juni 2001
ECN-C--01-064
Uitvoering van duurtesten van een op een bakfiets gemonteerde koelkast op zonne-energie
C.A. Westra R.P. Muis E.J. Wiggelinkhuizen
Verantwoording Dit verslag bevat de eindrapportage van de door ECN uitgevoerde werkzaamheden binnen het Novem contract 146.610-113.1. Deze werkzaamheden zijn uitgevoerd in opdracht van de firma Truckbouw B.V. te Aalten. Het ECN projectnummer is 7.4662. Met speciale dank aan Martin van Leeuwen (ECN) voor zijn assistentie bij verschillende onderdelen van het onderzoek, speciaal voor zijn rol als bestuurder van de bakfiets op de schokkentestbank.
Abstract The company Truckbouw B.V., located in Aalten, The Netherlands has built a prototype of a refrigerator that is mounted upon a trap-carrier. The energy for the cooler is supplied by solar photovoltaic (PV) panels, which are mounted on a frame above the cooler. ECN Renewable Energy International (ECN/REI) is active in Africa in the field of implementation of PV systems. In co-operation with industries ECN/REI tries to develop an affordable PV refrigerator. By applying PV, no electricity grid is necessary to keep the temperature within the refrigerator low enough for the whole day in sub-tropical climates. The trap-carrier/refrigerator is a "Bosch GTL 1502" freezer of 135 litres that has been converted to a cooler. The refrigerator has been mounted upon a trap-carrier "Apollo". In order to prove that this trap-carrier/refrigerator works properly and reliable under the local circumstances and climate in Africa, it has been tested by ECN. Successively the following tests have been carried out: Phase I: 1. Performance measurement of the PV refrigerator; 2. Shock test of the refrigerator while mounted on the trap-carrier. Phase II: 1. Endurance test of the PV refrigerator under extreme climates; 2. Performance measurement of the PV refrigerator after the endurance test. The measured energy consumption of the refrigerator, which has been converted to a cooler, is equal to 295 Wh per day. The ambient temperature was equal to 32 degrees Celsius and the internal temperature was +4 degrees Celsius. The refrigerator being mounted on the trap-carrier passed the shock test of 90 minutes. During the shock test and also after this test the refrigerator operated properly. Both during the test and afterwards no damage was observed. During the endurance test at an ambient temperature of 40.5 degrees Celsius and a high relative humidity (phase II, test 1), the refrigerator functioned properly. The measured daily energy consumption was about 50 % higher than in the earlier test at 32 degrees Celsius. Also in the final performance measurement the refrigerator proved to function properly and no significant degradation in the performance was observed.
2
ECN-C--01-064
INHOUD SAMENVATTING
4
1.
INLEIDING
5
2. 2.1 2.2 2.3
PRODUCTBESCHRIJVING Algemene productspecificatie Het ombouwen van de vrieskist Ombouwen van de bakfiets
7 7 7 8
3.
OPZET VAN HET TESTPROGRAMMA
9
4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
SCHOKKENTEST Doelstelling Testfaciliteit Testprocedure Metingen Testresultaten Conclusies
10 10 10 10 10 11 11
5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
KLIMAATTESTS Doelstelling Testfaciliteit Testprocedure Metingen Testresultaten Conclusies
12 12 12 12 13 13 14
6.
CONCLUSIES
15
BIJLAGE 1: MEETRESULTATEN
ECN-C--01-064
16
3
SAMENVATTING Door de firma Truckbouw B.V. te Aalten en ECN is een prototype gebouwd van een op een bakfiets gemonteerde koelkist op fotovoltaïsche zonne-energie (PV). ECN Renewable Energy International (ECN/REI), actief in Afrika met de implementatie van PV Systemen, probeert samen met de industrie een betaalbare koelkast op zonne-energie te ontwikkelen. Door het toepassen van PV kan zonder elektriciteitsnet de temperatuur in de koelkisten in het (sub-)tropisch klimaat voldoende laag blijven. De PV-koelkist/bakfiets is een tot koelkist omgebouwde Bosch "GTL 1502 economic" 135 liter vrieskist die is gemonteerd op een bakfiets "Apollo". Om aan te tonen dat deze PV-koelkist/bakfiets onder de omstandigheden en het klimaat in Afrika betrouwbaar werkt is een prototype door ECN getest. Achtereenvolgens zijn de volgende tests uitgevoerd (in twee fasen): Fase I 1. Meting van de prestaties van de PV koelkist 2. Schokkentest van op de bakfiets gemonteerde PV koelkist Fase II 1. Duurtest van PV koelkist onder extreme klimatologische condities 2. Meting van de prestaties van de PV koelkist na de duurtest Het gemeten energieverbruik van de tot koelkist omgebouwde vrieskist is tijdens de eerste prestatiemeting bepaald op 295 Wh/dag bij een omgevingstemperatuur van 32 °C en een koeltemperatuur van +4 °C. De op de bakfiets gemonteerde koelkist heeft de anderhalf uur durende schokkentest goed doorstaan. Tijdens en na deze test functioneerde de vrieskist naar behoren en er zijn geen beschadigingen waargenomen. De koelkist functioneerde ook naar behoren tijdens en na de duurtest bij hoge temperatuur (40,5 °C) en relatieve luchtvochtigheid (fase II, test 1). Tijdens deze test is het normale gebruik van de koelkast na gebootst door het plaatsen en uitnemen van belading. Het gemeten energieverbruik bij deze hoge temperatuur was ca. 50 % hoger dan bij de eerstgenoemde meting. In de afsluitende prestatiemeting bleek de koelkist nog steeds goed te werken. In deze test is geen significante verslechtering van de prestaties waargenomen.
