Woord vooraf. De autonome zonneboiler I

Woord vooraf In de afdeling Industriële Wetenschappen wordt er telkens in de derde graad een eindwerk gemaakt. Jeroen Clauw en Alvaro Dever werken hieraan samen. Wij zitten nu al 15 jaar samen in dezelfde klas, dus we kennen elkaar al een beetje. Hopelijk zal dit eindwerk dan ook tot een goed einde worden gebracht.

Het eindwerk “de zonneboiler” werd al eens gemaakt door leerlingen van het VTI Poperinge, maar er zat destijds wel een constructiefout in. Dit keer zullen we het wel uitgebreider aanpakken. Nu zal het gehele systeem zelfstandig kunnen werken, wat toen niet het geval was. Ditmaal is het ook wel een proefproject. De praktische kant wordt uitgevoerd door leerlingen van het 6de Elektriciteit namelijk Brecht Boucneau en Glenn Carton. Wij zullen dit allemaal bespreken en uitleggen.

Ons eindwerk kwam tot stand in een team van mensen die stuk voor stuk verdienen vermeld te worden. Eerst en vooral willen we onze ouders danken voor de kansen die we kregen dit te realiseren. Daarnaast danken we ook onze leerkrachten Dhr. Wesley Tytgat, Dhr. Eric Struye Dhr. Koen Beirlaen en Dhr. Johan Vitse. Verder willen we ook al de personen danken waaraan we informatie hebben mogen vragen en van wie we informatie gekregen hebben.

De autonome zonneboiler

I

Inhoudstafel Woord vooraf............................................................................................................. I Inhoudstafel .......................................................................................................... II-V Lijst met figuren................................................................................................ VI-VIII Lijst met tabellen en formules ................................................................................... IX Inleiding....................................................................................................................1 1

2

3

De commerciële zonneboiler .................................................................................2 1.1

Inleiding .....................................................................................................2

1.2

De werking..................................................................................................2

1.3

Naverwarmers .............................................................................................5

1.4

Tips bij het aankopen van een zonneboiler.....................................................6

1.5

Eventuele problemen ...................................................................................7

De autonome zonneboiler.....................................................................................8 2.1

Inleiding .....................................................................................................8

2.2

Schema.......................................................................................................8

Onderdelen sanitair gedeelte .............................................................................. 10 3.1

Inleiding ................................................................................................... 10

3.2

De zonnecollector ...................................................................................... 12

3.2.1

Inleiding ................................................................................................ 12

3.2.2

Werking ................................................................................................ 12

3.2.3

Onze zonnecollector ............................................................................... 13

3.2.4

Formules in verband met de warmtegeleidingscoëfificiënt (λ)..................... 15

3.2.5

Oriëntatie voor de zonnecollector............................................................. 15

3.2.6

Tips tijdens het plaatsen van je collector .................................................. 16

3.3

Het expansievat......................................................................................... 16

3.3.1

Inleiding ................................................................................................ 16

3.3.2

Werking ................................................................................................ 16

3.3.3

Onderdelen van het vat .......................................................................... 18

3.4

De circulatiepomp ...................................................................................... 19

3.5

Boiler met warmtewisselaar ........................................................................ 19

3.5.1

Inleiding ................................................................................................ 19

3.5.2

Werking ................................................................................................ 19

3.6 3.6.1

Hete luchtverwarmer.................................................................................. 20 Inleiding ................................................................................................ 20 De autonome zonneboiler

II

3.6.2 3.7

4

Werking ................................................................................................ 21 Bolkranen.................................................................................................. 22

3.7.1

Inleiding ................................................................................................ 22

3.7.2

Waarom bolkraan................................................................................... 22

3.8

Snelkoppelingen ........................................................................................ 23

3.9

Terugslagklep............................................................................................ 24

3.10

Vat om te vullen met ontluchter .................................................................. 25

3.11

Leidingen en vloeistof ................................................................................26

Onderdelen elektrisch gedeelte ........................................................................... 27 4.1

Inleiding ................................................................................................... 27

4.2

Uitleg van het schema elektrische gedeelte .................................................. 27

4.3

De zonnecel .............................................................................................. 29

4.3.1

Inleiding ................................................................................................ 29

4.3.1.1

Halfgeleiders................................................................................... 30

4.3.1.2

N- halfgeleiders............................................................................... 31

4.3.1.3

P- halfgeleiders ............................................................................... 32

4.3.1.4

PN- junctie ..................................................................................... 33

4.3.2

Werking van de zonnecel ........................................................................ 34

4.3.3

Oriëntatie .............................................................................................. 35

