen voor een A-label. Er bestaan tot slot wasmachines die het wasgoed ook drogen. Zo’n volledig programma met wassen, zwieren en drogen duurt langer en verbruikt meer dan een aparte wasmachine en droogkast.
54
Bron: www.test-aankoop.be
Tom Rysman
37
2.1.7.6 Stroomverbruik elektrische toestellen
Figuur 2.40: Stroomverbruik
Tom Rysman
38
2.1.8 Sluimerverbruikers55 De meeste elektrische toestellen staan niet af wanneer ze uitgeschakeld worden. Ze bevinden zich in een sluimerstand, waarbij ze energie blijven verbruiken. Dit verbruik wordt stand-by, sluimer- of sluipverbruik genoemd. Bij bepaalde toestellen blijft in de sluimerstand een lichtje (led) branden. Door het groot aantal toestellen in huis is het sluimerverbruik een niet te verwaarlozen deel van het totale verbruik. Het sluimerverbruik in woningen wordt geschat op ongeveer 8 % tot 14 % van het totale huishoudelijk elektriciteitsverbruik. Het verminderen van sluimerverbruik levert dus een lagere elektriciteitsrekening en een energiebesparing op.
Figuur 2.41: Adapter
2.1.8.1 Actieve en passieve sluimertoestand Men onderscheidt passieve en actieve sluimerstand, afhankelijk van de werking van het toestel. Een toestel in passieve sluimerstand is uitgeschakeld en wacht op een signaal om in werking te treden. Een voorbeeld hiervan is een televisietoestel dat wacht op een signaal van de afstandsbediening. Een toestel in actieve sluimerstand is niet uitgeschakeld. Het is in werking en wacht op een signaal om naar een andere werkingstoestand over te gaan. Voorbeelden zijn antwoordapparaten en klokradio’s. Sommige toestellen worden nooit uitgeschakeld. Andere toestellen, zoals wasmachines of vaatwasmachines, staan soms langdurig in de sluimerstand, omdat ze met een zekere vertraging starten of omdat ze na de werkingscyclus niet onmiddellijk uitgeschakeld worden.
55
Bron: www.vei.be (Vlaams Elektro Innovatiecentrum)
Tom Rysman
39
Figuur 2.42: Verbruik sluimerverbruikers (kWh/jaar)
Tom Rysman
40
2.1.8.2 Meting Tabel 2.5: Gemeten sluimerverbruik in 10 woningen
Als we bij deze metingen willen uitrekenen hoeveel een computer + scherm in stand-by stand op een jaar gemiddeld kost, moeten we de volgende berekening maken:
Stel: Stand-by modus van 13 uur per dag: dag 14,6 W x 13 uren x 365 dagen = 69.277 69 Wh/jaar =
69,277 kWh/ jaar
1 kWh ≈ 0,23 euro 69,277 kWh x 0,23 euro = 15,93 €/jaar
Tom Rysman
41
2.1.8.3 Rationeel energiegebruik Sluimerverbruik kan op verschillende manieren tegengegaan worden. Gebruikers van elektrische toestellen kunnen er voor zorgen dat toestellen na gebruik in de stand met het laagste verbruik gezet worden. Ze kunnen ook op een energiebewuste manier nieuwe toestellen aankopen, namelijk toestellen met een laag sluimerverbruik. Daarom is het noodzakelijk dat er informatie over het sluimerverbruik beschikbaar is.
Figuur 2.43: Stekkerdoos met schakelaar
Een stekkerdoos (Figuur 2.43) kan gebruikt worden bij een computer. Hierbij kunnen computer, scherm, printer, scanner, muziekinstallatie e.d. op één stekkerbox aangesloten worden. ’s Avonds kan met behulp van één druk op de knop ervoor gezorgd worden dat alle sluimerverbruikers uitgeschakeld worden. Een gebruiksvriendelijke manier om het sluimerverbruik van toestellen te verminderen, is de stand-by regelaar. Dit is een toestel dat tussen het stopcontact en de stekker van een toestel geplaatst wordt. Bij normale werking krijgt het toestel elektrische energie via de regelaar. Wanneer het verbruik lager wordt dan een bepaalde drempelwaarde, onderbreekt de regelaar de verbinding met het net. Het toestel is dan volledig uitgeschakeld, zodat er quasi geen sluimerverbruik is. Een voorbeeld is de Stand-by Killer (Figuur 2.44), voor gebruik met een televisietoestel. De Stand-by Killer is uitgerust met een infraroodontvanger. Bij uitschakelen van het Tv-toestel wordt de voedingsspanning na ongeveer 20 s onderbroken door de Stand-by Killer. Wanneer het Tv-toestel opnieuw ingeschakeld wordt, moet de gebruiker twee keer op de aanknop van de afstandsbediening drukken. Door de eerste druk op de knop wordt de Stand-by Killer geactiveerd en wordt opnieuw spanning geleverd aan het toestel, zodat het in sluimerstand staat. Bij de tweede druk op de knop wordt het Tv-toestel ingeschakeld. Er is ook een versie van de Stand-by Killer met een bewegingsdetector. Deze kan gebruikt worden voor een kopieermachine, zodat de voedingsspanning ingeschakeld wordt wanneer een persoon de kopieermachine nadert. De Stand-by Killer verbruikt zelf ook een zeker vermogen, maar normaal gezien is dit veel lager dan het sluimerverbruik van het toestel dat er mee verbonden is.
Figuur 2.44: Stand-by Killer
Tom Rysman
42
Een regelaar voor meerdere aangrenzende stopcontacten is een andere mogelijkheid (Figuur 2.45). Dit is, zoals een gewone stekkerdoos, interessant voor groepen van toestellen die samen gebruikt worden. Voorbeelden zijn een computer met een scherm, een printer, luidsprekers en een scanner, of een muziekinstallatie met een versterker, een CD-speler, een radio en een platenspeler. Hierbij worden de randtoestellen niet meer van spanning voorzien wanneer het centrale toestel af staat.
Figuur 2.45: Master-Slave stekkerdoos
Tom Rysman
43
2.2 Hernieuwbare energie De wereldpopulatie verbruikt steeds meer en meer energie. De wereldwijde primaire energieconsumptie wordt vandaag de dag geschat op ruim 14 000 miljard watt56, en de sterke toename is opmerkelijk. Op veertig jaar tijd is het energieverbruik verdubbeld; het laatste decennium steeg de energieconsumptie met maar liefst 23 %. Gelet op de toenemende bevolkingsaangroei en de snel stijgende energiebehoeften van groeilanden in Azië, Afrika en Zuid-Amerika, zal deze energievraag niet minderen. Integendeel, de nood aan energie zal de komende decennia enkel maar toenemen. Momenteel wordt deze energie vooral geleverd door fossiele brandstoffen: 87 % van de energie wordt geproduceerd door olie, steenkool en gas. De rest van de energie is vooral afkomstig van kernsplijting en waterkrachtcentrales. Een groot nadeel van fossiele brandstoffen is dat hun aanwezigheid op de aarde eindig is. Olie zou over 40 jaar volledig opgebruikt zijn, aardgas over 65 jaar, en steenkool zou nog 165 jaar als brandstof kunnen gebruikt worden. Vermits fossiele brandstoffen eindig zijn, zullen we in de toekomst via andere middelen aan onze energiebehoeften trachten te voldoen. Het vereist echter tijd om 87% van onze energiebronnen te vervangen door duurzame energiebronnen. Bovendien hebben fossiele brandstoffen twee grote nadelen voor het milieu. Eerst en vooral komen bij de energieproductie toxische stoffen vrij (zwavel- en stikstofoxide). Ten tweede wordt koolstofdioxide geproduceerd. Hoewel dit laatste niet toxisch is, is het een belangrijk broeikasgas en daardoor een belangrijke oorzaak van de opwarming van de aarde. Er kan op verschillende manieren energie opgewekt worden…
2.2.1 Door middel van de wind 2.2.1.1 Windenergie Windenergie vormt een belangrijk aandeel van de hernieuwbare energiebronnen in Vlaanderen. Momenteel zijn er meer dan 100 windturbines. Samen produceren de windturbines ongeveer 260 GWh57, wat overeenkomt met het elektriciteitsverbruik van meer dan 60.000 gezinnen. De meeste windturbines staan opgesteld langs bestaande infrastructuur zoals havens, autostrades en dijken. De voordelen van windenergie zijn duidelijk. Het belangrijkste voordeel is dat de energiebron, namelijk de wind, onuitputtelijk is. Daarenboven is het omzetten van wind naar elektriciteit vrij van enige reststof. Er komen geen uitlaatgassen noch afvalstoffen vrij. Windenergie is, net als andere duurzame energiebronnen, CO2-vrij. Windenergie, in al zijn verscheidenheid, heeft de potentie om een grote bijdrage te leveren aan het behalen van de Kyoto-doelstellingen.
56 57
Bron: www.zonnecellen.be GWh: 1 GWh = 1 x 109 Wh = 1 miljard Wh.
Tom Rysman
44
In Vlaanderen is de beleidsdoelstelling om tegen 2010 zowat 900 GWh aan elektriciteit met windenergie te kunnen produceren. Hiervoor is ongeveer 450 MW geïnstalleerd vermogen nodig. Ook Wallonië investeert momenteel sterk in windenergie. In de nabije toekomst is tevens een groot potentieel aan windenergie mogelijk in de Noordzee. De projecten die nu reeds op stapel staan omvatten meer dan 160 turbines, goed voor het verbruik van meer dan 800.000 gezinnen. Tabel 2.6: Overzicht windturbineparken in Vlaanderen58
58
Bron: www.vwea.be
Tom Rysman
45
Ook internationaal zal windenergie in de toekomst een belangrijke rol spelen in onze elektriciteitsvoorziening. Tot nu toe was er in de EU59 gemiddeld een jaarlijkse toename van windenergie van meer dan 30%. Eind 2007 was er een totaal vermogen aan windmolens in de EU van 57,136 MW. Het EWEA60 berekende dat het in 2030 mogelijk is om zowat 23% van onze elektriciteit uit windenergie te halen, zelfs rekening houdend met een spectaculaire stijging van het verbruik.
Figuur 2.46: Vermogen aan windmolens (MW)
59 60
EU: Europese Unie. Sinds 1 januari 2007 telt de EU 27 lidstaten. EWEA: Het Europees Windenergie Agentschap. De koepel van de windenergiesector in Europa.
Tom Rysman
46
Werking: Een windturbine bestaat uit een mast, een gondel en een wieken. wieken In de gondel bevindt zich de versnellingkast en generator. Voor de gondel zitten wieken, die rotorbladen genoemd worden. De rotorbladen61 zetten de langs stromende lucht om in een draaiende beweging. Ieder rotorblad kan apart versteld worden. Dit gebeurt met de bladhoekverstellingen bladhoekverstellingen en is nodig om het toerental van de rotor te regelen. regelen De rotorbladen zitten vast aan de hoofdas of naaf, waarvan de draaiende beweging wordt versneld in de versnellingskast. versnellings
Figuur 2.47: Opbouw windmolen
De generator zet een draaiende beweging om in een elektrische wisselspanning. wissel De rotatiesnelheid snelheid van de rotor is afhankelijk van de diameter van de rotorbladen en de windsnelheid. Een transformator62 als tussenelement zorgt ervoor dat de molen op het openbare elektriciteitsnet gekoppeld kan worden. worden De mast is volledig computergestuurd. comp Van de windvaan krijgt hij informatie binnen over de windkracht en de windrichting. Aan de hand van deze gegevens wordt de gondel in de goede richting gezet door middel van de kruimotor (Figuur 2.47).. Ook worden de bladhoekverstellingen b hierdoor geregeld.
61 62
Rotorbladen: De wieken van een windmolen. windmolen Transformator: Transformeert elektrische spanning naar naa omhoog of omlaag.
Tom Rysman
47
De opbrengst hangt af van een aantal factoren: Eerst en vooral is de plaats waar de turbine staat van belang (Figuur 2.48). Boven open zee waait het harder dan in de buurt van de stad.
Figuur 2.48: Windsnelheid Vlaanderen op 75 meter hoogte (m/s)
Om te voorkomen dat windturbines elkaar beïnvloeden, moeten ze op een bepaalde minimale afstand van elkaar staan: gemiddeld zes maal de rotordiameter63. Tabel 2.7: Windsnelheid
Kracht (bfrt) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
63
Benaming KNMI Stil Zwak Zwak Matig Matig Vrij krachtig Krachtig Hard Stormachtig Storm Zware storm Zeer zware storm Orkaan
Benaming Windstil Flauw en stil Flauwe koelte Lichte koelte Matige koelte Frisse bries Stijve bries Harde wind
Snelheid (m/s) 0 – 0,2 0,3 – 1,5 1,6 – 3,3 3,4 – 5,4 5,5 – 7,9 8,0 – 10,7 10,8 – 13,8 13,9 – 17,1 17,2 – 20,7 20,8 – 24,4 24,5 – 28,4 28,5 – 32,6 > 32,6
Snelheid (knopen) 0–1 1–3 4–6 7 – 10 11 – 15 16 – 21 22 – 27 28 – 33 34 – 40 41 – 47 48 – 55 56 – 63 > 63
Rotordiameter: De afstand tussen de toppen van de rotorbladen.
Tom Rysman
48
Daarnaast is de snelheid van de turbine van belang. Een windturbine levert elektriciteit vanaf een windkracht van 2 beaufort64 (1,6 tot 3,3 m/s). Hij bereikt zijn maximale productievermogen bij een windkracht van 6 bfrt (10,8 tot 13,8 m/s). Bij een windkracht boven de 10 wordt de windmolen uitgeschakeld om overbelasting te voorkomen. Dit gebeurt met de mechanische rem. Horizonvervuiling: rvuiling: Om ze mooi in het landschap te laten passen worden de windturbines vaak in een lijnopstelling langs een dijk of vaart geplaatst. Groepsopstellingen worden door omwonenden eerder geaccepteerd als het hen duidelijk is geworden dat hiermee een hogere hoger opbrengst kan worden bereikt. Voor het aanzicht is het belangrijk dat de verhouding tussen de ashoogte65 en de rotordiameter goed is, maar ook het toerental is belangrijk. Turbines met grote rotorbladen draaien langzamer en worden daarom als rustiger ervaren erva door omwonenden. staan In open zee is het Offshore windmolenparken zijn groepen windmolens die diep in zee staan. belastingspatroon gunstiger voor de levensduur van de turbine en brengen ze meer op. op Daarenboven worden de problemen met geluidshinder en landschapsverstoring landschapsverstoring uitgesloten daar de molens ongeveer 24km diep in zee staan.