4
ECN-C--01-064
1.
INLEIDING
De firma Truckbouw B.V. te Aalten is geruime tijd actief met het produceren en vermarkten van allerlei soorten transportfietsen en kleine elektrische voertuigen voor diverse toepassingen. Zo werd ook een bakfiets ontwikkeld waarop koelkisten worden gemonteerd. Truckbouw gebruikte daar in het verleden 220 Volt AC koelkisten voor, welke 's nachts op het elektriciteitsnet werden aangesloten en vervolgens overdag op straat gebruikt werden voor het uitventen van koude producten. Vaak staan deze voertuigen dichtbij kiosken of ander plaatsen waar een 220 volts aansluiting voorhanden is. Bij toeval kwamen Truckbouw en ECN met elkaar in contact doordat er in Oost Europa een bakfiets met koelkist uit Aalten werd gesignaleerd. ECN Renewable Energy International (ECN/REI), actief in Afrika met de implementatie van PV Systemen, probeert samen met de industrie een betaalbare koelkast op zonne-energie te ontwikkelen. Truckbouw had in Ghana (West-Afrika) problemen om de temperatuur in de koelkisten in het (sub-)tropisch klimaat voldoende laag te houden. Het elektriciteitsnet is vaak niet beschikbaar en een oplossing voor dit probleem is om fotovoltaïsche zonne-energie (PV) te gebruiken voor de “koelkist op wielen”. Overdag is er voldoende zonne-energie om de koelkast te laten draaien en ’s nachts kan de koelkist eventueel op het elektriciteitsnet worden aangesloten. Omdat Truckbouw en ECN beiden ambities hebben in West Afrika (Ghana), werd besloten om samen een bakfiets met koelkist op zonne-energie voor dat land te ontwikkelen. ECN bouwde met behulp van de firma Transsolar uit Heiloo een aantal 220 volt (AC) vrieskisten om tot 12 volts (DC) koelkisten. Commercieel verkrijgbare koelkisten werden met behulp van koelexperts en elektronicadeskundigen gemodificeerd voor gebruik in combinatie met 12 Volts PV-panelen. Truckbouw richtte zich op de aanpassing van de bakfiets, om de montage van zowel de koelkist als de PV-panelen boven de koelkist mogelijk te maken. Er werd een eerste serie van 4 PV-koelkisten (prototypen) gebouwd. Testen in een klimaatkamer en in de Nederlandse praktijk wezen uit dat zelfs in het Nederlandse klimaat de koelkisten goed werken op zonne-energie (twee panelen van 50 Wp).
Fig. 1.1: Visualisatie van een koelkist op zonne-energie en een hybride zon + wind concept. ECN-C--01-064
5
ECN en Truckbouw exposeerden twee prototypen op de ECOWAS Trade Fair in Accra, de hoofdstad van Ghana, in Maart 1999. Eén kist was gemonteerd op een trapbakfiets de ander op een handkar. Beide koelkasten zijn geplaatst in het “zonne-energiedorp Apolonia”. De vele reacties op de publiciteit rond de combinatie van koelkist op zonne-energie gemonteerd op wielen waren positief. De hoge introductieprijs van f 6000,- is echter een grote drempel. De prijs is zo hoog omdat het om met de hand gemodificeerde koelkisten gaat. Voor een betaalbare PV koelkist is nog veel onderzoeks- en ontwikkelingswerk noodzakelijk. Eerst dient te worden onderzocht of de huidige koelkisten geschikt zijn voor mobiel gebruik en gebruik in landen met hoge temperaturen en luchtvochtigheid. Dit onderzoek is daarop gericht. De PV-koelkist/bakfiets moet betrouwbaar functioneren onder de gebruikscondities in m.n. ontwikkelingslanden. De gebleken gebruiksgeschiktheid is voorwaarde voor het uitontwikkelen tot commercieel product dat wordt geproduceerd voor of in ontwikkelingslanden. Er is een wereldwijde markt voor een mobiele PV koelkist; voor het uitventen van koele frisdranken op straat bij stranden en andere recreatiegebieden. Indien de prijs van een complete 120 liter PV-koelkist ongeveer 800,- bedraagt is er ook een markt daar waar geen elektriciteitsnet niet beschikbaar is, zoals voor medische klinieken in rurale gebieden en voor huishoudelijk en commercieel gebruik in niet geëlektrificeerde (rurale) gebieden. Koelen met zonne-energie met een milieuverantwoord koelmiddel is bij uitstek