4.3.4

Toepassingen......................................................................................... 35

4.3.4.1

Ruimtevaart en ruimtetuigen............................................................ 35

4.3.4.2

Aardse toepassingen ....................................................................... 36

4.3.5

Nadelen van zonne-energie en zonnecellen .............................................. 37

4.3.5.1

Zonne-energie is momenteel nog zeer duur....................................... 37

4.3.5.2

Een zonnecel produceert enkel elektriciteit als de zon schijnt. ............. 37

4.3.5.3

Om sommige zonnecellen te produceren heeft men milieuvervuilende

producten nodig zijn....................................................................................... 37 4.3.5.4

Als een zonnecel beschadigd raakt werken de andere ook niet meer. .. 37

4.3.6

Het rendement van een zonnecel............................................................. 37

4.3.7

Het kleur van een zonnecel ..................................................................... 40

4.3.8

Onderverdeling van fotovoltaïsche cellen.................................................. 41

4.3.9

Metingen op ons zonnepaneel. ................................................................ 42

4.4

Batterijenmonitor....................................................................................... 49

4.4.1

Inleiding ................................................................................................ 49

4.4.2

Werking ................................................................................................ 50


III

4.4.3

Berekening voorschakelweerstand ........................................................... 52

4.4.4

Niveaus ................................................................................................. 53

4.5

Temperatuurregeling.................................................................................. 53

4.5.1

Inleiding ................................................................................................ 53

4.5.2

Werking ................................................................................................ 53

4.5.3

Stukkenlijst............................................................................................ 55

4.6

Circulatiepomp .......................................................................................... 55

4.6.1

Inleiding ................................................................................................ 55

4.6.2

Constructie ............................................................................................ 56

4.6.3

Werking ................................................................................................ 57

4.6.4

Type ..................................................................................................... 58

4.7

Batterijen .................................................................................................. 59

4.8

PLC........................................................................................................... 59

4.8.1

Inleiding ................................................................................................ 59

4.8.2

Soorten PLC’ s........................................................................................60

4.8.3

Opbouw van de PLC ............................................................................... 60

4.8.4

Waarom PLC’ s....................................................................................... 61

4.8.5

Programmeren van een PLC .................................................................... 61

4.8.5.1

Inleiding......................................................................................... 61

4.8.5.2

Termen en symbolen bij het programmeren ...................................... 62

4.8.6

Ingangskaart ......................................................................................... 62

4.8.7

Uitgangskaart ........................................................................................ 63

4.8.8

Programma PLC ..................................................................................... 64

4.9 4.9.1

Inleiding ................................................................................................ 65

4.9.2

Werking ................................................................................................ 65

4.10

5

De omvormer ............................................................................................ 65

Diodegelijkrichter....................................................................................... 68

4.10.1

Inleiding ............................................................................................ 68

4.10.2

Werking ............................................................................................. 68

Rendement en besparingen ................................................................................ 69 5.1

Inleiding ................................................................................................... 69

5.2

Voor commerciële boilers............................................................................ 69

5.2.1

Inleiding ................................................................................................ 69

5.2.2

Mono- installaties ................................................................................... 69

5.2.3

Duo- installaties .....................................................................................70


IV

5.2.4

Besluit................................................................................................... 70

Voor PV- panelen.................................................................................................. 70 6

Warmteoverdracht............................................................................................. 72 6.1

Inleiding ................................................................................................... 72

Besluit..................................................................................................................... 74 Bronvermelding..........................................................................................................X Sites ......................................................................................................................X Cursussen, boeken en infobrochures ...................................................................... XI Bijlage 1: Schema’s elektrisch gedeelte ........................................................................1 Bijlage 2: Tabel van Mendeljev .................................................................................. 10 Bijlage 3: Prijzen zonneboiler .................................................................................... 11 Bijlage 4: Korte bespreking van de GIP in het Engels ..................................................13 Bijlage 5: Korte bespreking van de GIP in het Frans .................................................... 14