Figuur 2.49: Windmolen
64
Beaufort: De schaal van Beaufort wordt gebruikt om de windsnelheid aan te duiden (afk. bfrt). Ashoogte: De hoogte vanaf de grond tot aan de bevestigingsplaats van de rotorbladen.. Op grotere hoogte waait het harder en is de wind minder turbulent. 65
Tom Rysman
49
Vergunningen die nodig zijn om een windmolen te bouwen: Voor het plaatsen van een windturbine moet je minimaal twee vergunningen hebben: een milieu- en een bouwvergunning. Ook moet je nog veel vergunningen krijgen van andere overheden, zoals: waterschap (als je op een dijk wilt bouwen), landbouw (als je ze in het landschap wilt plaatsen), natuur & visserij (aan de rand van natuurgebieden), enzovoorts. Lokale effecten: Het kan natuurlijk gebeuren dat vogels tegen de turbine aanvliegen, of door de wervelingen achter de rotor gegrepen worden. Er is onderzocht dat het aantal botsingen vrij laag is in vergelijking met het aantal slachtoffers van verkeer, jacht en hoogspanningsmasten. Het geluid dat windturbines produceren kan voor sommigen als een hinder ervaren worden. Als de zon laag aan de hemel staat, is de schaduwslag van de rotorbladen te zien. Als de schaduwslag precies door een raam naar binnenvalt, kan dat heel vervelend zijn. Door goede geluidsisolatie en voldoende afstand tot de bebouwing kunnen deze soorten hinder voorkomen worden. De kosten: De kosten van een windturbine zijn sterk afhankelijk van de plaats van de windmolen. Per locatie is de hoeveelheid wind verschillend en de aansluiting op het elektriciteitsnet is per locatie verschillend. Energieproductie66: De opbrengst van een windturbine bedraagt ongeveer 850 kilowattuur per vierkante meter rotoroppervlak. Als referentie hiervoor kan er meegegeven worden dat een gemiddeld huishouden ongeveer 3500 kilowattuur67 verbruikt. De gemiddelde productie per nieuwe turbine is door technologische ontwikkelingen en hoge masten sterk toegenomen. Een moderne turbine van 3 MW68 kan afhankelijk van de locatie per jaar wel 6 tot 7,5 miljoen kWh elektriciteit opleveren. In Duitsland leveren prototypes van 5 MW turbines op een mast van 80 meter al meer dan 15 miljoen kWh per jaar.
66
Bron: mediatheek.thinkquest.nl (windmogelijkheden) Bron: www.ugent.be 68 MW: Megawatt = 1.000.000 watt. 67
Tom Rysman
50
2.2.2 Door middel van de zon Zonlicht is er altijd, ook als de hemel troosteloos grauw is. De zonnestralen bereiken ons immers niet alleen direct maar ook indirect. In België genieten we gemiddeld zo’n 1.550 uren69 zonneschijn per jaarr onder de vorm van directe straling. Die zonnestralen die ons rechtsreeks bereiken bij helder weer en onbewolkte hemel vertegenwoordigen slechts 40% van de totale straling. De overige 60% van de zonne-energie zonne energie bereikt ons via diffuse straling: zonnestralen die weerkaatsen op het aardoppervlak of door het wolkendek heen priemen. Directe en diffuse straling samen zorgen in ons land voor een energieaanvoer van zo’n 1.000 tot 1.100 kWh per vierkante meter.
Figuur 2.50: Lichtinval
Figuur 2.51 geeft de gemiddelde zoninstraling op een oppervlakte van 1 m² met een hellingshoek van 45°, voor een typejaar in België.
Figuur 2.51: Gemiddelde zoninstraling in België
69
Bron: www.eandis.be
Tom Rysman
51
In mijn thesis komen twee groene energiesystemen aan bod waarbij de zon als onuitputtelijke bron gebruikt wordt om enerzijds elektriciteit op te wekken en anderzijds om haar warmte te gebruiken om water op te warmen. 2.2.2.1 Fotovoltaïsche cellen
Figuur 2.52: Zonnecel
Fotovoltaïsche cellen of zonnecellen (Figuur 2.52) worden gebruikt om zonlicht om te zetten naar elektriciteit. In het Engels worden deze cellen PhotoVoltaic cel (PV-cel) (PV cel) genoemd. Foto betekent licht en volt is de eenheid van elektrische spanning. Één zonnecel is ongeveer een vingernagel groot en produceert in het zonlicht ongeveer één à twee volt. In een zonnepaneel (Figuur 2.53) worden een hele hoop zonnecellen aan elkaar gekoppeld, gekoppeld, waardoor we een grotere stroom/spanning kunnen gaan opwekken.
Figuur 2.53: Zonnepaneel
Vaak worden zonnecellen gebruikt op plaatsen waar geen andere stroomvoorziening is. Bedenk dat de zon ongeveer 15.000 tot 20.000 keer zoveel energie levert als de mensheid verbruikt. Dit betekent dan ook dat zonnepanelen niet per se pal naar het zuiden hoeven te staan. Een oriëntatie tussen zuidoost en zuidwest en een hellingshoek tussen 20° en 60° leveren een goede opbrengst.
Figuur 2.54: Oriëntatie
Tom Rysman
52
Werking: De werking van zonnecellen stemt overeen met de werking van de led die reeds eerder besproken werd. Alleen lleen verloopt het proces in tegengestelde zin. In plaats van uit een stroom licht op te wekken,, wordt er nu uit licht een stroom opgewekt. De meeste zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Daarnaast worden worden ook nog andere materialen gebruikt, maar deze worden niet verder besproken. Silicium is een halfgeleider, waarvan de 4-waardige 4 waardige atomen in een soort diamantrooster zitten. Halfgeleiders hebben als bijzondere eigenschap dat de atoombindingen gemakkelijk verbroken worden. Dit gebeurt zelfs al bij kamertemperatuur. Op die manier komen elektronen vrij, zodat het materiaal geleidend wordt. Niet alleen de vrije elektronen zorgen voor de geleiding, ook de gecreëerde gaten doen dit. De gaten zijn simpelweg de plaatsen laatsen waar eerst een elektron zat. Zo’n gat kan door een naburig elektron worden opgevuld. Dan schuift het gat een plaats op. In feite bezit een gat dus een positieve lading en een elektron een negatieve. Het is vanzelfsprekend dat er evenveel gaten als elektronen aanwezig zijn om dit proces te onderhouden. Het silicium wordt echter verontreinigt met andere atomen. Zoo krijgen we een overschot aan vrije elektronen en gaten. Wanneer er in het siliciumrooster een aantal 5-waardige 5 atomen worden opgenomen (bijvoorbeeld ijvoorbeeld arsenicum), dan is er bij elk 5-waardig 5 waardig atoom een elektron over dat niet aan de atoombinding meedoet. Zo ontstaat er een extra elektron voor de geleiding. Als er ergens een gat aanwezig is, zal deze snel door één van de elektronen opgevuld worden. en. Hierdoor zullen alleen vrije elektronen voor de geleiding zorgen. Silicium, Silicium dat at op deze manier verontreinigd is, noemen we het N-materiaal N silicium. In plaats van 5-waardige rdige atomen in het rooster op te nemen, kunnen we ook 3-waardige 3 atomen opnemen. Bij ij elk van deze atomen is er eigenlijk een elektron te weinig voor de atoombindingen, zodat er een extra gat ontstaat. Vrije elektronen zullen terug snel een gat vullen, zodat alleen de gaten voor de geleiding overblijven. In dit geval is er sprake van het Pmateriaal silicium.
Figuur 2.55: N- en P-materiaal
Wanneer het P-materiaal materiaal in contact gebracht wordt met het N-materiaal zullen elektronen uit het N-materiaal materiaal samengaan met gaten uit het P-materiaal. P Ze zullen recombineren70. Tijdens dat recombineren gaan elektronen uit het N-materiaal N naar het P-materiaal. materiaal. Zo zal in het PP materiaal een dun laagje ontstaan wat negatief geladen geladen is. Op dezelfde manier ontstaat in het N-materiaal materiaal een laagje wat positief geladen is. Er ontstaat dan een elektrisch veld, zodat na verloop van tijd de recombinatie stopt. De twee laagjes vormen samen de P-N-overgang. P
70
Recombineren: Hergroeperen (op hun plaats komen) kom
Tom Rysman
53
Licht bestaat uit fotonen. Elk foton foton heeft een bepaalde energiewaarde, gelijk aan:
E=h.f met
E: h: f:
(2.6)
Energie, in joule (J) Evenredigheidsconstante venredigheidsconstante of constante van Planck, 6,62 x 1010-34 Js (joulesec.). Frequentie, in hertz (Hz) (Hz
Als de energie hoog genoeg is, zal een elektron van zijn atoom losgemaakt akt worden. worden Wat hoog genoeg is, hangt af van het materiaal dat gebruikt wordt.. Bij het ene materiaal zal meer energie nodig zijn (dus een hogere frequentie) dan bij het andere. Op die manier reageren verschillende type cellen allemaal anders op hetzelfde zonlicht. Daarom zullen verschillende type cellen ook een ander rendement hebben. Tijdens het losmaken van het elektron ontstaat meteen een nieuw gat. Als één van beide dicht genoeg in de buurt van het elektrische veld van de P-N-overgang komt, komt zal dit veld het elektron in de richting van het N-materiaal materiaal sturen en het gat in de richting van het P-materiaal. Op deze manier komen er nog meer elektronen in de N-laag laag dan er al waren. En er zullen dus ook extra gaten naar de P-laag laag gevoerd worden. Verbinden we nu de twee lagen met elkaar via een weerstand, dan zullen de elektronen elektronen via deze weerstand naar de P-laag P stromen om daar met de gaten te recombineren. Op deze manier gaat er een stroom I lopen, terwijl er tussen de aansluitpunten een spanning U staat.
Figuur 2.56: Invloed foton
Kostprijs: Er zijn veel verschillende fabrikanten van zonnepanelen. Zonnepanelen zijn relatief duur, maar worden meer betaalbaar via subsidies van de elektriciteitsnetbeheerder elektriciteitsnetbeheerder en de federale overheid. Momenteel betalen zonnepanelen zichzelf na 12,6 jaar terug. Alles wat na deze periode opgewekt wordt is puur winst. De meeste fabrikanten geven 10 jaar garantie71 met een maximale rendementsdaling van 10% of 25 jaar garantie met een maximale rendementsdaling rendementsdalin van 20%. Dit betekent dat na 25 25 jaar het rendement van de zonnepanelen nog 80% bedraagt. bedraag Met 8,5 m² aan zonnepanelen kan men 1 kWp (kilo watt att piek) opwekken. Theoretisch kunnen we stellen dat 1 kWp tot 850 kWh k per jaar opwekt. Dit is echter maar theoretisch, een meer realistische waarde voor 1 kWp is een opbrengst van 700 kWh per jaar.
71
Bron: www.dbg-electromodule.net electromodule.net
Tom Rysman
54
Om de kosten van een installatie te berekenen be kunnen we de Wp-waarde waarde vermenigvuldigen met 5,2 tot 6. Bij 8,5 m² aan zonnepanelen zonnepa met 1.000 Wp komt dit dus ongeveer op een totaal van 6000 euro.
Figuur 2.57: Opstelling fotovoltaïsch systeem
Fotovoltaïsche cellen wekken gelijkstroom (DC72) op en worden via een omvormer aan het net gehangen. De omvormer zorgt voor de synchronisatie op het net (50 Hz - 230V wisselspanning (AC73)). De reden waarom fotocellen rechtstreeks aan het net hangen en niet opgeslagen wordt in batterijen is om een zo’n klein mogelijk verlies aan energie te hebben. heb Wanneer deze aan het net gekoppeld zijn, wordt de opgewekte energie in eerste instantie zelf verbruikt. Indien meer energie opgewekt wordt dan verbruikt, draait de teller in de tegengestelde richting en wordt de opgewekte energie verbruikt door verbruikers verbruiker in de omgeving. Steunmaatregelen74: De kostprijs van fotocellen len daalt meer en meer. Voorlopig oorlopig zijn steunmaatregelen nodig om het gebruik ervan aan te moedigen. Deze steunmaatregelen bestaan uit de combinatie van groenestroomcertificaten, belastingsverminderingen belastingsverminderingen en investeringssubsidies. De eigenaar van een fotovoltaïsch systeem is een producent van groene stroom en ontvangt daarvoor groenestroomcertificaten, mits de aanvraag door de VREG75 wordt goedgekeurd. De certificaten kan hij verkopen. Dit vormt een e van de steunmaatregelen van de overheid om het gebruik van zonne-energie aan te moedigen. Sinds 1 januari 2006 gelden gewijzigde maatregelen. 72
DC: Direct Current = gelijkstroom. AC: Alternating Current = wisselstroom. 74 Bron: Departement epartement Electrotechniek (ESAT) – Electa K.U.Leuven, www.vreg.be, www.energiesparen.be 75 VREG: Vlaams Reguleringsinstantie voor de ElektriciteitsElektriciteits en Gasmarkt. 73
Tom Rysman
55
Voor nieuwe installaties vanaf 1 januari 2006 levert dat 450 euro per certificaat van 1.000 kWh op, of 45 cent per kWh, zonder bovengrens. Deze prijs is gegarandeerd over een periode van 20 jaar vanaf de opstart van het PV-systeem en wordt toegekend voor de totale zonnestroomproductie, dus ook voor de stroom die in het plaatselijke woningnet direct wordt verbruikt, na erkenning van de installatie door de Vlaamse regulator VREG. Om groenestroomcertificaten te krijgen moet de eigenaar na de opstart een aanvraag indienen bij de VREG. De lokale distributienetbeheerder is verplicht de aangeboden groenestroomcertificaten voor PV aan te kopen aan de vastgelegde minimumprijs van 450 euro per 1000 kWh. Deze aankoop kan vastgelegd worden in een bilateraal contract tussen het bedrijf en de netbeheerder. Voor vermogens tot en met 10 kW (wisselstroomzijde van de omvormer) bepaalt het Technisch Reglement Distributie van de VREG (Deel V, Meetcode, art. V 2.4.2) dat de kilowattuurmeter moet kunnen terugdraaien. Op die manier krijgt een PV-eigenaar financiële compensatie voor de volledige PV-productie, door de vermindering van het verbruik via de terugdraaiende meter en de teruglevering aan het net via diezelfde meter. De nodige aanpassing daarvoor gebeurt op kosten van de distributienetbeheerder. Op die manier wordt PV-stroom aan het geldende tarief vergoed. Deze terugleververgoeding bedraagt in praktijk ongeveer 17 cent/kWh voor particulieren op weekdagen en een lager tarief in het weekend (met een tweevoudige meter). Wel is de terugleververgoeding beperkt tot het volledige eigen jaarlijkse verbruik, m.a.w. netto teruggeleverde energie “onder 0” op jaarbasis wordt niet automatisch vergoed. Particulieren hebben recht op belastingvermindering voor hun investering in een PV-systeem, in het kader van de federale maatregel “Belastingvermindering voor energiebesparende investeringen”. Het gaat om een integrale vermindering van de te betalen belastingen in de personenbelasting. Vanaf aanslagjaar 2009 (inkomsten 2008) – voor investeringen in 2008 dus – bedraagt deze vermindering 40% van de investeringskost, met een bovengrens van 3440 euro. In praktijk is de belastingvermindering dus een vaste premie. Voor een PV-systeem van 1 kWp met een kost van 6.000 euro is het een subsidie van effectief 40%. Voor grotere systemen daalt het percentage, omdat het maximale bedrag gelijk blijft aan 3.440 euro. Bovendien geldt de belastingvermindering maar één maal per aanslagjaar voor alle goedgekeurde maatregelen (extra isolatie, vervanging van CV-ketel enz.), dus is het aangewezen om investeringen te spreiden over verschillende aanslagjaren. Bijna één op drie gemeenten geeft een lokale subsidie voor zonne-energie, meestal een percentage van de investeringskost met een bovengrens van 250 tot 1.000 euro. In de praktijk wordt deze bovengrens altijd bereikt en gaat het hier dus om een vaste premie.