een duurzame oplossing en het opent perspectieven voor gebruikers in rurale gebieden. ECN is door de industrie uitgenodigd mee te werken aan de ontwikkeling van een betaalbare koelkist op zonne-energie. Hiertoe is een samenwerkingsverband noodzakelijk bestaande uit verschillende disciplines, zoals deskundigen op het gebied van koel- en vrieskasten, elektronica, PV en marketing. In dit onderzoek is de duurzaamheid van een bestaande koelkist bakfiets combinatie onderzocht, onder te verwachten veldomstandigheden in ontwikkelingslanden. De twee hoofddoelen hiervan zijn: 1. Het beoordelen van het betrouwbaar functioneren van de op de bakfiets gemonteerde koelkist wanneer de bakfiets met draaiende compressor over ruw terrein rijdt. 2. Het beoordelen van het betrouwbaar functioneren onder extreme klimaatcondities (hoge temperatuur en luchtvochtigheid), waarbij de koelkist regelmatig wordt geopend. Daarom zijn de volgende testen zijn uitgevoerd: 1. een schokkentest van de PV-koelkist/bakfiets; 2. een duurtest onder hoge temperatuur en luchtvochtigheid in een klimaatkamer. In dit verslag worden de opzet en de resultaten van dit onderzoek beschreven.
6
ECN-C--01-064
2.
PRODUCTBESCHRIJVING
2.1
Algemene productspecificatie
De koelkist/bakfiets combinatie bestaat uit een 135 liter vrieskist van het type Bosch "GTL1502 economic" die is omgebouwd om als koelkist te werken op zonne-energie. Het systeem is zo ontworpen dat het 24 uur per dag op zonne-energie kan koelen op +4 graden Celsius bij een omgevingstemperatuur van 32 graden Celsius en normale gebruikshandelingen. De Bosch vrieskist van het type “GTL 1502 economic”, is een energieconsumptie klasse B diepvrieskist met een inhoud van 135 liter, voorzien van 8 cm dikke PUR schuimwanden.
2.2
Het ombouwen van de vrieskist
Compressor De originele 220VAC compressor is uitgebouwd en de natuurlijke koelvloeistof van het type R 600 is afgepompt. Deze compressor werd vervangen door een Danfoss BD compressor. Dit is een borstelloze DC compressor met elektronische commutatie door middel van een inverter die de aangeboden 12 V DC omzet naar draaistroom. Het opgenomen vermogen aan DC-zijde bedraagt nominaal 50 W. Koelcircuit Bij de aansluiting op de koelbuizen zijn knelkoppelingen gebruikt en een nieuwe vochtabsorbeerder werd gemonteerd. De vulling van de koelvloeistof die geschikt is voor deze compressor is het HFC koelmiddel R 134a. De vulling werd uitgevoerd door firma Probaat te Amsterdam, een servicebedrijf van o.a. Bosch. Tijdens een onderzoek naar hoeveelheid koelvloeistof (stagerapport PV-koelen, Schotvanger, Petten, 1999) is gebleken dat een equivalente hoeveelheid koelmiddel van 120 gram R 134a optimaal is voor deze koelunit. De originele diepvriesthermostaat van het vloeistoftype met uitzetbalg, die in de wand gemonteerd is, direct tegen de verdamperpijp, werd vervangen voor een thermostaat die bij ca. +4 graden Celsius regelt. De diepvrieskist werd zodoende gemodificeerd tot een koelkist. Elektriciteitsopslag In de compressorruimte van de koelkist werd een PV-laadregelaar gemonteerd van het type Steca/Solsum 8.8X met een maximale laadstroom en belastingsstroom van 8 A. Deze 8 A is voldoende ruim gedimensioneerd voor het leveren van de stroom aan de gelijkstroomkant van de inverter tijdens het aanlopen van de compressor. Een onderhoudsvrije loodzuuraccu (Yuasa AGM 12 V, 24 Ah) paste nauwkeurig in de overgebleven ruimte, die daarin met een beugel aan de wand werd vastgezet. De accucapaciteit is voldoende groot om de koelkist op gedurende de nacht op temperatuur te houden. Zonnepanelen De twee toegepaste multikristallijn silicium zonnepanelen van het type Shell Solar Energy RSM 50 hebben elk een nominaal vermogen van 50 W. De elektrische aansluiting van deze parallel geschakelde zonnepanelen is uitgevoerd m.b.v. een chassisdeel (vergelijkbaar type als in dashboard van auto's) dat in de achterwand van de koelkist is verzonken.