V

Lijst met figuren Fig. 1.2.1: Commerciële zonneboiler ………………………………………………………………………….2 Fig. 1.2.2: Zonnecollector …………………………………………………………………………………………3 Fig. 1.2.3: Een buizenwarmtewisselaar ………………………………………………………………………4 Fig. 1.2.4: Een spiraalwarmtewisselaar ………………………………………………………………………4 Fig. 1.3.1: Zonneboiler met geïntegreerde naverwarmer …………………………………………….5 Fig. 1.3.2: Zonneboiler met externe naverwarmer ………………………………………………………6 Fig. 1.3.3: De compacte zonneboiler …………………………………………………………………………6 Fig. 2.2.1: Elektrisch + sanitair gedeelte …………………………………………………………………..9 Fig. 3.1.1: Schema sanitair gedeelte ……………………………………………………………………….11 Fig. 3.2.1.1: De zonnecollector ……………………………………………………………………………….12 Fig. 3.2.1.2: De stroomzin ………………………………………………………………………………………13 Fig. 3.2.3.1: Doorsnede zonnecollector ……………………………………………………………………13 Fig. 3.2.3.2: Warmtewisselaar collector ……………………………………………………………………14 Fig. 3.2.4.1 : De beste hoek voor de plaatsing van de collector ………………………………….15 Fig. 3.3.1.1: Het expansievat ………………………………………………………………………………….16 Fig. 3.3.2.1: Verschillende werking expansievaten …………………………………………………….17 Fig. 3.3.2.2: Werking met balg ……………………………………………………………………………….17 Fig. 3.3.3.1: Onderdelen expansievat ………………………………………………………………………19 Fig. 3.5.2.1: Onze warmtewisselaar …………………………………………………………………………20 Fig. 3.6.1.1: Hete luchtverwarmer …………………………………………………………………………..21 Fig. 3.6.2.1: Warmtewisselaar hete luchtverwarmer ………………………………………………….21 Fig. 3.7.1.1: Bolkraan …………………………………………………………………………………………….22 Fig. 3.7.2.1: Lipje behuizing ……………………………………………………………………………………23 Fig. 3.8.1: Snelkoppeling ………………………………………………………………………………………..23 Fig. 3.9.1: Terugslagklep met cilinder zonder veer ……………………………………………………24 Fig. 3.9.2: Terugslagklep met cilinder met veer ………………………………………………………..25 Fig. 3.9.3: Terugslagventiel met hamer ……………………………………………………………………25 Fig. 3.10.1: Vat om te vullen met ontluchter …………………………………………………………….26 Fig. 3.10.2: Aflaatkraan ………………………………………………………………………………………….26 Fig. 4.3.1.1: Een zonnecel ………………………………………………………………………………………29 Fig. 4.3.1.1.1: De verschillende energiebanden ……………………………………………………….30 Fig. 4.3.1.1.2: 1 eV ……………………………………………………………………………………………….31 Fig. 4.3.1.2.1: Donor- energie …………………………………………………………………………………32


VI

Fig. 4.3.1.3.1: Acceptor- energie …………………………………………………………………………….32 Fig. 4.3.1.4.1: Junctiediode …………………………………………………………………………………….33 Fig. 4.3.1.4.2: De junctiediode ………………………………………………………………………………..33 Fig. 4.3.1.4.3: Potentiaalverschil over de junctiediode ……………………………………………….34 Fig. 4.3.4.1.1: Zonnepanelen in de ruimte ……………………………………………………………….36 Fig. 4.3.6.1: Nuttig zonlicht …………………………………………………………………………………….38 Fig. 4.3.6.2: Het elektromagnetisch spectrum ………………………………………………………….38 Fig. 4.3.6.3: Monokristallijn silicium …………………………………………………………………………39 Fig. 4.3.6.4: Multikristallijn silicium ………………………………………………………………………….40 Fig. 4.3.7.1 : Soorten kleuren van een zonnecel ……………………………………………………….40 Fig. 4.3.8.1: Zonnecel …………………………………………………………………………………………..41 Fig. 4.3.8.2: Module ……………………………………………………………………………………………..41 Fig. 4.3.8.3: Strings ……………………………………………………………………………………………….41 Fig. 4.3.9.1: Meetopstelling …………………………………………………………………………………….42 Fig. 4.3.9.2: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….42 Fig. 4.3.9.3: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….43 Fig. 4.3.9.4: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….44 Fig. 4.3.9.5: Stand paneel 45° ………………………………………………………………………………..44 Fig. 4.3.9.6: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….45 Fig. 4.3.9.7: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….45 Fig. 4.3.9.8: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………….46 Fig. 4.3.9.9: Stand paneel 90° ………………………………………………………………………………..46 Fig. 4.3.9.10: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………..47 Fig. 4.3.9.11: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………..47 Fig. 4.3.9.12: Meetresultaten in een grafiek ……………………………………………………………..48 Fig. 4.3.9.13: Stand paneel 0° ………………………………………………………………………………..48 Fig. 4.3.9.14: Standen paneel …………………………………………………………………………………49 Fig. 4.4.2.1 Schema laadregelaar ……………………………………………………………………………50 Fig. 4.4.2.2: Spanningverschil opamp ………………………………………………………………………51 Fig. 4.5.2.1 Schema temperatuurregeling ………………………………………………………………..54 Fig. 4.6.2.1: Centrifugaalpomp (nat type) ………………………………………………………………..57 Fig. 4.6.3.1: Stroomzin door pomp ………………………………………………………………………….58 Fig. 4.8.3.1: Opbouw van een PLC ………………………………………………………………………….51 Fig. 4.8.8.1: PLC programma ……………………………………………………………………………..64-65 Fig. 4.9.2.1: De H-brug ………………………………………………………………………………………….66