Tom Rysman
56
Besluit: Het rendement van zonnepanelen stijgt langzaam maar zeker. Er komen diverse vormen en maten op de markt. Daar zijn ondermeer zonnefolies, zonnedoeken en zonnematten. Weliswaar hebben deze nog een minder hoog rendement dan de tot nu toe bekende zonnepanelen. Uiteraard staan deze nieuwe producten dan ook nog maar in de kinderschoenen. De dunne folies (amorf silicium zonnecellen) kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om op ramen te kleven. Op die manier wordt enerzijds de zon voor een klein deel buitengehouden en anderzijds elektriciteit opgewekt. Deze onuitputtelijke bron van energie is zeker en vast in opmars. De wereldmarkt voor fotovoltaïsche toepassingen is nog steeds tamelijk klein in absolute cijfers, maar de markt groeit spectaculair met een gemiddelde van 35% per jaar gedurende de laatste vijf jaar76. De mogelijkheid bestaat dat in de toekomst zonnecellen één van de grootste bijdragers worden van een schoner milieu.
76
Bron: http://ode.be
Tom Rysman
57
2.2.2.2 Zonnecollectoren Zonnecollectoren wekken geen elektriciteit op zoals de fotovoltaïsche cellen, maar ze maken gebruik van de warmte van de zon om water op te warmen.
Figuur 2.58: Onderdelen van een installatie
Principe: Een zonneboiler zet zonnestraling om in warmte en slaat die warmte op in een voorraadvat met water. Geeft de zon niet voldoende warmte, dan zorgt de naverwarming ervoor dat we altijd voldoende warm water beschikbaar hebben. De hoofdonderdelen van een zonneboiler zonne zijn de zonnecollector, de leidingen, het voorraadvat, de regeling en de naverwarming. De zonnecollector vangt het invallende zonlicht op en zet het om in warmte. De collector geeft de warmte door aan een vloeistof, vloeistof die de zonnewarmte van de collector colle naar het opslagvat brengt. De vloeistof circuleert in de leidingen tussen de collector enn het voorraadvat. De vloeistof neemt warmte op in de collector. collector In felle zon kan deze temperatuur oplopen tot 90°C. Vervolgens wordt deze warmte afgegeven aan het water in het voorraadvat. De afgekoelde vloeistof wordt dan weer naar de collector gepompt gepompt om opnieuw op te warmen. Het voorraadvat zorgt ervoor dat de door de zon geproduceerde warmte wordt bijgehouden tot op het moment dat er warm water nodig is. is. Bij voldoende zonlicht kunnen de zonnecollectoren het water in het voorraadvat gemakkelijk gemak opwarmen tot boven 60°C. Als de zon niet voldoende warmte levert, zorgt de naverwarming ervoor dat de gewenste temperatuur bereikt wordt. De naverwarming is mogelijk mogelijk een elektrische weerstand, een doorstroomtoestel op gas of de CV-ketel. CV ketel. Bij een duoboiler zit de naverwarming in het voorraadvat.
Tom Rysman
58
Werking: Het zonlicht valt in op een metalen plaat die bedekt is met een speciale laag die bijna alle zonnestraling absorbeert en omzet in warmte. De onderzijde van de metalen plaat is verbonden met een gesloten circuit van buizen. Door het circuit stroomt een vloeistof (water + glycol77) die de warmte opneemt en transporteert.
Figuur 2.59: Vlakke plaatcollector
Isolatie aan de achterkant van de absorber en een glasplaat ervoor vermijden dat er warmte verloren gaat. Dat geheel vormt een vlakke plaatcollector. Er bestaan echter ook andere collectoren. Vacuümcollectoren bestaan uit vacuüm buizen met één smalle absorber per buis. Vacuüm is een nog betere isolator dan materialen zoals glaswol. Vacuümcollectoren hebben daarom een hoger rendement, vooral bij hoge temperatuur van het gebruikswater.
Figuur 2.60: Vacuümcollector
Om voldoende energie te kunnen leveren moet de zonnecollector zo geplaatst worden dat er zoveel mogelijk zonlicht op valt. Die hoeft, zoals het fotovoltaïsche zonnepaneel, niet per se pal naar het zuiden gericht te staan. Een oriëntatie tussen zuidoost en zuidwest en een hellingshoek tussen 20° en 60° leveren ook een goede opbrengst.
77
Glycol: Tweewaardige alcohol die bestaat uit antivries- en desinfectiemiddel
Tom Rysman
59
Figuur 2.61: Zonnecollectoren met zonneboiler
Toepassingen: De bekendste toepassing is het verwarmen van sanitair water. Daarom spreken we van een zonneboiler. De zon levert op die manier ruim de helft van de energie die nodig is voor de warmwatervoorziening in ons huishouden. Een richtlijn voorr een gezin van vier personen is 4 m² collectoren met een duoboiler van 200 à 300 liter. In de winter, wanneer de behoefte aan warmte het grootste is, levert de zon het minst energie. Toch kan de zon een bijdrage leveren aan de woningverwarming. Meestal gebeurt dat in combinatie met een zonneboiler voor sanitair warm water. Het aandeel van de zon zal echter nooit meer dan 10 à 25 % bedragen. Daarom blijft een aanvullend verwarmingssysteem noodzakelijk. Een richtlijn hiervoor is 10 à 15 m² collectoren met een buffervat van 500 tot 1000 liter. Openluchtzwembaden worden overwegend gebruikt in de zomer, de periode waarin de temperatuur van de lucht en van het zwemwater elkaar zeer dicht benaderen. Isolatie van de absorber is daarom niet nodig. Bijgevolg kunnen kunne eenvoudige, nvoudige, goedkope zwembadcollectoren worden gebruikt. Het zwembadwater loopt rechtstreeks door de collector. Het voorraadvat is het zwembad zelf. Naverwarming is meestal niet noodzakelijk. Een richtlijn is één à twee derde van de zwembadoppervlakte. Kosten78: Zoals reeds vermeld, haalt een zonneboiler de helft van zijn energie uit de zon. Met een zonneboiler zullen de jaarlijkse energiekosten slechts de helft bedragen van de verbruikskosten van een traditionele boiler voor sanitair warm water. Daartegenover Daarteg staan hogere investeringskosten. Voor een gezin van vier personen kost dergelijke installatie tussen de 2.800 en 4.800 euro (excl. BTW). BTW)
78
Bron: zonneboiler.googlepages.com
Tom Rysman
60
Een zwembadverwarmingssysteem op zonne-energie voor een buitenzwembad kan al zijn energie uit de zon halen. De jaarlijkse verbruikskosten vallen dan ook volledig weg. De investeringskosten die daartegenover staan zijn relatief laag. De richtprijs per vierkante meter zonnecollector ligt tussen de 100 en 150 euro. Voor de pomp en de regeling ligt de richtprijs tussen de 500 en 1000 euro. Net als bij zonnepanelen wordt en deel van de investeringskosten voor particulieren terugbetaald dankzij subsidies. Bepaalde kosten kunnen gedeeltelijk afgetrokken worden van de jaarlijkse belastingen. Voor zonneboilers worden er daarbij ook nog aanvullende premies gegeven door de netbeheerders. De subsidies zijn aan wijzigingen onderhevig. Up-to-date informatie betreffende premies die gelden in een bepaalde gemeente, zijn terug te vinden op de website: www.energiesparen.be.
Tom Rysman
61
2.2.3 Door middel van water 2.2.3.1 Waterkrachtenergie Het gebruik van waterkracht, ook wel “witte steenkool” genoemd, brengt geen vervuiling en gevaarlijk radioactief afval met zich mee. Fysische beschrijving: Het beschikbare vermogen uit waterkracht is afhankelijk van het hoogteverschil dat overbrugd wordt en van het debiet dat door de leidingen stroomt. De formule luidt:
P=ρ.g.Q.h.η met
P: ρ: g: Q: h: η:
(2.7)
Vermogen, in watt (W) Dichtheid van water, is ≈ 1.000 kg/m³ (kilogram per kubieke meter) Gravitatiekracht of zwaartekracht, is ≈ 9,81 m/s² (meter per seconde kwadraat) Debiet, in kubieke meter per seconde (m³/s) Valhoogte, in meter (m) Rendement, in procent (%)
Zoals bij elke energieomzetting moeten ook hier vele invloedsfactoren omtrent omzettingsverliezen in de energiebalans in rekening gebracht worden. Het rendement beschrijft hierbij de verhouding tussen geleverde energie en toegevoerde energie. In de meeste gevallen wordt een minimum rendement van 80% wel gehaald. Bij optimaal gebruik zal dit rendement gaan stijgen. Valhoogte en debiet: Dat het elektrische vermogen afhankelijk is van de valhoogte en het debiet heeft als gevolg dat om een zo goed mogelijke benutting te bekomen, men verschillende soorten installaties in gebruik moet nemen. Concreet wil dit zeggen dat een klein bergriviertje, met een klein debiet, maar met een valhoogte van honderd meter evenveel energie kan leveren als een brede rivier, die slechts een hoogteverschil van enkele meters overwint. Met betrekking tot de valhoogte kan men de volgende installatietypes onderscheiden: - Lage-druk-waterkrachtcentrales (valhoogte kleiner dan 25 m) - Midden-druk-waterkrachtcentrales (valhoogte kleiner dan 100 m) - Hoge-druk-waterkrachtcentrales (valhoogte groter dan 100 m)
Tom Rysman
62
Klassieke waterkrachtcentrale:
A B C D E F G H
Reservoir Krachtcentrale Turbine Generator Inlaat Leiding Hoogspanningskabels Rivier
Figuur 2.62: Klassieke waterkrachtcentrale
Er bestaan veel verschillende soorten turbines. In de loop der jaren heeft men vele aanpassingen kunnen verrichten om tot een zo hoog mogelijk rendement te komen. Een aantal van deze soorten turbines zijn: - Francis-turbine (ontwikkeld door James Francis in 1849 met een rendement van 85 à 90%) - Kaplan-turbine (ontwikkeld door Viktor Kaplan in 1913 met een rendement van 85 à 90%) - Pelton-Turbine (ontwikkeld door Lestor Pelton in 1889 met een rendement van ±90%) Deze waterkrachtcentrales bevinden zich op stromen en rivieren, met al dan niet een kunstmatige dam. Het verval en het debiet bepalen de hoeveelheid opgewekte energie. In 2009 zou de Drieklovendam in China moeten afgewerkt zijn en 18.200 MW opwekken.
Tom Rysman
63
Getijdencentrales79: Men maakt er gebruik van het niveauverschil veroorzaakt door de getijdenwerking, tussen de zee en een afgedamd bekken. Afhankelijk van het tij wordt in de ene of de andere richting geturbineerd. Op het einde van elke cyclus wordt nog een hoeveelheid water overgepompt (als de niveaus ongeveer gelijk zijn vergt dit weinig arbeid; later kan men deze hoeveelheid opnieuw turbineren bij grotere valhoogte). Het maximale niveauverschil bedraagt 13,50 m terwijl de gemiddelde valhoogte tijdens het turbineren 11,50 m bedraagt. Men gebruikt hiervoor zgn. klokinstallaties: dit zijn groepen gevormd door een Kaplan-turbine en een alternator met horizontale as geïnstalleerd in een afgedichte klok, die geplaatst is in het stromingskanaal. Bij groepen met relatief klein vermogen krijgt men aldus een zeer eenvoudige en dus economische constructie, vooral door de belangrijke vermindering van de noodzakelijke werken van burgerlijke bouwkunde. Deze worden ook gebruikt bij vlaktecentrales. Getijdencentrales hebben toch een nadeel. Het tijdstip van de elektriciteitsopwekking, op het ritme van de getijden, komt niet overeen met het tijdstip dat er veel elektriciteit wordt gevraagd.
Figuur 2.63: Werkingsprincipe van een getijdencentrale bij eb en vloed
79
Bron: Natuur&Techniek - De oceaan als eeuwige energiebron - juni 1998 - p. 46-48
Tom Rysman
64
Bergcentrales: In tegenstelling tot vlaktecentrales zijn bergcentrales niet aangelegd voor continu bedrijf. Om de waterkracht van een bergrivier te benutten, zal men op een doelmatig gekozen punt een stuwdam oprichten, waardoor een kunstmatig meer ontstaat. Grosso modo kan men twee categorieën onderscheiden: - De centrale kan gelegen zijn onmiddellijk aan de voet van de stuwdam of kan zelfs ingebouwd zijn. - De centrale kan ook op tamelijk grote afstand gelegen zijn van de stuwdam. Dit zal het geval zijn als men ook nog gebruik wenst te maken van een natuurlijk verval in de omgeving van de stuwdam.
Figuur 2.64: Werkingsprincipe bergcentrale
Bij een natuurlijk verval wordt vertrokken vanuit het meer (1), dat door oor een stuwdam (2) ontstaan is. Een en aanvoerkanaal (4), dat met een kleine helling afwaarts gericht is en boven het punt waar de centrale is aangelegd, zorgt gt voor de doorvoer van het water. Een evenwichtszuil (3) toont de hoogte van het meer aan. aan. Het doel hiervan is om bij plotselinge belastingsveranderingen ramstoten in het aanvoerkanaal te vermijden. Uit de basis van het aanvoerkanaal vertrekken de drukleidingen druklei (5), van staal of beton vervaardigd, die het water naar de turbines (6) voeren. Uit deze laatste loopt het water in het afvoerkanaal naar de rivier terug. Dee regeling van het waterdebiet is belangrijk.. Het aangevoerd debiet varieert op zeer onregelmatige wijze gedurende het jaar, terwijl de energie die de centrale dagelijks moet leveren doorgaans regelmatiger is. De ligging en de hoogte van de dam moeten daarom zo gekozen worden dat er ook gedurende het droge seizoen steeds een voldoende waterreserve wate aanwezig is. Naast energievoorziening hebben stuwmeren ook nog een belangrijke functie van drinkwaterreservoir, vrijetijdsgebied en waterreservoir voor irrigatie van landbouwgronden.