ECN-C--01-064
7
Ventilator In de deksel van de koelkist is op de plaats van de oorspronkelijke aanwezige verlichting een miniatuur ventilator van 3 W gemonteerd om te zorgen voor een meer homogene temperatuurverdeling in de gekoelde ruimte.
2.3
Ombouwen van de bakfiets
De bakfiets is een beproefde constructie van Truckbouw die ook door deze firma is aangepast voor deze toepassing. Het type Apollo (licht model) is een uit ronde buis gelaste constructie, zonder bladvering met een draagvermogen van 125 kg. Montage koelkist Voor het zo min mogelijk overdragen van schokken aan de koelkist is een rubberplaat op de bodem van de draagbak geplaatst. De vrieskist is vastgeschroefd aan de bakfiets. Montage zonnepanelen De zonnepanelen zijn bevestigd op een dubbel uitgevoerde horizontaal buizenframe dat aan de bakfiets is gelast recht boven de koelkist. Bijkomend voordeel van deze opstelling is dat de panelen de koelkist afschermen van direct zonlicht midden op de dag. De tilt van de zonnepanelen kan handmatig worden ingesteld en vergrendeld tussen 0 en 50 graden. Door daarnaast de bakfiets zo op te stellen dat de panelen op de zon gericht staan wordt de maximale energieopbrengst verkregen.
8
ECN-C--01-064
3.
OPZET VAN HET TESTPROGRAMMA
Het testprogramma omvat de volgende tests, die in de genoemde volgorde zijn doorlopen: Fase I 1. Meting van de prestaties van de PV koelkist 2. Schokkentest van op de bakfiets gemonteerde PV koelkist Fase II 1. Duurtest van PV koelkist onder extreme klimatologische condities 2. Meting van de prestaties van de PV koelkist na de duurtest Alle tests zijn met dezelfde koelkist uitgevoerd. De schokkentest (fase I, 2) is uitgevoerd door ECN in samenwerking met het Regionaal Opleiding Centrum (ROC) te Apeldoorn, waarbij gebruik is gemaakt van de schokkentestbank van deze school. De overige tests zijn uitgevoerd door ECN in de voor PV koelen bestemde klimaatkamer. In de prestatiemeting (fase I, 1) de initiële prestatie van de PV koelkist gemeten die als referentie dient voor de daaropvolgende prestatiemetingen. De laatste prestatiemeting (fase II, 2) dient aan te tonen of de prestatie van de koelkist al dan niet is verslechterd door het uitvoeren van de schokkentest en de test bij hoge temperatuur. Vanwege de aard van de verschillende tests wordt de schokkentest apart behandeld in hoofdstuk 4. De prestatiemetingen, die alle zijn uitgevoerd in de klimaatkamer, worden behandeld in hoofdstuk 5.
ECN-C--01-064
9
4.
SCHOKKENTEST
4.1
Doelstelling
Het doel van de schokkentest is het vinden van zwakke ontwerp- en constructieplekken van de op de bakfiets gemonteerde koelkist met PV panelen. Ook is getest of de koelkast normaal blijft werken tijdens en na de schokkentest.
4.2
Testfaciliteit
De gebruikte schokkentestbank bevindt zich in het practicumlokaal van het voormalig Apeldoorns College, het Regionaal Opleiding Centrum (ROC) Aventus, sector Mobiel. Het praktijklokaal, van de heer Heurneman bezit onder ander een zogemaande BOGE-testbank. Deze testbank is bedoeld voor het testen van de veiligheid van schokdempers van voertuigen.
4.3
Testprocedure
De te testen bakfiets wordt op de schotel van de testbank gereden en de wielen worden op de schotel vastgebonden. De schotel wordt aan het trillen gebracht met behulp van een elektromotor zodoende trilt de gehele bakfiets mee. Twee onafhankelijk werkende elektromotoren brengen de schotels met daarop de bakfietswielen na elkaar in beweging. Dit wordt handmatig door de bediende technicus om beurten voor de twee afzonderlijke wielen uitgevoerd. Het aantal schoktrillingen die zijn opgewekt wordt geschat. Het maximale toerental van de elektromotoren is 945 r.p.m. Voor aanvang van de test wordt de koelkist aangeschakeld. Om de veldcondities te benaderen wordt uiteindelijk de koelkist gevuld met een ballast van ca. 35 kg (vloeistof) en neemt een proefpersoon plaats op het zadel van de bakfiets. Eén wiel wordt gedurende twintig seconden in trilling gebracht. Het trillen van de wielen en de bakfiets gaat over in heftig schudden en schokken. De actie wordt herhaald met het andere wiel. De bovenstaande procedure werd 4 maal per minuut herhaald (2 cycli per wiel) gedurende anderhalf uur. Per 15 seconden is het aantal trillingen voor de koelkist/bakfiets combinatie 80. Voor anderhalf uur betekent een totaal van: 90 min. x (4 x 80) cycli/min. = 28.800 cycli.
4.4
Metingen
De schokkarakteristiek is niet objectief vast te stellen. Wel is een visuele waarneming geregistreerd in een reeks video-opnamen die tijdens de tests zijn opgenomen. Deze opnames tonen het schokken van het gedrag van bakfiets en bestuurder. De metingen voor het bepalen van de koelprestaties zijn uitgevoerd met behulp van een portable datalogger (type Squirrel SQ-1036), gekoppeld aan een PC. De continu gemeten grootheden van de PV koelkist zijn de temperatuur op drie hoogtes in de koelkist, de laadspanning en de compressorstroom aan DC-zijde. Alle temperaturen zijn gemeten met 4-draads Pt-100 sensoren.
10
ECN-C--01-064
4.5
Testresultaten
Zonnepanelen De schokkentest heeft de combinatie gedurende anderhalf uur mechanisch flink belast. Als gevolg van de test is geen waarneembare schade ontstaan aan de zonnepanelen of het montageframe. Ook de bekabeling en de connector bleven onbeschadigd en goed geborgd. De montagemoeren, bouten en scharnierpunten van de zonnepanelen die los kwamen te zitten zijn aangedraaid tijdens de test. Dit probleem is achteraf verholpen door de moeren te vervangen door typen met nylon borging. Koelkist Uit de test bleek dat de montage van de koelkist op de bakfiets voldoende geborgd was. Het koelen van de koelkist bleek, ondanks heftige hoorbare en voelbare schokken van de compressor tegen de onhullende behuizing, normaal te functioneren (zie figuur 1). Ook bleven de elektrische contacten intact en functioneerden de elektronische componenten naar behoren. De elektronische componenten en de accu bleven ook op hun plaats zitten. Tijdens de test bleek dat de bakfiets met koelkist zonder belading los kwam van de testbank. Hierdoor werden de schokken niet optimaal doorgegeven aan de bakfiets. Om dit te verhelpen is de test voor korte tijd gestopt en is een 35 kg zware dummy load in de koelkist geplaatst. Figuur 1.3 bijlage 1 geeft het gemeten temperatuurverloop weer tijdens de test. In deze figuur is duidelijk zichtbaar wanneer de test onderbroken en de koelkast uitgezet wordt (rond 11:45 u). Bij het functioneren van de koelkist moet worden opgemerkt dat het afkoelen van de 35 kg dummy inhoudbelasting vele uren (24 uren) in beslag zou nemen, zodat door tijdgebrek geen evenwicht van de temperatuur in de koelruimte tijdens de test bereikt werd. Wel is, zowel in figuur 1.3 als 1.4 duidelijk zichtbaar dat de koelkist continu blijft koelen tijdens de test. De bakfiets De dikke luchtbanden en de rubberen ophanging van de koelkist veren de bakfiets en koelkist voldoende af. Tijdens de test op de schokkentestbank is geen schade of verstoring van het koelproces waargenomen. Voor het gebruik van de combinatie op slecht geplaveide wegen zoals in ontwikkelingslanden, worden geen problemen verwacht. Op basis van het uitgevoerde testprogramma zijn geen aanwijzing te vinden waar zwakke schakels van de combinatie zitten. Extreme omstandigheden zoals nagebootst op deze testbank zullen mogelijk in de praktijk niet, of slechts incidenteel, bereikt worden, maar het zal voorkomen dat langere rijtijden met kleinere schokamplitudes wel vaker zullen voorkomen.
4.6
Conclusies
De PV koelkist/bakfiets combinatie is bestand tegen mechanische belasting door schokken zoals blijkt uit de resultaten van de schokkentest. Afgezien van de bout en moerverbindingen aan de zonnepanelen die verbetert moeten worden is de combinatie geschikt gebleken om te rijden op de slechte wegen in ontwikkelingslanden. De compressor blijft probleemloos functioneren tijdens en na de test. Ook is bij controle na de test niet gebleken dat de uit drie spiraalveren bestaande ophanging van de compressor enige schade heeft ondervonden. De vulgraad van de koelkast speelt wel een rol in het geheel. De combinatie weegt ca. 160 kg, zonder bestuurder. Het al of niet gedeeltelijk gevuld zijn van de koelruimte geeft een ander dynamisch gedrag: meer gewicht betekent een betere demping van de combinatie.
ECN-C--01-064
11
5.
KLIMAATTESTS
5.1
Doelstelling
Doelstelling van de klimaattests is het beoordelen van het functioneren van de PV koelkist onder extreme klimaatcondities (hoge temperatuur en relatieve hoge luchtvochtigheid), waarbij de koelkist regelmatig wordt geopend.