Tom Rysman
65
Golfslagcentrale80: Elke verstoring van het wateroppervlak veroorzaakt golven. De vorm van zeegolven is meestal onregelmatig en lijkt helemaal niet op de mooie sinusgolf, zoals een vallende steen die in een rimpelloze vijver veroorzaakt. Toch is het zinvol om voor een beschrijving van een zeegolf de sinusgolf als uitgangspunt te nemen. De golflengte is de horizontale afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen of -kruinen. De tijd die op een bepaald punt verloopt tussen het passeren van twee opeenvolgende kruinen noemt men de periode. De golfsnelheid is de snelheid waarmee een golftop passeert. Tussen deze drie grootheden bestaat de bekende relatie:
$ met
v: λ: T:
%
(2.8)
Snelheid, in meter per seconde (m/s) Golflengte, in meter (m) Periode, in seconden (s)
Bij watergolven speelt de golfhoogte h een kenmerkende rol. De golfhoogte is de verticale afstand tussen de golftop en het golfdal. Vergeleken met harmonische golven is de golfhoogte dus gelijk aan de dubbele amplitude.
Figuur 2.65: Kenmerk van een zeegolf
Men kan het vermogen van een zeegolf exact berekenen:
met
P: h: T:
.%
(2.9)
Vermogen, in kilowatt (kW) Golfhoogte, in meter (m) Periode, in seconden (s)
De helft van de golfperiode vermenigvuldigd met de veelbetekende golfhoogte in het kwadraat levert het vermogen per meter kambreedte in kilowatts.
80
Bron: Natuur&Techniek - Golfkracht, nieuwe energiebron - november 1996 - p. 32-40
Tom Rysman
66
De golfhoogte is de gemiddelde hoogte van de 33% hoogste golven. Bij een zware zeegang loopt het vermogen per meter kambreedte al vlug op tot waarden van een megawatt. De Osprey is een golfcentrale en staat voor Ocean Swell Powered Renewable Energy. De centrale zet de op- en neergaande beweging van het water om in een luchtstroom die een Wellsturbine aandrijft. Het bijzondere aan een Wellsturbine zijn de symmetrische schoepen waardoor de turbine, ongeacht de richting van de luchtstroom, steeds in dezelfde richting draait. Dit gebeurt in twee stappen. Wanneer een golf de Osprey binnenkomt, zal ze de opgesloten lucht naar buiten willen drijven. Wanneer er voldoende druk opgebouwd is, zal de turbine beginnen draaien, en elektriciteit opwekken. Het omgekeerde gebeurt wanneer de golf zich terugtrekt. Er zal zich dan in de Osprey een onderdruk opbouwen, waardoor er, via de turbine, lucht naar binnen wordt gezogen.
Figuur 2.66: Golfcentrale
Figuur 2.67: Binnenkomende en teruggaande golf
De Osprey is geheel van staal en wordt verankerd aan de zeebodem. De centrale is mobiel. Hij wordt als een schip naar de plaats van bestemming versleept, waar men hem afzinkt op de zeebodem door zijn ballasttanks te vullen met zand. Wanneer men wil, kan de ballast worden uitgepompt en kan OSPREY op een andere plaats worden ingezet.
Tom Rysman
67
De Osprey is gebouwd om in totaal 2MW elektriciteit te leveren. De windturbine is achteraf aan het oorspronkelijke ontwerp toegevoegd. In de meestal strakke bries op zee kan die in totaal nog 1,5 MW extra leveren. De Osprey is via een onderzeese kabel verbonden met het elektriciteitsnet op het land. De machine zal in de eerste plaats elektriciteit leveren aan een plaatselijke ontziltingsinstallatie in Derdewereldlanden. Chemische ontzilting81 van zeewater kost zoveel energie, dat dit voor deze landen veel te duur is. De energie van Osprey kost naar verhouding maar een schijntje. De Osprey kan ook ingezet worden om stroom te leveren aan afgelegen gebieden, zoals eilanden. De elektriciteit van de Osprey is wel iets duurder dan die van de 'conventionele' bronnen.
81
Ontzilten: Van zout ontdoen.
Tom Rysman
68
2.2.3.2 Blauwe energie De blauwe energiecentrale wekt energie op uit het verschil in zoutgehalte tussen twee waterstromen. Zout water bevat onder andere meer opgelost keukenzout dan zoet water. Keukenzout bestaat uit moleculen natriumchloride (NaCl). Als je het oplost in water valt elk molecuul in twee geladen atomen (ionen) uit elkaar. Positieve ionen (in dit geval de natriumionen) heten kationen, negatieve (hier de chloorionen) noem je anionen. Zout water bevat dus veel meer geladen deeltjes dan zoet water. Omdat er in zowel zout als zoet water evenveel positieve als negatieve deeltjes zijn, is het water als geheel elektrisch neutraal.
Figuur 2.68: Principe blauwe energiecentrale
De centrale bevat twee soorten membranen: anionmembranen die alleen de chloride ionen doorlaten en kationmembranen die alleen de natriumionen geleiden. De anion- en kationmembranen wisselen elkaar af, en delen zo de centrale op in twee typen cellen: in type één zit het anionmembraan links ten opzichte van het kationmembraan, in type twee is het net andersom. Buizen leiden het zoute water door cellen van het eerste type en zoet water door het tweede type. Op die manier stroomt in elke cel zout en zoet water langs elkaar heen. In het zoute water zitten meer geladen deeltjes dan in het zoete. Er zullen dus veel meer deeltjes van het zoute naar het zoete water stromen dan andersom. Vanuit het zoute water emigreert een netto stroom positieve deeltjes naar rechts en negatieve deeltjes naar links (daar zorgen de membranen voor). Het resultaat is dat er een elektrische stroom door de centrale loopt. In het zoete water komen de tegengestelde deeltjes weer bij elkaar (hoewel ze nog steeds opgelost blijven). Het zoute water wordt zo steeds zoeter, en het zoete water steeds zouter. Hoe groter het oorspronkelijke verschil in zoutgehalte tussen het zoete en het zoute water, hoe groter de elektrische stroom. Uiteindelijk is het de warmte-energie van het water die gedeeltelijk wordt omgezet in elektrische energie. Hierdoor daalt de temperatuur van het gebruikte water ongeveer een halve graad Celsius.
Tom Rysman
69
Het Nederlandse bedrijf Kema82 is bezig met het ontwikkelen van een goedkoop membraan dat een nieuw type energiecentrale mogelijk maakt. Membramen van tegenwoordig kosten tussen de 50 en 100 euro per vierkante meter. Aangezien er een behoorlijk aantal vierkante meters nodig zijn, wordt dit een dure energievorm. De kosten van de membramen, door KEMA gemaakt, zouden slechts 5 euro per vierkante meter kosten. Het prototype zal bestaan uit vier modulen van elk twee bij twee bij twee meter, en moet een totaal vermogen van 250 kilowatt leveren. Naar verwachting kan uit elke kubieke meter zoet water die per seconde naar zee stroomt één megawatt worden opgewekt.
82
Bron: www.kema.nl (KEMA Folder Blue Energy)
Tom Rysman
70
2.2.4 Door middel van aarde 2.2.4.1 Warmtepomp Een warmtepomp benut de warmte van de natuur voor de verwarming van onze woning en voor de bereiding van sanitair warm water. Een warmtepomp is in staat 70 à 80% van de energie uit de natuur te onttrekken, de rest wordt geleverd door elektrische energie die de warmtepomp aandrijft.
Figuur 2.69: Warmtepomp (Rendement 70 à 80%)
Werking: Een warmtepomp werkt op het principe van een koelkast. Het wordt koud in de koelkast omdat er in het diepvriesvakje een verdamper aanwezig is, waarin een ijskoud koelmiddel circuleert. De voedingswaren in de koelkast geven hun warmte af aan de verdamper en worden op die manier koud. Dit komt omdat het warmtetransport altijd van warm naar koud gebeurt. De warmte die de voedingswaren in de koelkast hebben afgegeven aan het koelmiddel wordt verlaten via de condensator (zwart metalen rooster) aan de achterkant van de koelkast. De warmtepomp haalt op dezelfde manier gratis warmte uit de natuur. Dankzij de zon zitten in de aarde, het water en de lucht, altijd en overal enorme hoeveelheden aan warmte opgeslagen. Dit betekent dat ook in de winter, bij -10 °C nog voldoende hoeveelheden warmte uit de natuur kunnen gehaald worden om de woning te verwarmen. Met een warmtepomp vermindert het verbruik van bestaande CV-installaties83 aanzienlijk, ook omdat deze in het tussenseizoen uitgeschakeld kunnen worden. Soorten warmtepompen: Verschillende warmtebronnen staan ter beschikking. Aarde is vrijwel altijd de beste keuze. De uiteindelijke warmtebron die gekozen wordt is afhankelijk van het type van de installatie, het vermogen en de plaatselijke omstandigheden. 83
CV-installatie: Centrale verwarmingsinstallatie.
Tom Rysman
71
Aarde: Der aarde is een zeer goede warmteaccumulator. Regen en zon zorgen ervoor dat haar temperatuur gedurende het hele jaar ongeveer 8 tot 12 °C bedraagt.
Figuur 2.70: Horizontaal captatienet
Een horizontale captatienet (Figuur 2.70) bestaat uit kunststofbuizen die ca. 1,2 m diep in de tuin liggen. Door deze buizen stroomt ijskoud water van de warmtepomp. Dit ijskoude water zal gratis worden opgewarmd door de warmere aarde. De opbrengst bedraagt gemiddeld 30 W/m². Deze methode heeft reeds 20 jaar zijn efficiëntie bewezen. Deze installatie is bijzonder betrouwbaar en goedkoop. Een richtprijs voor dergelijke installatie is ongeveer 1.500 euro84.
Figuur 2.71: Verticale aardsondes
Wanneer men slechts over een klein grondoppervlak beschikt, kan men warmte aan de aarde onttrekken via verticale aardsondes (Figuur 2.71). In één of meerdere boringen die tussen de 25 en 75 meter diep zijn, worden kunststofbuizen neergelaten waardoor het ijskoude water van de warmtepomp circuleert. Op zijn beurt zal de aarde gratis haar warmte afgeven aan het ijskoude water.
84
Bron: www.supersystems.be
Tom Rysman
72
Al naar gelang de geologie bedraagt de opbrengst per boordiameter ca. 20 tot 100 W. Een gemiddelde richtprijs is hiervoor 4.500 euro. Grondwater:
Figuur 2.72: Grondwatersysteem
Bij deze methode wordt grondwater opgepompt en rechtstreeks naar de warmtepomp gestuurd. Het afgekoelde water vloeit daarna terug via een retourput. Een goede waterkwaliteit en dit water niet in aanraking brengen met de lucht is van primordiaal belang voor de goede werking van het systeem. Een gemiddelde richtprijs voor dit systeem ligt rond de 5.000 euro. Lucht:
Figuur 2.73: Luchtsysteem
Lucht is overal en in voldoende mate aanwezig. Bij lage buitentemperaturen is de hoeveelheid warmte die we uit deze lucht kunnen halen echter vrij laag. Daarom is tijdens extra koude periodes een extra verwarmingsbron nodig om de warmtepomp te ondersteunen. Samengevat: Verwarmen met een warmtepomp is goedkoop omdat 70 à 80% van de nodige warmte gratis uit de aarde, het water of de lucht gehaald wordt. Een warmtepomp heeft een laag verbruik en is daarbij milieuvriendelijk. Met een warmtepomp is het mogelijk om in de winter te verwarmen, maar daarnaast is er ook de mogelijkheid om in de zomer te koelen. Deze installatie is zo goed als onderhoudsvrij. De levensduur van dergelijke installaties ligt boven de 20 jaar.
Tom Rysman
73
Kostenvergelijking (waterpomp versus stookolie): Om een eerlijke vergelijking te kunnen maken wordt gekozen voor een stookketel van hoge kwaliteit zodat die de levensduur van de warmtepomp benadert. Er wordt voor een woning gekozen met een verwarmd oppervlak van 180 m² en een vermogen van 50 W/m² - 9 kW. Investeringskosten: Stookolie Ketel + brander + regeling Mazouttank 3000 l Toebehoren mazouttank, leidingen, ... Stijgleidingen, expansievat, veiligheidsventiel, pomp, diversen Mengkraan + servomotor Vloerverwarming 180 m² Werkuren In bedrijfstelling
Warmtepomp met captatienet Warmtepomp+regeling Captatienet+collector Montage, collector, leidingen, toebehoren, ... Stijgleidingen, expansievat
6.145 3.010 150
305 5.130 3.860 180
Vloerverwarming 180 m² Werkuren In bedrijfstelling
5.130 3.860 659
Totale kosten installatie
16.220
Totale kosten installatie
19.910
Schouw + verluchtingen
2.100
Graafwerken captatienet
Algemeen totaal installatie
3.750 1.950 295 750
18.320
Algemeen totaal installatie Subsidies en premies
Tom Rysman
956
520 20.430 - ca. 3.400
74
Verwarmingskosten (Stel 1.800 uren per jaar ≈ gemiddeld 5 u/dag): Stookolie
Warmtepomp met captatienet
9 kW x 1800 h = 16.200 kWh Seizoenrendement ketel = 0.85 Energiewaarde: 10 kWh/l
9 kW x 1800 h = 16.200 kWh Seizoenrendement WP = 4.0
Verbruik stookolie: 16.200 / (10 x 0.85) = 2.160 l Prijs stookolie: 0.65 € / l (mei 2008) Stookolie per jaar 0.65 x 2.160 =
Verbruik elektriciteit: 16.200 / 4.0 = 4.050 kWh Prijs elektriciteit: 0,13 c€ 60% dag / 40% nacht Elektriciteit per jaar:
527
Totale kosten
527
Stroomverbruik brander 340 kWh Afstellen van de brander Schoorsteen vegen Totale kosten Kost per kWh
1404 44 150 100 1.698 10,48 c€
Kost per kWh
3,3 c€
Besparing per jaar met de warmtepomp: 1.698 - 527 = 1.171 € Totale besparing over 25 jaar: ca. 29.000 €
Besluit: Het warmtepompsysteem kost praktisch evenveel als de installatie met stookolie, maar jaarlijkse verwarmingskosten bedragen minder dan de helft. In dit voorbeeld kan er tot 450 euro bespaard worden per jaar. Als dit bedrag jaarlijks zou gespaard worden, zou de eigenaar na 25 jaar een kapitaal van ongeveer 24.000 euro bij elkaar gespaard hebben (Intrest 4.0 %). Dit is met de veronderstelling dat de stookolieprijs gedurende deze periode niet stijgt.
Tom Rysman
75
2.3 Energiebehoud De meerderheid van de Belgen bouwt of verbouwt maar eenmaal een woning. Dat toont aan hoe belangrijk het is om van bij het ontwerp van je huis of flat aandacht te besteden aan energiebesparende ingrepen. Het begint al met de vorm en de ligging van de nieuwe woning. In een huis met veel buitenmuren en uitsprongen gaat meer warmte van binnen naar buiten verloren. Een venster, in zuidelijke richting, biedt tijdens de winter het voordeel om gratis van de zonnewarmte te genieten. Daarnaast is het ook belangrijk in de zomer om het huis koel te houden door middel van zonweringen.