5.2
Testfaciliteit
De klimaatkamer voor het simuleren van extreme klimaatcondities heeft een binnenafmeting van 1,90 x 1,50 x 1,75 m en een inhoud van 5 m3. De wanden zijn geïsoleerd met steenwol en afgewerkt met een vochtdichte binnenwand. Hierin is een tochtvrije deur aangebracht met daarin een raam van twee perspex platen. Vier ventilatoren van elk 9 watt zorgen voor een homogene temperatuurverdeling in de kamer. De luchtsnelheid komt rondom de koelkist niet boven 0,5 m/s. Deze grens is in de DIN en ISOnorm 7371 voorgeschreven voor testen van huishoudelijke koelapparatuur. In deze klimaatkamer is een elektronische temperatuurregeling ingebouwd met behulp van een hete lucht verwarmingsbron. De luchtvochtigheidsgraad wordt geregeld met behulp van een thermische vochtgenerator van het type BIONARE, Clear-Mist. Het waterreservoir bevat 5 liter gedemineraliseerd water, wat voldoende is om ruim een week lang vocht genereren. Tijdens de duurtests is de accu bijgeladen met behulp van een PV-simulator die was aangesloten op de module-ingang van de laadregelaar. De door deze PV-simulator geleverde stroom werd gestuurd gebruikmakend van een voorgeprogrammeerd instralingspatroon.
5.3
Testprocedure
Algemeen Alle klimaattests zijn uitgevoerd aan dezelfde koelkist zonder bakfiets. Prestatiemetingen De prestatiemeting voor de schokkentest is uitgevoerd bij een kamertemperatuur van 32 °C, evenals de afsluitende prestatiemeting. Het opgenomen vermogen is steeds bepaald als gemiddelde over een periode waarin de temperaturen binnen en buiten de koelkist waren gestabiliseerd. Prestatiemeting bij hoge temperatuur met belading De prestatiemeting bij hoge temperatuur met belading is uitgevoerd bij temperatuur van 40,5 °C en een ingestelde luchtvochtigheidsgraad van 75 %. De laatstgenoemde waarden zijn gespecificeerd in de Coca-Cola/GDM Global Performance Requirements conditions “D”. Tijdens deze test is enkele malen per dag de koelkist kort geopend, waarbij gekoelde blikjes werden uitgenomen en ongekoelde blikjes (kamertemperatuur) werden geplaatst.
12
ECN-C--01-064
5.4
Metingen
De metingen voor het bepalen van de koelprestaties zijn uitgevoerd met behulp van een portable datalogger (type Squirrel SQ-1036), gekoppeld aan een PC. De continu gemeten grootheden van de PV koelkist zijn de temperatuur op drie hoogtes in de koelkist, de laadspanning en de compressorstroom aan DC-zijde. Daarnaast zijn continu de temperatuur en de luchtvochtigheid in de klimaatkamer gemeten. Alle temperaturen zijn gemeten met 4-draads Pt-100 sensoren. De stroom is gemeten met behulp van een shunt in de acculeiding.
5.5
Testresultaten
In tabel 5.1 wordt een overzicht gepresenteerd van de uitgevoerde tests met de verwijzing naar de bijbehorende figuren in bijlage 1. Tabel 5.1: Overzicht van de uitgevoerde metingen. Test Uitgevoerd in periode
Bijlage 1
Prestatiemeting voor schokkentest
30-10-1998 tot 3-11-1998
Fig. 1.1, 1.2
Schokkentest (zie hoofdstuk 4)
19-01-2000
Fig. 1.3, 1.4
Prestatie bij hoge temperatuur
29-08-2000 tot 12-9-2000
Fig. 1.5, 1.6
Prestatiemeting na hoge temp. test
24-11-2000 tot 26-11-2000
Fig. 1.7, 1.8
Prestatiemeting voor schokkentest In figuur 1.1 is het cyclische verloop van de accuspanning zichtbaar dat ontstaat door het overdag bijladen door de - gesimuleerde - PV panelen. Ook is hierin zichtbaar dat de laadregelaar de laadspanning begrenst op ca. 13,7 volt, na een korte periode van doorladen op een hogere spanning (boost-charging). Omwille van de leesbaarheid is het opgenomen vermogen weergegeven als een lopend gemiddelde. In het momentane vermogen is het periodiek aan- en uitschakelen van de compressor prominent zichtbaar. De gemiddelde energieconsumptie is berekend over de periode die is weergegeven in figuur 1.2. De accuspanning heeft een gemiddelde waarde 12 volt en de gemeten temperaturen zijn stationair. Prestatiemeting bij hoge temperatuur en luchtvochtigheid Uit figuur 1.6 blijkt dat de gemeten omgevingstemperatuur op de ingestelde waarde van 40,5 °C stabiliseert, maar dat de bevochtiger de ingestelde de luchtvochtigheid van 75 % niet haalt. De metingen zijn gestart nadat de koelkist met belading is gestabiliseerd. Gedurende de test zijn geen noemenswaardige temperatuursschommelingen af te lezen als gevolg van het openen van de koelkist en het wisselen van de lading. Dit komt omdat per keer slechts een relatief klein deel van de koele massa wordt weggenomen: enkele gekoelde blikjes zijn uitgewisseld voor ongekoelde. Eén cyclus van het aan- en afschakelen van de compressor duurt ongeveer 45 minuten, dat is drie maal langer dan bij een lege koelkist. Prestatiemeting na hoge temperatuurtest In figuur 1.7 is het temperatuurverloop in de koelkist over een korte periode tijdens de test zichtbaar. Uit het verloop blijkt dat de koelkist na alle tests te hebben doorlopen nog steeds naar behoren werkt. Ook is het verschil tussen de temperaturen boven en onder in de koelkist gering. Enige verschillen met de eerste prestatiemeting (fig. 1.2) zijn de langere duur van de cyclus van aan- en uitschakelen van de compressor en de grotere temperatuurvariatie gedurende één cyclus. Beide verschillen worden veroorzaakt doordat in januari 1999 de temperatuuropnemer van de thermostaat is verplaatst. Op de nieuwe plaats, aan de binnenzijde van de koelkist, reageert deze opnemer minder snel op de temperatuurwisselingen van het koelspiraal dat voorheen. ECN-C--01-064
13
Het verplaatsen van de opnemer is uitgevoerd naar aanleiding van een in januari 1999 uitgevoerde test ter bepaling van de warmteweerstand. Hierdoor was het onmogelijk geworden om de opnemer door de daarvoor bestemde schacht op de originele plaats te bevestigen. In tabel 5.2 is per test het gemeten energieverbruik van de PV koelkist weergegeven. Tabel 5.2: Gemeten energieverbruik Test Energieverbruik
Testcondities
T
koelkast
T buiten Rel.Hum (°C) (%)
Belading (kg)
(Wh/dag)
max. (°C)
Prestatiemeting voor schokkentest
295
4,5
32,5
40 - 42
0
Prestatie bij hoge temperatuur
440
3,6
40,5
35 - 65
max. 35
Prestatiemeting na hoge temp. test
301
3,5
32,1
46 - 48
0
Uit bovenstaande tabel blijkt dat het laatst gemeten elektrisch vermogen (301 Wh/dag) niet significant verschilt van de initiële meting (295 Wh/dag). Er is geen verslechtering van de prestatie opgetreden na de schokkentest. Het gemiddelde vermogen zoals gemeten tijdens de hoge temperatuurtest, is zoals verwacht (ca. 50 %) hoger vergeleken met de andere metingen. Eén oorzaak is het toegenomen warmteverlies door wand dat evenredig is met het verschil van de temperatuur binnen en buiten de koelkast. Dit verklaart een toename van het elektriciteitsverbruik met ongeveer 30 %. Andere oorzaken van hogere verbruik zijn de hogere temperatuur van de condensor en het plaatsen van ongekoelde blikjes in de koelkist.
5.6
Conclusies
De gemeten energieconsumptie van de onbeladen koelkist bij een omgevingstemperatuur van 32 °C is bepaald op ca. 295 Wh/dag. Na de schokkentest en de hoge temperatuurtest werkte de koelkist nog naar behoren en was het energieverbruik gelijk. Ook tijdens de test bij hogere temperaturen van 40,5 °C en een hogere relatieve luchtvochtigheid functioneerde de koelkist goed. De toename van het opgenomen elektrisch vermogen van ca. 50 % hoger was zoals verwacht.
14
ECN-C--01-064
6.
CONCLUSIES
De prestaties van de PV-koelkist/bakfiets combinatie van de firma Truckbouw B.V. te Aalten en ECN zijn getest bij temperaturen en relatieve hoge luchtvochtigheden zoals die in West Afrika voorkomen. Ook heeft deze combinatie een schokkentest ondergaan om eventuele verstoringen van de prestaties van de koelkist op slechte wegen te kunnen waarnemen. Het gemeten energieverbruik van de PV-koelkist is tijdens de eerste prestatiemeting bepaald op 295 Wh/dag bij een omgevingstemperatuur van 32 °C en een koeltemperatuur van +4 °C. De op de bakfiets gemonteerde koelkist heeft een anderhalf uur durende schokkentest goed doorstaan. Tijdens en na deze test functioneerde de koelkist naar behoren en zijn er geen beschadigingen van de koelkist of de constructie waargenomen. De koelkist functioneerde naar behoren tijdens en na de duurtest met een temperatuur van 40,5 °C en een relatieve luchtvochtigheid tussen de 40 en 65%. Tijdens deze test is het normale gebruik van de koelkast nagebootst door het plaatsen en uitnemen van belading. Het elektriciteitsverbruik lag bij deze temperatuur ongeveer 50 % hoger dan bij de eerste metingen. In de afsluitende prestatiemeting bleek de koelkist nog steeds goed te werken. Er werd geen significante verslechtering van de prestaties waargenomen.