De keuze van een energiebesparende verwarmingsinstallatie is natuurlijk een must. Maar minstens even belangrijk is een doorgedreven isolatie, gekoppeld aan een weloverwogen ventilatie. Dit resulteert in een drastische vermindering van de energiefactuur. De uitgaven die gedaan worden om te isoleren, zijn op korte termijn terugverdiend door een aanzienlijke besparing op de verwarmingskosten.
Tom Rysman
76
2.3.1 Isolatie Wanneer het over isoleren gaat, worden enkele termen gebruikt die zeker nodig zijn om met de kennis van zaken de isolatie te plannen, te bestellen en aan te brengen: 2.3.1.1 K-waarde (met grote K) De globale K-waarde of isolatiewaarde van het gebouw, houdt rekening met het warmteverlies door de buitenmuren, daken, vloeren, vensters en eveneens met de compactheid van het gebouw. Hoe lager de K-waarde, hoe beter het huis in het algemeen geïsoleerd is. Op 1 januari 2006 is de norm veranderd van K55 naar K45 voor nieuwbouwwoningen (Belgische norm). 2.3.1.2 R-waarde De R-waarde of warmteweerstand van een materiaallaag geeft het isolerend vermogen van het materiaal weer. Deze wordt vaak gebruikt om de isolerende waarde aan te geven van dubbel glas, muren, vloeren, daken, … Hoe groter de R-waarde, hoe groter de weerstand die de warmtedoorgang ondervindt, hoe beter het materiaal isoleert. Dit wordt uitgedrukt in m²K/W.
& met
R: d: λ:
(2.10)
Warmteweerstand, in meter kwadraat Kelvin per watt (m²K/W). Dikte, in meter (m). Warmtegeleidingcoëfficiënt, in watt per meter Kelvin (W/mK).
2.3.1.3 U-waarde (oude k-waarde) De U-waarde of warmtedoorgangscoëfficiënt is de hoeveelheid warmte, die in een stationaire toestand doorheen een wand gaat, per eenheid van tijd, oppervlakte en temperatuursverschil tussen de omgevingen langs beide zijden van de wand. Deze wordt uitgedrukt in W/m²K. De U-waarde wordt bepaald door de verschillende materiaallagen waaruit het constructiedeel bestaat en meer bepaald door het type en dikte van het materiaal. Hoe lager de U-waarde (of k-waarde) van de gebruikte materialen, hoe minder warmteverlies er optreedt door dat deel naar de buitenomgeving of hoe meer warmte wordt binnengehouden door dat specifieke constructiedeel.
met
'
U: R:
Warmtedoorgangscoëfficiënt, in watt per vierkante meter Kelvin (W/m²K). Warmteweerstand, in meter kwadraat Kelvin per watt (m²K/W).
Tom Rysman
(2.11)
77
2.3.1.4 λ-waarde De thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingcoëfficiënt (λ) is een materiaalconstante die aangeeft hoe goed het materiaal warmte geleidt. Dit is uitgedrukt in watt per meter Kelvin (W/mK). Thermische isolatoren hebben een lage λ-waarde, geleiders een grote. Dit gaat ten dele gelijk op met de elektrische geleidbaarheid. Metalen hebben bijvoorbeeld zowel thermisch als elektrisch een hoge geleidbaarheid. Dit komt omdat zij inwendig een elektronengas bezitten dat zowel warmte als elektrische lading kan transporteren. Tabel 2.8: Warmtegeleidingscoëfficiënt λ Metalen (bij 293 K) Geleidbaarheid (W/mK) Vast
W/mK
.
Gas (bij 273 K)
W/mK
aluminium
237
diamant
165
lucht
0,024
goud
310
grafiet
160
waterdamp
0,016
ijzer
79
kwarts
0,22
aardgas (Gronings)
0,029
koper
390
ijs (269 K)
2,1
zuurstof
0,0025
lood
35
glas
0,8 - 0,9
stikstof
0,024
nikkel
92
hout
0,1 - 0,5
waterstof
0,174
platina
72
beton
0,2 - 20
helium
0,144
zilver
417
keukenzout
0,045 - 0,06
neon
0,046
zink
116
papier
0,18
argon
0,016
staal
50
polyetheen (PE)
0,23 - 0,29
chloor
0,0076
16 - 27
polystyreen (PS)
0,08
Vloeistof
W/mK
Roestvast staal brons
190
porselein
messing
122
1,0 - 1,7
water
0,60
asbest
0,09
kwik
10,4
aerogel
ca 0,017
melk
0,49
methanol
0,21
aceton
0,16
chloroform
0,12
2.3.1.5 Koudebrug Een koudebrug is een plaats waar het isolatieschild onderbroken is. Op die plaats gaat warmte verloren en kan er bijvoorbeeld ook vocht binnendringen, die aanleiding kan geven tot schimmelvorming.
Figuur 2.74: Isolatiemogelijkheden
Figuur 2.74 toont aan welke delen van het huis kunnen geïsoleerd worden en daarbij bijdragen om de binnentemperatuur te behouden. In principe kan dus alles geïsoleerd worden, buiten- en binnenmuur, dak, plafond en vloer.
Tom Rysman
78
2.3.1.6 Dakisolatie
Figuur 2.75: Dakisolatie
De belangrijkste delen om te isoleren zijn het dak en plafond. Dit komt omdat de warmte stijgt. Tussen de kepers van het dakgebinte (Figuur 2.75) is het mogelijk om op een eenvoudige manier isolatie aan te brengen van minstens 8 cm dikte. Spijkerflensdekens van rotswol of glaswol (minerale wollen) zijn een goede keuze in zoverre ze de ruimte tussen de kepers luchtdicht en met de wol tot tegen de randen vullen. Beter zijn platen met minerale wol, of polyurethaan (PUR) en polystyreen (PS). Sommige isolatieplaten kunnen ook op de kepers worden genageld en zo een afgewerkt onderdak of zoldering vormen. Bij 'warme' platte daken (waar de zon op schijnt) is het aangewezen de isolatie op het dak aan te brengen met de afwerklaag (roofing bijvoorbeeld) er bovenop. Er wordt aangeraden om hiervoor een isolatiemateriaal te kopen met een λ-waarde die kleiner is dan 0,08 W/mK, dat waterafstotend, dampdoorlatend, schimmelvrij en onontvlambaar is. Tabel 2.9: Belangrijkste soorten isolatie
Soort isolatie Glaswol Rotswol Geëxpandeerd polystryreenschuim (EPS) Geëxtrudeerd polystyreenschuim (XPS) Polyurethaanschuim (PUR) Polyisocyanuraat (PIR)
Tom Rysman
λ-waarde (W/mK) 0,032-0,040 0,036-0,042 0,033-0,042 0,029-0,038 0,023-0,032 0,023-0,032
79
2.3.1.7 Muurisolatie
Figuur 2.76: Muurisolatie
Oudere woningen kunnen nog massieve muren hebben, één steen dik zonder luchtspouw bijvoorbeeld. Het isoleren van dergelijke muren kan aan de binnen of buitenkant. De meeste muren bestaan uit vier lagen: een gevelsteen, de luchtspouw, de binnenmuur (snelbouwsteen) en een binnenbepleistering die zorgt voor de luchtdichtheid. De isolatie wordt in de luchtspouw aangebracht, die helemaal kan worden opgespoten of voorzien van isolatieplaten, die vakkundig worden vastgemaakt aan de binnenmuur. De isolatiematerialen kunnen bestaan uit minerale wol (glaswol of rotswol) of platen polyurethaan- of polystyreenschuim. 2.3.1.8 Vloerisolatie
Figuur 2.77: Vloerisolatie
Vloerisolatie wordt nogal eens verwaarloosd, hoewel ze tot een kwart van de warmteverliezen in een woning kan tegenhouden. Vooral de vloeren op volle grond en boven niet-verwarmde plaatsen als kruipruimtes en kelders, moeten zeker worden geïsoleerd. Isoleren kan ondermeer met drukvaste isolatieplaten onder de draagvloer (boven een kelderruimte) of tussen de draagvloer en de gewapende oppervlaktevloer.
Tom Rysman
80
2.3.1.9 Isolerend glas Vensters zijn ook een belangrijk element om te isoleren. Vensters hebben in vergelijking met een spouwmuur een grote U-waarde. Daarom is het belangrijk om te kiezen voor Superisolerend glas of hoogrendementsglas (HR-glas).
Figuur 2.78: Hoogrendementsbeglazing
Stel: Buiten is het – 10 °C en in de woning is het 22 ° C. De temperatuur op de binnenruit van de verschillende soorten beglazing is: Bij enkelglas – 2 °C, bij dubbelglas 9 °C en bij HR-glas 15 °C. Gemiddeld 1 °C minder stoken levert 8% minder stookkosten op85. Tabel 2.10: Soorten beglazing
Beglazing Enkelglas Dubbelglas Superisolerend glas Driedubbel glas
U-waarde (W/m²K) 5,8 2,8 1,1 0,6
Het raamwerk op zich, waarin het glas vervat zit, is ook van belang. Hout isoleert namelijk veel beter dan metaal. Het is dan ook gebruikelijk dat dit geïsoleerd wordt.
85
Bron: WTCB (Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf)
Tom Rysman
81
2.3.1.10 Isolatiereglementering De Vlaamse isolatiereglementering legt eisen op voor de isolatie van woningen. De eisen waaraan een woning moet beantwoorden zijn op 1 januari 2006 gewijzigd. Tabel 2.11: Eisen op isolatie van woning
Spouwmuur Vloeren Daken Beglazing
Tom Rysman
Minimale isolatiedikte 4 – 6 cm 4 cm 8 – 10 cm Dubbel glas
Aanbevolen isolatie 10 cm 6 cm 15 cm Superisolerend glas
82
2.3.2 Ventileren Wie doeltreffend isoleert, stopt alle spleten en kieren op waar warmte kan ontsnappen, maar tegelijk komt er geen frisse lucht naar binnen en worden geurtjes niet meer afgevoerd. Regelmatig verluchten is dan ook een noodzaak om vochtproblemen te voorkomen. In badkamers en keukens moet een goede ventilatie venti CO-vergiftiging iftiging voorkomen. Jaarlijks J eist CO-vergiftiging nog tientallen slachtoffers. Het vocht kan van buiten komen (regendoorslag, opstijgend uit de grond ...) en van binnen (koken, wassen ...). Een langdurige hoge luchtvochtigheid leidt tot vochtige plekken of schimmels op het behang of zelfs op meubelen. Je zult de schimmelplekken het eerst zien op plaatsen die slecht werden geïsoleerd (koudebruggen). In zeer goed geïsoleerde woningen is een 'gedwongen’ ventilatie aan te bevelen. Er bestaan systemen met pulsie, extractie of dubbele flux. Bij pulsie wordt verse lucht in de woning gestuwd en gelijktijdig vervuilde lucht naar buiten afgevoerd. Bij extractie wordt vervuilde lucht uit de woning 'getrokken' en vloeit verse lucht naar binnen. Dubbele flux combineert combin beide principes. Bovendien kan bij bepaalde systemen de warmte van de binnenlucht worden teruggewonnen om de binnenkomende verse lucht voor te verwarmen
Figuur 2.79: Ventilatiesysteem
De luchttoevoer (pulsie) en de luchtafvoer (extractie) (extractie) gebeurt in dit geval vanuit een centraal opgesteld toestel met een ventilator en een systeem voor terugwinning van de warmte uit de extractielucht. Deze warmte kan in eerste instantie gebruikt worden voor het verwarmen van de pulsielucht via een warmtewisselaar. Daarnaast kan ze ook gebruikt worden bij de bereiding van warm water in een boiler, waarvoor een kleine warmtepomp wordt ingeschakeld. De pulsielucht wordt aangevoerd langs luchtroosters in plafond of muren in i de leefruimte, de keuken en de slaapkamer(s). De extractielucht wordt afgevoerd langs luchtroosters in plafond of muren in de slaapkamer(s), de badkamer en het toilet. Het debiet van de ventilator voor pulsie en extractie is doorgaans regelbaar.
Tom Rysman
83
3 Energiebord
Figuur 3.1: Didactisch energiebord
3.1 Hardware 3.1.1 Input/Output Eerst en vooral zijn op het bord 15 drukknoppen (ingangen) aan te treffen, zodat de gebruikers een bepaald element op het bord kunnen k aanduiden. Daarnaast zijn 15 leds (uitgangen) aanwezig, die aanduiden over welk element op het bord uitleg gegeven wordt. w Ten slotte staat ook een dimmer op het bord, om de lampen te dimmen.
3.1.2 Touch-PC Een PC met touchscreen, met een daarop draaiend VB.net – programma, biedt de mogelijkheid om veel informatie weer te geven. Op die manier zijn in de toekomst uiteindelijk ook updates van het programma mogelijk.
Figuur 3.2: Touch-PC
Tom Rysman
84
3.1.3 Communicatiemodule Om de in- en uitgangen (I/O) te kunnen aansturen vanuit het programma is een communicatiemodule (interface) nodig. 3.1.3.1 Communicatiemethode De interface moet in staat zijn I/O communicatie om te zetten naar een andere communicatievorm, die aansluitbaar is op een poort van de PC.
Figuur 3.3: Soorten connectors
Er is de mogelijkheid om via volgende connectors te werken: - Ethernet TCP/IP via RJ45, - USB86, - seriële communicatie via DB9, - parallelle communicatie via DB25.
86
USB: Universal Serial Bus.
Tom Rysman
85
3.1.3.2 Zelfontwerp van een interface Het eerste idee ging naar het zelf ontwerpen van een stuk hardware d.m.v. een PIC87. Een PIC is een programmeerbare UART88. Deze is in staat om op een asynchrone manier digitale gegevens (logische ‘1’-en en ‘0’-en) in te lezen (recieve) en uit te sturen (transmit).
Figuur 3.4: PIC 24F
Door middel van multiplexing zijn tien lijnen nodig om de drukknoppen te lezen, negen om de leds te sturen en twee indien gekozen wordt voor seriële communicatie89. Dit betekent dat er in het totaal 21 datalijnen ter beschikking moeten zijn. Een PIC van de 24F-serie90 is hier dan ruim voldoende. Door middel van multiplexing is het mogelijk om een groot deel datalijnen uit te sparen. Multiplexing kan in deze toepassing eenvoudig gebruikt worden, daar gewerkt wordt met compartimenten. Één massalijn of 5V-lijn wordt voorzien voor elk compartiment en wordt al dan niet doorgeschakeld indien het actief hoeft te zijn. Daarnaast zijn slechts vier lijnen nodig voor de drukknoppen en vier lijnen voor de leds. Deze vier lijnen worden telkens doorverbonden naar de andere gedeeltes. Het gedeelte “Groene energie” wordt hiervoor opgesplitst in twee delen, daar het bestaat uit zes inputs en zes outputs. Een PIC is een processor die werkt met een Reduces Instruction Set Computer (RISC). In tegenstelling tot de Complex Instruction Set Computers (CISC) bevat RISC slechts 35 verschillende instructies en is op die manier eenvoudiger programmeerbaar dan de CISC. De PIC is voorzien van flashgeheugen, die dienst doet als programmageheugen. Daarnaast is er nog RAM91- en EEPROM92-geheugen, die dienst doet als datageheugen.