ECN-C--01-064
15
BIJLAGE 1: MEETRESULTATEN
16
50
15
45
14
40
13
35
12
30
11
25
10
20
9
15
8
10
7 6 30-10-98 12:00
Afkoel-fase
31-10-98 0:00
Battery power(W)
Battery voltage(V))
Detailed performance measurement, steady state
5
31-10-98 12:00
1-11-98 0:00
1-11-98 12:00
2-11-98 0:00
2-11-98 12:00
3-11-98 0:00
0 3-11-98 12:00
Time Batt. U (V)
Pbatt (W )
2000 per. Mov. Avg. (Pbatt (W ))
Fig. 1.1: Prestatiemeting voor schokkentest, gemeten accuspanning en -stroom
16
ECN-C--01-064
50
15
45
14,5
40
R.H.
35
14 13,5
Room temperature
30
13
25
12,5
20
12
15
Battery voltage
10
Battery voltage (V)
Pt100 mid, Room Temp. (°C) and RH (%)
Detailed performance measurement, steady state
11,5 11
5
10,5 Temp.fridge
0 31-10-98 21:30
10 31-10-98 23:30
1-11-98 1:30
1-11-98 3:30
1-11-98 5:30
1-11-98 7:30
1-11-98 9:30
Time 01TT02 Pt100 mid (°C)
01TT11 Chamber temp. (°C)
Rel.Hum. (%)
Batt. U (V)
Fig. 1.2: Prestatiemeting voor schokkentest, detail
ECN-C--01-064
17
Temperature measurments during shock tests 20
T bottom (°C) T mid (°C) T top (°C)
Temperatures (°C)
15
10
5
0
35 kg belasting in de koelkist gelegd
Test onderbroken omdat koelkist verzwaard moest worden -5 19-1-00 11:00
19-1-00 11:30
19-1-00 12:00
19-1-00 12:30
19-1-00 13:00
19-1-00 13:30
19-1-00 14:00
Date & Time
Fig. 1.3: Gemeten temperatuurverloop tijdens schokkentest
18
ECN-C--01-064
Measured Voltage and Current during shock tests 15
Battery voltage (V)
6
14
5
13
4
12
3
11
2
10
1
9 19-1-00 11:00
19-1-00 11:30
19-1-00 12:00
19-1-00 12:30
19-1-00 13:00
19-1-00 13:30
Current (A)
Voltage (V)
Battery current (A)
0 19-1-00 14:00
Date & Time
Fig. 1.4: Gemeten verloop van spanning en stroom tijdens schokkentest
ECN-C--01-064
19
Performance measurement at high temeprature with load 4
3,5
Temperatures (°C)
3
2,5 T max (°C) T bot LT
2
T mid LT T topt LT
1,5
1
0,5
0 29-8-00 0:00
31-8-00 0:00
2-9-00 0:00
4-9-00 0:00
6-9-00 0:00
8-9-00 0:00
10-9-00 0:00
12-9-00 0:00
Date & Time
Fig. 1.5: Temperatuurverloop in koelkist tijdens hoge temperatuurtest.
20
ECN-C--01-064
Test with high temperature and humidity 45
80
T amb (°C)
70
43
60
42
50
41
40
40
30
39
20
38
10
37 29-8-00 0:00
31-8-00 0:00
2-9-00 0:00
4-9-00 0:00
6-9-00 0:00
8-9-00 0:00
10-9-00 0:00
Rel. Humidity (%)
Temperature (°C)
Rel. Humidity (%) 44
0 12-9-00 0:00
Date & Time
Fig. 1.6: Temperatuur en luchtvochtigheid in klimaatkamer tijdens hoge temperatuurtest.
ECN-C--01-064
21
Detailed performance measurement after shocktests Tamb = 32,1 °C ± 0,1 °C T top = 1,8 °C ± 1,5 °C T bot = 1,2 °C ± 1,6 °C
T top (°C) T mid (°C) T bot (°C)
Temperaturen (°C)
T amb (°C) 5
33
4
32
3
31
2
30
1
29
0 28 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 Datum & tijd
Fig. 1.7: Temperatuurverloop tijdens prestatietest
22
ECN-C--01-064
Detailed performance measurement after shocktests (detail), Pav = 12,6 W, Pmax = 45,3 W 15,0
8 DC spanning (V) 7
14,0
6
13,5
5
13,0
4
12,5
3
12,0
2
11,5
1
Accustroom (A)
Accuspannig (V)
DC stroom (A) 14,5
11,0 0 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 26-11-00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 datum & tijd
Fig. 1.8: Gemeten accuspanning en -stroom tijdens prestatietest
ECN-C--01-064
23