87
PIC: Programmable interface. UART: Universal Asynchronous Reciever/Transmitter. 89 Seriële communicatie is mogelijk door middel van een MAX 233A. 90 24F-serie: Staat voor 24 digitale inputs of outputs. 91 RAM: Random Access Memory. In dit geheugen kan geschreven worden en gelezen worden. 92 EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Momory 88
Tom Rysman
86
3.1.3.3 Keuze van de interface Er bestaan vele merken die communicatiemodules aanbieden, daar zijn ondermeer Beckhoff, Iba, National Intruments, Phoenix Contact en Siemens de voornaamste in. Een stuk hardware ontwerpen en neemt heel wat tijd in beslag. Er dient onder andere ook rekening gehouden te worden dat bij eventuele defecten in de toekomst, de module eenvoudig vervangen kan worden. Dit is dan ook de reden dat er gekozen werd voor de aankoop van een commercieel beschikbare communicatiemodule van Phoenix Contact die I/O–communicatie I/O omzet naar het TCP/IP protocol. Door gebruik te maken van OPC kunnen inin en uitgangen gestuurd urd worden vanuit een programma, ontwikkeld met behulp van VB.net. Het materiaal werd gekozen uit de ‘factory line’ (FL) van Phoenix Contact. Een bijkomend voordeel hiervan is dat het geheel in de toekomst vrij eenvoudig kan worden uitgebreid moest dit nodig blijken. Buskoppelaar: Als buskoppelaar (BK – Figuur 3.5) 3. werd gekozen voor de ‘FL IL 24 BK’. De IL staat voor ‘inline’ en betekent dat de I/O als inline-componenten inline componenten aan de buskoppelaar kunnen bevestigd worden. ‘24’ slaat op de spanning waarop de module werkt. Meer informatie betreffende deze buskoppelaar en bijhorende inline-modules inline is te vinden op bijhorende cd-rom. rom.
Figuur 3.5: Buskoppelaar (FL IL 24 BK)
Figuur 3.6: Aansluitingen BK
Tom Rysman
87
Digitale ingangen: Daar er 15 drukknoppen zijn, moeten er ook 15 digitale ingangen (DI) aanwezig zijn. Als inline-modules met digitale ingangen bestaan er modules van 2DI, 4DI, 8DI en 16DI. Logischerwijs werd dus geopteerd voor de ‘FL IL 24 DI 16’ met 16 digitale ingangen. Er kan opgemerkt worden dat de lichtblauwe stickers op de module verwijzen naar digitale ingangen.
Figuur 3.7: Module met 16 digitale ingangen
Figuur 3.8: Aansluitingen 16 DI
Tabel 3.1: Aansluitingen 16 DI
Tom Rysman
88
Digitale uitgangen: Daar er 15 leds zijn, moet er ook een module met 15 digitale uitgangen (DO) aanwezig zijn. Als inline-modules met digitale uitgangen bestaan er modules van 2DO, 4DO, 8DO en 16DO. Terug kan er logischerwijs gekozen worden voor de module met 16 digitale uitgangen, namelijk de ‘FL IL 24 DO 16’. Digitale uitgangen zijn te herkennen aan hun roze sticker.
Figuur 3.9: Module met 16 digitale uitgangen
Figuur 3.10: Aansluitingen 16 DO
Tabel 3.2: Aansluitingen 16 DO
Tom Rysman
89
Analoge ingang: Daar er gebruik gemaakt wordt van een dimmer, werd ook een inline-m module met analoge ingangen (AI) geïmplementeerd. geïmplementeerd. Deze module ‘FL IL AI 2’ heeft twee analoge ingangen. Een analoge ingang heeft een groene sticker op de module.
Figuur 3.11: Module met 2 analoge ingangen
Figuur 3.12: Aansluitingen 2 AI
A B
Actieve sensor met spanningsingang (Kanaal 1) Actieve sensor met stroomingang (Kanaal 2) Tabel 3.3: Aansluitingen 2 AI
Tom Rysman
90
In een later stadium van het eindwerk werd beslist om ‘Blauwe energie’ en ‘Isolatie’ nog toe te voegen op het bord. Dit betekende dat in plaats van 15 ingangen nu 17 ingangen nodig waren. De oplossing werd bekomen door gebruik te maken van een analoge ingang. Door middel van één analoge ingang kunnen verschillende ingangen gecreëerd worden. Een ingangsspanning van 10V betekent een maximale ingangswaarde. Wanneer een weerstand voor de drukknop geplaatst wordt, zal een bepaalde spanning over de weerstand komen te staan, wat resulteert in een lagere spanning over de ingang. Als er een weerstand, met een andere waarde, voor de tweede drukknop geplaatst wordt, kunnen deze twee drukknoppen onderscheiden worden. Om het eenvoudig te houden tijdens het programmeren worden de drie stopcontacten (ingangen) op één analoge ingang geplaatst. Zo worden alle drukknoppen op de digitale ingangen aangesloten.
Figuur 3.13: Stopcontacten
Het is de bedoeling dat wanneer de stekker in één van de stopcontacten geplugd wordt, dit kan ingelezen worden in de communicatiemodule. Wanneer de draden (L1 en L2) van de stekker aan elkaar bevestigd worden (kortsluitcontact) kan een verbinding gelegd worden tussen de 24V lijn en de analoge ingang. Er kan gekozen worden om een stroom of spanning in te lezen d.m.v. de analoge ingang. Als gekozen wordt voor het inlezen van een spanning, dan kan er gekozen worden tussen twee meetbereiken: - 0 tot 10 V - ± 10 V Als gekozen wordt voor het inlezen van een stroom, dan kan er gekozen worden tussen drie meetbereiken: - 0 tot 20 mA - ± 20 mA - 4 tot 20 mA Hier werd de keuze gemaakt om te kiezen voor een bereik van 0 to 20 mA
Tom Rysman
91
Figuur 3.14: Opstelling voor de drie-in-één ingang
Figuur 3.15: Kleurencode voor weerstanden
Om de kleurencode te bepalen, wordt het cijfer van het eerste kleur op de eerste plaats gezet, het cijfer van het tweede kleur wordt op de tweede plaatst gezet. Dit getal, die nu uit twee karakters bestaat (een tiental en eenheid), eenheid) wordt vervolgens vermenigvuldigd gvuldigd met 10 tot het derde cijfer. Het laatste kleur geeft aan hoeveel de maximum afwijking op de weerstandswaarde kan zijn. Eerste cijfer
Tweede cijfer
x 10Derde cijfer
Tolerantie
Voor de weerstandswaarde van 4.700 Ω is dus: geel (4) violet (7) x 10rood (2) . Tabel 3..4: Bijhorende tolerantie op de weerstandswaarde bruin rood
1%
Tom Rysman
2%
goud zilver
5%
10%
92
Door middel van de wet van ohm kan, voor de drie gevallen, de stroom bepaald worden die door de weerstand vloeit.
met
I: U: R:
( '
(3.1)
Elektrische stroom, in ampère (A). Spanning, in volt (V). Warmteweerstand, in ohm (Ω).
Berekenen van de stroom:
24 , 0,0051 2 5,1 32 4.700 Ω
Tabel 3.5: Kleurencode en weerstands- en stroomwaarden
Component R1 R2 R3
Weerstand (Ω) 4.700 2.200 1.500
Stroom (mA) 5,1 10,9 16
1e kleur geel rood bruin
2de kleur violet rood groen
3de kleur rood rood rood
3.1.4 Voeding 3.1.4.1 Stroomverbruik Tabel 3.6: Minimale stroom die de voeding moet kunnen leveren
Componenten Ventilatoren Leds Communicatiemodule Totaal:
Stroomverbruik 2 x 100 mA = 200 mA 15 x 20 mA = 300 mA 92 mA 592 mA
Daar de communicatiemodule moet gevoed worden met 24V, werd gekozen voor een 24V DC voeding.
Tom Rysman
93
Aangezien het prijsverschil tussen een voeding die 1,5A of 2,5A kan leveren, zeer gering was, werd de 2,5A voeding (= 60W) aangekocht. De voeding kan eenvoudig op de DIN-rail gemonteerd worden, waar de Phoenix-Contact module reeds op aanwezig is.
Figuur 3.16: 24V Voeding (Merk: Mean Well)
3.1.5 Koeling: Doordat het bord in principe een gesloten kist is waarin componenten, zoals computer en communicatiemodule, die een zeker dissipatievermogen bezitten, aanwezig zijn, is het goed om de kist van enige koeling te voorzien. Daarom werden de zijkanten van de kist voorzien van twee ventilatiegaten. Een ventilator (fan) zorgt voor een luchtstroom door de kist. De ventilator werkt op een voedingsspanning van 12V gelijkspanning, heeft een vermogen van 1,1W en een toerental van 4.300 toeren per minuut.
Figuur 3.17: Ventilator
Daar dit een 12V DC ventilator is en deze moet aangesloten worden op de 24V DC voeding, is een weerstand nodig die de stroom moet begrenzen.
Tom Rysman
94
3.1.5.1 Schema
Figuur 3.18: Voedingsschema ventilator
3.1.5.2 Stroomwaarde
1,1 100 32 12 ,
3.1.5.3 Weerstandswaarde & Kleurencode:
4 5 6 24 , 5 12 , 120 Ω 0,1 2
Bruin (1)
UR heeft dus een waarde van:
Rood (2)
Bruin (1)
' . & 0,1 2 .120 Ω 12 ,
3.1.6 Leds Daar rode leds een werkspanning hebben van 1,7V – 20mA DC en deze gevoed worden door 24V DC moet ook hier telkens een weerstand voorzien worden om de stroom te begrenzen.
Figuur 3.19: Rode leds
Tom Rysman
95
3.1.6.1 Schema
Figuur 3.20: Voedingsschema led
3.1.6.2 Weerstandswaarde &
4 5 7 24 , 5 1,7 , 1,1 8Ω 0,02 2
Daar 1,1 kΩ niet in de E12 weerstandenreeks staat, moet een weerstand gekozen worden die dicht aanleunt bij deze waarde. Best wordt hier een hogere weerstand gekozen. Bij een kleinere weerstandswaarde zou de stroom groter zijn en zouden de leds minder lang meegaan.
E12 reeks ( meestal 5% of 10% tolerantie) 10
Tom Rysman
12
15
18
22
27
33
39
47
56
68
82
96
3.1.7 Dimmer De dimmer die geïmplementeerd werd is een spaarlampdimmer en heeft een vermogen van 100 VA. De dimmer werkt met alle spaarlampen, met uitzondering van Phillips (Philips Genie wel),, Osram en Megaman spaarlampen. spaarlampen
Figuur 3.21: Spaarlampdimmer
In eerste instantie was het de bedoeling om de analoge waarde van de dimmer in te lezen en door middel van die waarde te berekenen hoeveel minder stroom verbruikt werd. werd Daar tijdens de studie van verschillende lampen tot de conclusie gekomen werd dat door te dimmen de levensduur van verschillende lampen vooruit ging, bij andere achteruit en niet bij alle merken eenzelfde besluit kon getrokken worden, werd beslist om de dimmer di enkel te gebruiken om de lampen te bedienen. bedienen
3.1.8 In de toekomst In de toekomst zullen de lampen nog apart kunnen bediend worden door een druk op de knop van de bijhorende lamp. Dit is mogelijk door middel van een relais. Daar een led van bijhorende drukknop gestuurd kan worden, kan ook parallel daarover een 24V relais aangestuurd gestuurd worden. Die relais kan de voedingslijn, van bijhorende lamp, al dan niet onderbreken. Op die manier wordt zowel de led als de lamp op hetzelfde ogenblik opgelicht.
Figuur 3.22: Relaisschema
Tom Rysman
97
3.2 Software 3.2.1 Toekenning van een IP-adres Wanneer een module in een netwerk geplaatst wordt, moet deze een IP-adres meegegeven worden. Door middel van het IP-adres kan deze module via een andere gebruiker van de module op het netwerk aangesproken worden. 3.2.1.1 Mogelijkheden Er waren twee mogelijkheden om de module een IP-adres toe te kennen. Enerzijds was er de Factory Manager, die via het PIH ter beschikking gesteld werd. Anderzijds was dit ook mogelijk door middel van IPAssign. IPAssign is een programma dat gratis van de site van Phoenix Contact kan worden gedownload. Hier werd gebruik gemaakt van het softwarepakket van Phoenix Contact, namelijk de Factory Manager. Door middel van het MAC93-adres van de module kan deze een IP-adres toegekend krijgen.Factory Manager 3.2.1.2 Configureren van de module Na het opstarten van de Factory Manager, het onder spanning brengen en verbinden van de onderdelen van het netwerk, kan gestart worden.
Figuur 3.23: Factory Manager (MAC adressen in commentaarveld)
Zorg ervoor dat de netwerkscanner en de BootP Server gestart zijn. Verbind de module met het netwerk en breng deze onder spanning. Dit geeft als resultaat dat er een bootP request wordt gestuurd door de module. Dit is af te lezen in het commentaarvenster in het onderste deel van de Factory Manager (Figuur 3.23). 93
MAC: Media Access Control
Tom Rysman
98
Open het Add New Device dialog box (Figuur 3.24). Dit kan door “Add Device” te selecteren in het Device View context menu of door het gebruik van de combinatietoetsen “Ctrl + A”.
Figuur 3.24: Factory Manager - BootP
Hier moeten volgende zaken ingevuld worden: o Het type van de module die een BootP request genereerde. o Een naam kan vrij gekozen worden. o Vervolgens moet het MAC-adres ingevuld worden. Dit kan teruggevonden worden op de buskoppelaar zelf. Het MAC-adres bestaat uit 12 hexadecimale cijfers. De eerste 8 staan voor de code die eigen is aan de fabrikant. Voor Phoenix Contact is dit “00 A0 45 00”. De volgende 4 bepalen een unieke code, zodat iedere netwerkmodule een uniek MAC-adres heeft. o Uiteraard moet ook het IP-adres meegegeven worden waarmee de buskoppelaar kan aangesproken worden. In mijn geval heb ik de buskoppelaar het volgende IP-adres gegeven: 192.168.0.3. o De configuratie kan ten slotte opgeslagen worden en de buskoppelaar zal opnieuw moeten rebooten. Het rebooten gebeurt door het opnieuw onder spanning brengen van de buskoppelaar. De spanning kan dus uitgeschakeld worden en na enkele seconden terug ingeschakeld worden. 3.2.1.3 Zoeken van modules op het netwerk De Factory Manager biedt, naast de mogelijkheid om een module een IP-adres toe te kennen, ook de mogelijkheid om het netwerk te laten afscannen, op zoek naar verbonden toestellen. Hiertoe moet op het icoon “Network Spy” geklikt worden. Vervolgens moeten twee IPadressen ingegeven worden, die de grenzen voorstellen waartussen de Factory Manager moet zoeken. Deze functie zal logischerwijs enkel mogelijk zijn wanneer de te zoeken onderdelen al eens toegevoegd waren, waarbij ze een IP-adres kregen.
Tom Rysman
99
3.2.1.4 Web-based management van Phoenix componenten Verschillende modules uit de factory line van Phoenix Contact beschikken over een webserver die in staat is de vereiste pagina’s te genereren voor web-based management. Deze is bereikbaar door te browsen naar het IP-adres die toegekend werd aan de module (192.168.0.3). Deze pagina’s worden dan naargelang de eisen van de gebruiker naar de Factory Manager of naar de standaard web browser gestuurd. Web-based management kan gebruikt worden om toegang te krijgen tot statische of dynamische informatie of om de configuratie van de module te wijzigen. Onder statische informatie wordt verstaan: bvb. technische data, MAC-adres e.d. terwijl dynamische data bvb. het IP-adres, status informatie e.d. is. Op de webserver moesten enkele zaken aangepast worden, zodanig dat deze goed functioneerde met de OPC client (OPC wordt later besproken). Oplossing voor de fout (Error: E00700A9h): De ‘Plug-and-Play’ - functie resetten en de ‘Reset Default Mode’ op 0 msec zetten. Het volgende moest hiervoor gebeuren: Brows d.m.v. ‘Internet Explorer’ of ‘Windows Verkenner’ naar: 192.168.0.3 Ga naar de optie: Inline Station …Indien de LED PP actief is op de buskoppelaar:… Ga naar Services Activeer de ‘P&P mode’ Paswoord: ‘private’ Klik op: ‘Apply & reboot’ …Een halve minuut wachten… Deactiveer ‘P&P mode’ Paswoord: ‘private’ Klik op: ‘Apply’ …De LED PP moet nu uit zijn op de buskoppelaar… Ga naar Process data monitoring: ‘Reset Default Mode’ aanvinken Tijd: ‘0 msec’ ingeven (ipv. standaard 500 msec) Paswoord: ‘private’ Klik op: ‘Apply’ De OPC – client zou nu moeten werken.
Tom Rysman
100
3.2.2 OPC-communicatie OPC staat voor OLE94 for Process Control en kent zijn ontstaan bij de gebrekkige standaardisatie bij de communicatie tussen laag 1 (PLC) en 2 (SCADA95).
Figuur 3.25: PCS CIM piramide (spreidt de verschillende functionaliteiten op 3 niveaus
Het gebruik van custom drivers bracht heel wat nadelen met zich mee zoals: - Veel dubbele ontwikkelingen, daar geen vaste leverancier voor deze drivers bestond - Conflicten tussen de verschillende drivers Tegenwoordig heeft OPC (OLE for Process Control) zich opgeworpen tot de standaard interface voor visualisatie, configuratie en diagnose van processen. OPC vervangt de wirwar van standaard interfaces tussen een welgedefinieerde OPC- Server en Client.
Figuur 3.26: OPC- Server en Client
94 95
OLE: Object Linking and Embedding SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition
Tom Rysman
101
De technologie wordt teruggevonden binnen de PCS CIM piramide.
Figuur 3.27: PCS CIM met OPC
De OPC server software is altijd aanwezig op een Windows PC die rechtstreeks in verbinding staat met het device. De client software is aanwezig op dezelfde PC of op een PC die via het LAN96 netwerk in verbinding staat. 3.2.2.1 OPC Server De OPC Server is een software component (door de hardware fabrikant geleverd) die autonoom werkt op een Windows PC met rechtstreekse verbinding naar het device (product afhankelijk protocol). De basistaak van de OPC Server bestaat eruit de communicatie met het device op te zetten om zodoende opdrachten van de OPC Client te kunnen uitvoeren. De communicatie tussen de OPC Server en het device gebeurt cyclisch. 3.2.2.2 OPC Client De OPC Client is een software applicatie die via de OPC interface communiceert met de OPC Server. De taken van een OPC Client zijn: - De verbinding met de OPC Server tot stand brengen - Lees- en schrijfopdrachten uitvoeren
96
LAN: Local Area Network
Tom Rysman
102
3.2.2.3 OPC DA97 interfaces Om elementen uit de address space van de OPC Server de kunnen aanspreken, definiëren de OPC DA specificaties twee interfaces (custom interface en automation interface). Naar implementatie wordt echter enkel de custom interface verplicht. De automation interface is optioneel.
Figuur 3.28: Custom- en Automation interface
Het technische aspect rond de implementatie maakt geen deel uit van de specificaties. Het gevolg is dat de leveranciers die implementatie zelf moeten verzorgen. De meeste steken daarbij enkel tijd in het onwikkelen van de verplichte custom interface en bieden OPC Servers aan zonder automation interface.
Figuur 3.29: OPC Server zonder Automation interface
Het verschil tussen de twee interfaces zit in de manier waarop ze binnen de OPC Server gebruikt maken van de diensten. De custom interface is de meest complete en bijgevolg ook meest performante van de twee. Het probleem is echter dat de interface werkt op basis van funtion pointers, met als gevolg dat onmiddellijk heel wat OPC Client software buiten spel wordt gezet (scripttalen zoals VB, …).
97
DA: Data Access
Tom Rysman
103
De OPC CLient software is genoodzaakt om gebruik te maken van de eenvoudigere automation interface, die wel gebruiksvriendelijker maar tegelijk ook minder performant is. Wanneer deze niet geïmplementeerd is, moet de communicatie via een wrapper verlopen. Die component communiceert langs de ene kant met de custom interface en biedt aan de andere kant diensten aan volgens de automation interface.
Figuur 3.30: Communicatie met en zonder wrapper
Een wrapper is een COM bibliotheek die meestal wordt mee geïnstalleerd met OPC Servers die niet over een automation interface beschikken. Het DLL-bestand is opnieuw leveranciersafhankelijk, maar de functionaliteit ervan is bij iedereen quasi dezelfde. Dit is het gevolg van het feit dat de OPC Foundation de source code ervoor vrijgeeft op zijn website. Sommige fabrikanten voorzien wel nog wat kleine aanvullingen op die code, maar die zijn dan specifiek gericht op hun OPC Server en hebben geen impact op de basiswerking.
Figuur 3.31: Wrapper bibliotheek
Tom Rysman
104
3.2.2.4 OPC DA Object Model Net zoals bij alle COM componenten hoort ook bij een OPC Server een object model. Dit object model legt vast op welke manier een softwareontwikkelaar gebruik kan maken van de functionaliteiten van die componenten. Aangezien een object model component gebonden is, geldt dit zowel voor de custom als voor de automation interface. Iedere OPC Client die een OPC Server wenst te benaderen, dient bijgevolg een objectenstructuur op te bouwen volgens dit model.
Figuur 3.32: Objectenstructuur
Het object model voor de OPC Server bestaat uit drie soorten objecten (entiteit) met elk hun specifieke taken. Daarnaast zijn nog twee collections aanwezig, die het beheer van de onderliggende objecten voor hun rekening nemen. 3.2.2.5 Entiteit OPC Server Door middel van dit object wordt vanuit de OPC Client een verbinding voorzien naar de gewenste OPC Server. Van dan af beschikt dit object over de algemene informatie van die OPC Server. Hiervoor is de naam en de locatie van de OPC Server nodig. 3.2.2.6 Entiteit OPC Group Dit object dient om de datapunten (die nodig zijn in de OPC Client) logisch te groeperen binnen het cache geheugen van de OPC Server. 3.2.2.7 Entiteit OPC Item Binnen de OPC Client stelt dit object een geheugenplaats uit het device voor, waarmee zowel lees- als schrijfopdrachten mee uitgevoerd kunnen worden. De verbinding naar de geheugenplaats uit het device gebeurt door een verbinding te creëren naar een element uit de address space van de OPC Server. Iedere verbinding tussen een OPC Item en een element uit de address space dient over een unieke ID98 te beschikken: een clienthandle. Hiervoor is de naam van de address space nodig. 98
ID: Afkorting voor identificatie
Tom Rysman
105
3.2.2.8 OPC DA communicatieprincipes Eenmaal de structuur binnen de OPC Client gecreëerd is, kan overgegaan worden tot het uitwisselen van data. Om te communiceren bestaan er een drietal mogelijkheden: - Synchrone communicatie - Asynchrone communicatie - Event-driven communicatie Elk van de drie heeft zijn voor- en nadelen. Voor iedere toepassing dienen deze voor- en nadelen afgewogen te worden alvorens een keuze gemaakt wordt. Binnen eenzelfde OPC Client is het perfect mogelijk de verschillende principes te combineren. De keuze wordt voornamelijk gemaakt in functie van de data zelf. 3.2.2.9 Synchrone communicatie Dit communicatieprincipe is het eenvoudigste principe van de drie, waarbij alle lees- en/of schrijfopdrachten volledig sequentieel worden afgehandeld. Het nadeel van deze manier van werken, is dat de OPC Client applicatie altijd in een fase komt waarbij kortstondig iets wordt uitgevoerd. Wanneer bijvoorbeeld vanuit OPC Client een lesopdracht aan de OPC Server wordt gegeven, wordt er gewacht op een antwoord alvorens verder te werken. In deze tussenperiode kan gezegd worden dat de applicatie zogenaamd ‘vast’ zit. Het gevolg is natuurlijk dat de performantie van dit principe eerder aan de lage kant is, waardoor het meestal enkel wordt toegepast bij het testen. Wat wel in het voordeel van dit principe pleit, is dat zowel op OPC Item als OPC Group niveau gecommuniceerd kan worden.
Figuur 3.33: Synchrone communicatie
Tom Rysman
106
3.2.2.10 Asynchrone communicatie Asynchrone communicatie is bedoel om het probleem van ‘vast’ zitten op te vangen. Daarbij wordt afgeweken van het sequentiële principe. Bij het versturen van een opdracht naar de OPC Server wordt niet meer gewacht op response om verder te gaan met de applicatie code. Wanneer de OPC Server een antwoord klaar heeft, meldt hij dit aan de OPC Client via een event. Bij het voorkomen van dergelijke event kan de OPC Client de gewenste acties verrichten, al dan niet op basis van het resultaat van de uitgevoerde opdracht (de identificatie van de event gebeurt op basis van een ID die wordt meegegeven bij het creëren van de opdracht). Via dit communicatieprincipe kan een heel performante OPC Client ontwikkeld worden, daar zowel lees- als schrijfopdrachten tot de mogelijkheid behoren. Een beperking van het principe is dat er niet meer op OPC Item niveau gewerkt kan worden. Lees en schrijfopdrachten gelden telkens voor een volledige OPC Group.
Figuur 3.34: Asynchrone communicatie
Tom Rysman
107
3.2.2.11 Event-driven Een OPC Client die continu data polt uit een OPC Server is heel belastend voor het systeem. Voor sommige gegevens is dit echter noodzakelijk, waardoor geen alternatief voor handen is. Voor data die niet frequent wijzigt, is dit echter verspilling. Het event-driven principe is een uitbreiding op het asynchrone principe, bedoeld voor dergelijke situaties. Daarbij onderzoekt de OPC Server zelf of de data van bepaalde elementen uit zijn cache wijzigt (die wordt toch cyclisch geüpdate vanuit het device). Wanneer dit het geval is, neemt de OPC Server zelf het initiatief om dit te melden aan de OPC Client (in tegenstelling tot gewone asynchrone communicatie, waar meldingen altijd een antwoord zijn op opdrachten van de OPC Client). Aangezien event-driven een uitbreiding is op de asynchrone communicatie, geldt ook hier de beperking dat enkel op OPC Group niveau gecommuniceerd kan worden. Een rechtstreeks gevolg uit de oorsprong van het principe is dat het enkel relevant is als alternatief voor leesopdrachten.
Figuur 3.35: Event-driven communicatie
Tom Rysman
108
3.2.3 Opzetten OPC Server Hiervoor moet volgende software geïnstalleerd zijn: - PC Worx 2008 - Dot NET Framework 2.0
Figuur 3.36 36: Type DOT NET Framework voor welk type VB
Merk op dat Service Pack 1 moet geïnstalleerd zijn vooraleer de installatie te kunnen uitvoeren - PhoenixContact.Interbus.2 OPC Server 215 Phoenix Contact maakt gebruik van de OPC Configurator.
Figuur 3.37: Plaats OPC Configurator
Daar dit een communicatiemodule is van Phoenix Contact en geen PLC, werd manueel een ICF-file file aangemaakt. Dit is een soort VIS file die alle elementen bezit die moeten kunnen aangesproken worden, namelijk amelijk alle ingangen en uitgangen van de communicatiemodule.
Figuur 3.38: OPC Configurator hoofdscherm
Tom Rysman
109
Er wordt een nieuw project geopend door ‘rechter muistoets’ te klikken op ‘Unnamed1’ in het linker kader.
Figuur 3.39: Inladen ICF-file
Figuur 3.40: Overzicht van de line-in structuur
In Figuur 3.40 zijn de drie line-in modules met alle ingangen en uitgangen te zien die aanwezig zijn op de buskoppelaar. Sla de configuratie op. Dit configuratiebestand is een CLR-file. Door op ‘Activeren’ te klikken wordt de OPC Server geactiveerd.
Tom Rysman
110
3.2.4 Implementatie OPC Client in VB.net Installeer de Microsoft Visual Studio 2005 indien DOT NET Framework 2.0 geïnstalleerd werd. 3.2.4.1 Aanspreken van de wrapper Een OPC Client, ontwikkeld in VB.net is verplicht om gebruik te maken van de automation interface. Aangezien Siemens en Phoenix Contact deze interface beiden niet implementeren in hun OPC Server, dient gebruik gemaakt te worden van de voorziene wrapper. Een extra bibliotheek toevoegen aan een project gebeurt op basis van een referentie. Ga naar ‘Project’ ‘Add Reference…’ Aangezien het hier om een COM bibliotheek gaat, kan de DLL onder het COM-tabblad teruggevonden worden.
Figuur 3.41: OPC DA Automation Wrapper 2.02
De reden dat deze bibliotheek in de lijst is opgenomen, is dat deze mee werd geïnstalleerd (en daarbij ook onmiddellijk geregistreerd) met de OPC Server. Wanneer het programma ‘PC Worx’ geïnstalleerd wordt, wordt de ‘AX OPC Server’ mee geïnstalleerd. Dit is niet de OPC Server die hier nodig is. Hier wordt gebruik gemaakt van de Interbus (IB) OPC Server. Deze IB OPC Server wordt mee geïnstalleerd met “PhoenixContact.Interbus.2 OPC Server 215”.
Tom Rysman
111
3.2.4.2 Objectenstructuur opstellen Er wordt een classOPC.vb aangemaakt:
Zoals reeds in de theorie aangegeven moet de objectenstructuur aangemaakt worden. Beginnende bij de Server, vervolgens de Groups en ten slotte de Items. Hier wordt gebruik gemaakt van het event-driven principe. In ‘bijlage’ wordt het belangrijkste deel van deze code meegegeven. 3.2.4.3 Aanspreekwaarde drukknoppen en leds Om de drukknoppen in te lezen wordt gebruik gemaakt van de decimale waarde van de drukknoppen. Dezelfde waarde wordt gebruikt om de bijhorende leds aan te spreken.
Figuur 3.42: Opstelling bord (drukknoppen en leds)
Tom Rysman
112
Tabel 3.7: Verwijzing naar Figuur 3.42
Nummer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Compartiment Groene energie Groene energie Groene energie Groene energie Energiebehoud Groene energie Groene energie Licht Licht Licht Licht Huishoudtoestellen Huishoudtoestellen Huishoudtoestellen Huishoudtoestellen
Beschrijving element Windenergie Fotovoltaïsche cellen Zonnecollectoren Waterkrachtenergie Isolatie Blauwe energie Warmtepompen Halogeenlamp Gloeilamp Ledlamp Spaarlamp Kookplaat Televisie Koelkast Wasmachine
Aanspreekwaarde (Dec.) 16 32 256 64 1.024 512 128 1 8 4 2 4.096 8.192 16.384 32.768
3.2.4.4 Aanspreekwaarde van de stopcontacten
Nummer 16 17 18
Compartiment Sluimerverbruikers Sluimerverbruikers Sluimerverbruikers
Beschrijving element Adapter Computer DVD-speler
Aanspreekwaarde (Dec.) 7.740 16.340 24.060
De weerstandwaarde van de weerstand verandert bij een temperatuursverandering. De weerstanden reageren in minimale mate als een NTC-weerstand. Een NTC-weerstand is een weerstand met een negatieve temperatuurscoëfficiënt. Dit betekent dat de elektrische weerstand afneemt als de temperatuur toeneemt. Dit is de reden waarom de stroom aan de analoge ingang toeneemt bij het opstarten van het didactisch bord. Om toch te kunnen weten waar de stekker zich bevindt, wordt in het programma gebruik gemaakt van grenzen. Als de analoge waarde tussen 5.000 en 10.000 ligt, dan bevindt de stekker zich in het stopcontact van de adapter.
Tom Rysman
113
3.2.5 Visualisatie van het programma Het spreekt voor zich dat dit bord, naast een gebruiksvriendelijk programma, ook grafisch goed in elkaar moet steken. Een aantrekkelijk bord met een grafische aantrekkelijk programma zorgt ervoor dat mensen geneigd zijn om van het bord gebruik te maken. Daarnaast worden de mensen op een speelse en interactieve manier wegwijs gemaakt in het programma, alsook in het hele energiegebeuren. De mensen krijgen de kans om, door op een knop te drukken, onmiddellijk informatie over het bepaalde item op te vragen. Daarnaast kunnen zij ook genieten van een rondleiding van een bepaald compartiment op het bord, zoals ‘verlichting’. Een aantal printscreens van het programma zijn te vinden in ‘bijlage’.
Tom Rysman
114
4 Besluit De realisatie van het “Didactisch bord” werd tot een goed einde gebracht. Zelf ben ik erg tevreden over het resultaat. Het geeft mij een enorm genoegen te weten dat het bord op verschillende plaatsen, zoals op beurzen, studieavonden en in scholen, zijn nut kan bewijzen. Het voordeel van dergelijk bord is dat men er vele kanten mee uitkan. Aangezien subsidies streekgebonden zijn en jaar na jaar wijzigen, zou het praktisch niet haalbaar zijn om telkens deze recente gegevens in het bord te implementeren. Daarom werd reeds aan de achterzijde van het bord een RJ45-connectie voorzien. Dit biedt de mogelijkheid om in de toekomst het bord met het internet te verbinden, zodat rechtstreeks een link kan gelegd worden naar de websites over subsidies, die steeds up-to-date blijven. Dit is een project waar vele elementen aan bod komen. Er diende dus met heel wat zaken rekening gehouden te worden. De combinatie om oplossingen te zoeken door creatief te werk te gaan en informatie te benutten die me doorheen mijn studieopleiding bijgebracht werd was de stimulans en de uitdaging om dit project tot een goed einde te brengen. Het geeft me ook een extra voldoening, niet enkel en alleen om de gebruikers van dit didactisch energiebord te helpen besparen, maar ook de gedachte om met behulp van Curieus en het PIH een aandeel te leveren voor het behoud van het milieu voor de komende generaties.
Tom Rysman
115
5 Literatuurlijst www.wikipedia.org Dit is een online encyclopedie die werd geraadpleegd bij het opzoeken van algemene informatie www.milieucentraal.nl Energiewaarde om een vermogen van 1 kW op te wekken. www.eandis.be Elektriciteitstarieven. www.encyclo.nl, www.ster.be Websites die werden gebruikt voor het opzoeken van informatie i.v.m. formules. www.changezdampoule.be, www.lightplus.be, www.gifkikker.nl Websides die werden geconsulteerd voor informatie omtrent spaarlampen. IEEE/PES and NTUA – Side effects of energy savong lamps – October 14-6, 1998 – p. 1200-1205 link.aip.org, www.lumotech.com en www.e-plan.jozefscholz.be Websites die werden gebruikt voor informatie betreffende ledlampen. www.elektrabel.be Website die werd gebruikt voor informatie over TL-lampen. www.tradevision.be Website die meer informatie biedt betreffende xenonlampen. news.zdnet.com Hier werd informatie teruggevonden over de plasma-argonlamp. www.energiebesparinggww.nl Website die informatie weergeeft over kwikdamplampen. www.axioma.be Website die informatie levert over natriumlampen. www.netonline.be Website die werd gebruik voor informatie over kookplaten. www.netonline.be Website die informatie levert over koelen en vriezen. www.vei.be Website van het Vlaams Elektro Innovatiecentrum die meer informatie biedt over sluimerverbruikers.
Tom Rysman
116
www.vwea.be, mediatheek.thinkquest.nl Websites die handelen rond windenergie. www.zonnecellen.be, www.eandis.be, www.dbg-electromodule.net, Electa K.U.Leuven, www.vreg.be, www.energiesparen.be, zonneboiler.googlepages.com Websites die handelen rond zonne-energie. Natuur&Techniek - De oceaan als eeuwige energiebron - juni 1998 - p. 46-48 Natuur&Techniek - Golfkracht, nieuwe energiebron - november 1996 - p. 32-40 www.kema.nl Website met informatie betreffende blauwe energie. www.supersystems.be Website met informatie betreffende warmtepompen. www.WTCB.be Website die handelt over isolatie en ventilatie. www.ugent.be Deze website werd geconsulteerd om het gemiddeld energieverbruik in België te weten te komen. www.test-aankoop.be Website die informatie weergeeft met allerhande studies. www.phoenixcontact.be Website waarop de communicatiemodule teruggevonden werd. www.codeproject.com Deze website is een verzameling van handleidingen die onder andere handelen over VB.NET en die geschreven zijn door gewone gebruikers van over de hele wereld.
Tom Rysman
117
Bijlage: OPC klasse: Public Class classOPC
'SERVER Private oSvrPhoenix As OPCAutomation.OPCServer 'GROUPS Private WithEvents oGrpDK As OPCAutomation.OPCGroup Private WithEvents oGrpSTC As OPCAutomation.OPCGroup Private oGrpLED As OPCAutomation.OPCGroup
'Drukknoppen (DK) - Digital In 'Stopcontacten (STC) - Analog In 'Leds (LED) - Digital Out
'ITEMS Private oItmLED As OPCAutomation.OPCItem Private oItmSTC As OPCAutomation.OPCItem Private oItmDK As OPCAutomation.OPCItem
'Leds 'Stopcontacten 'Drukknoppen
'SERVERHANDLES Private arriSVHDK(1) As Integer Private arriSVHSTC(1) As Integer Private arriSVHLED(1) As Integer
'Drukknoppen 'Stopcontacten 'Leds
'ERRORS Private arrErrors As Array
'Errors
'EVENTS Public Event DK(ByVal Value As Integer) Public Event STC(ByVal Value As Integer) 'DECLARATIES Dim InputValue As Integer
Public Sub New() 'SERVER oSvrPhoenix = New OPCAutomation.OPCServer oSvrPhoenix.Connect("PhoenixContact.Interbus.2") 'GROUPS oGrpDK = oSvrPhoenix.OPCGroups.Add("DK") oGrpSTC = oSvrPhoenix.OPCGroups.Add("STC") oGrpLED = oSvrPhoenix.OPCGroups.Add("LED")
'Drukknoppen 'Stopcontacten 'Leds
'ITEMS oItmDK = oGrpDK.OPCItems.AddItem("1.0.0/IBS_IO/Module_1/~DI_16", 1) oItmSTC = oGrpSTC.OPCItems.AddItem("1.0.0/IBS_IO/Module_2/I:_1.2_;_U:_1.1", 2) oItmLED = oGrpLED.OPCItems.AddItem("1.0.0/IBS_IO/Module_3/~DO_16", 3)
'Drukknoppen 'Stopcontacten 'Leds
'SERVERHANDLES arriSVHDK(1) = oItmDK.ServerHandle arriSVHSTC(1) = oItmSTC.ServerHandle arriSVHLED(1) = oItmLED.ServerHandle
'Drukknoppen 'Stopcontacten 'Leds
'EVENTS oGrpDK.IsSubscribed = True oItmDK.IsActive = True oGrpDK.IsActive = True oGrpDK.UpdateRate = 100
'Groups Subscriben 'Items Activeren 'Groups Activeren 'Cyclustijd van 1s naar 100ms zetten
oGrpSTC.IsSubscribed = True oItmSTC.IsActive = True oGrpSTC.IsActive = True oGrpSTC.UpdateRate = 100
'Groups Subscriben 'Items Activeren 'GRoups Activeren 'Cyclustijd van 1s naar 500ms zetten
End Sub
Tom Rysman
1
Public Sub Disconnect() 'ITEMS uit de GROUPS verwijderen oGrpLED.OPCItems.Remove(1, arriSVHLED, arrErrors) oItmLED = Nothing
'Leds
oGrpSTC.OPCItems.Remove(1, arriSVHSTC, arrErrors) oItmSTC = Nothing
'Stopcontacten
oGrpDK.OPCItems.Remove(1, arriSVHDK, arrErrors) oItmDK = Nothing
'Drukknoppen
'GROUPS uit de SERVER verwijderen oSvrPhoenix.OPCGroups.Remove("LED") oGrpLED = Nothing
'Leds
oSvrPhoenix.OPCGroups.Remove("STC") oGrpSTC = Nothing
'Stopcontacten
oSvrPhoenix.OPCGroups.Remove("DK") oGrpDK = Nothing
'Drukknoppen
'Server uitschakelen oSvrPhoenix.Disconnect() oSvrPhoenix = Nothing End Sub
Private Sub oGrpDK_DataChange(ByVal TransactionID As Integer, ByVal NumItems As Integer, ByRef ClientHandles As System.Array, ByRef ItemValues As System.Array, ByRef Qualities As System.Array, ByRef TimeStamps As System.Array) Handles oGrpDK.DataChange RaiseEvent DK(oItmDK.Value) '
'Als een DK van waarde verandert, volgende functie (DK) uitvoeren 'Waarde van de drukknoppen wordt meegegeven (oItmDK.Value)
End Sub
Private Sub oGrpSTC_DataChange(ByVal TransactionID As Integer, ByVal NumItems As Integer, ByRef ClientHandles As System.Array, ByRef ItemValues As System.Array, ByRef Qualities As System.Array, ByRef TimeStamps As System.Array) Handles oGrpSTC.DataChange RaiseEvent STC(oItmSTC.Value) '
'Als een STC van waarde verandert, volgende functie (DK) uitvoeren 'Waarde van de drukknoppen wordt meegegeven (oItmDK.Value)
End Sub
Public Sub SturenLeds(ByVal OutputValue As Integer) oItmLED.Write(OutputValue)
'De waarde (Value) uitsturen naar de Leds
End Sub End Class
Tom Rysman
2
Hoofdscherm: Public Class frmHoofdScherm
Public WithEvents oPhoenix As classOPC
‘Declareren van oPhoenix
Private Sub frmHoofdScherm_FormClosing(ByVal sender As Object, ByVal e As System.Windows.Forms.FormClosingEventArgs) Handles Me.FormClosing oPhoenix.SturenLeds(0) txtDK.Text = 0 txtSTC.Text = 0 frmRondleiding.txtDK.Text = 0 oPhoenix.Disconnect()
'Alle leds doven (Waarde 0) 'Ook de tekstvakken op 0 plaatsen
'Link naar de classOPC met naam oPhoenix, actie = Server uitschakelen()
End Sub
Private Sub frmHoofdScherm_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load oPhoenix = New classOPC() oPhoenix.SturenLeds(0)
'Alle leds doven (Waarde 0)
End Sub
Private Sub oPhoenix_DK1(ByVal Value As Integer) Handles oPhoenix.DK '---------------------------------------------------------------------------------------------' Waarde van de drukknoppen in tekstvak plaatsen '---------------------------------------------------------------------------------------------If Value <> 0 Then txtDK.Text = Value frmRondleiding.txtDK.Text = Value End If '---------------------------------------------------------------------------------------------' Hoofdscherm '---------------------------------------------------------------------------------------------If Me.Visible And Not frmRondleiding.Visible Then If Value <> 0 Then oPhoenix.SturenLeds(txtDK.Text) End If End If End Sub
Private Sub oPhoenix_STC1(ByVal Waarde As Integer) Handles oPhoenix.STC '---------------------------------------------------------------------------------------------' Waarde van Stopcontacten in tekstvak plaatsen '---------------------------------------------------------------------------------------------txtSTC.Text = Waarde End Sub
Tom Rysman
3
Private Sub txtSTC_TextChanged(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles txtSTC.TextChanged If txtSTC.Text > 5000 And txtSTC.Text < 10000 And txtPositie.Text = 0 Then txtPositie.Text = 1 frmRondleidingSV.Visible = True End If If txtSTC.Text > 11000 And txtSTC.Text < 19000 And txtPositie.Text = 0 Then txtPositie.Text = 2 frmRondleidingSV.Visible = True End If If txtSTC.Text > 20000 And txtPositie.Text = 0 Then txtPositie.Text = 3 frmRondleidingSV.Visible = True End If If txtSTC.Text < 5000 And HulpMerker = True Then txtPositie.Text = 0 End If End Sub
Tom Rysman
4
Enkele printscreens van het programma:
Tom Rysman
5
Tom Rysman
6