VII

Fig. 4.9.2.2: Verkregen blokgolf ………………………………………………………………………………67 Fig. 4.9.2.3: Sinusvormige blokgolf .………………………………………………………………………..67 Fig. 4.10.2.1: Diodegelijkrichter ………………………………………………………………………………68 Fig. 4.10.2.2: Stroomrichting diodegelijkrichter …………………………………………………………68


VIII

Lijst met tabellen en formules 3.2.4.1 …………………………………………………………………………………………………………………15 3.2.4.2 …………………………………………………………………………………………………………………15 3.3.2.1 …………………………………………………………………………………………………………………18 Tabel 4.3.9.1: Meetresultaten …………………………………………………………………………………42 Tabel 4.3.9.2: Meetresultaten …………………………………………………………………………………43 Tabel 4.3.9.3: Meetresultaten …………………………………………………………………………………44 Tabel 4.3.9.4: Meetresultaten …………………………………………………………………………………45 Tabel 4.3.9.5: Meetresultaten …………………………………………………………………………………45 Tabel 4.3.9.6: Meetresultaten …………………………………………………………………………………46 Tabel 4.3.9.7: Meetresultaten………………………………………………………………………………….47 Tabel 4.3.9.8: Meetresultaten………………………………………………………………………………….47 Tabel 4.3.9.9: Meetresultaten …………………………………………………………………………………48 4.4.3.1 …………………………………………………………………………………………………………………52 4.6.4.1: Tabel met de standen van de pomp ……………………………………………………………59 6.1.1 ……………………………………………………………………………………………………………………73 6.1.2 ……………………………………………………………………………………………………………………73 6.1.3 ……………………………………………………………………………………………………………………73


IX

Inleiding De opwarming van de aarde is HET onderwerp van vandaag. Iedereen is ermee bezig. Iedere fabrikant in gelijk welke sector is bezig om hun producten milieuvriendelijker te maken. Er komen meer en meer producten op de markt die het milieu helpen. Denk maar aan windmolens, zonnecellen, zonneboilers, milieuvriendelijke wagens, energiezuinige elektrische apparaten, betere isolatiemogelijkheden… Zo hebben wij gekozen om een zonneboiler te ontwerpen die volledig op zonne-energie werkt. Dit systeem is nog nergens op de markt gebracht. Dus is het een uniek project.

Onze zonneboiler zal zoals alle commerciële boilers warm water kunnen produceren. Maar daarnaast zal er een omschakeling mogelijk zijn tot een hete luchtblazer. Normaal kan dit hele systeem niet werken zonder extra elektriciteit van buitenaf. Wij hebben dit opgelost door een zonnepaneel erbij te zetten. Zo kan het gehele systeem autonoom werken op zonne-energie. Dit is wel een proefproject en werd geïnstalleerd op een soort wagen, zodat het verplaatst kan worden. Alle onderdelen die we gebruiken, zullen we uitvoerig bespreken.


1

1 De commerciële zonneboiler 1.1 Inleiding Een zonneboiler warmt het water op met behulp van de zon. Indien er gebruik gemaakt wordt van een naverwarmer wordt er gesproken van een commerciële zonneboiler. Het zijn dergelijke toestellen die je kunt bestellen of kopen bij een firma. Meestal wordt een commerciële zonneboiler gewoon een zonneboiler genoemd. Dit is omdat er tot nu toe nog geen zonneboiler op de markt is gebracht die volledig op zonne-energie werkt. En het is juist dit dat wij hebben helpen construeren.

1.2 De werking Bij een commerciële boiler (fig. 1.2.1) heb je volgende hoofdzakelijke onderdelen: de collector, de boiler, de regeling.

Fig. 1.2.1: Commerciële zonneboiler


2

De vloeistof in de collector bestaat uit water met al dan niet een antivries erbij gevoegd. Deze moet namelijk voorkomen dat het water in de collector zou bevriezen, anders zou de collector kunnen worden beschadigd. Als de vloeistof verwarmt weten we dat deze uitzet. Daarom voorziet men een expansievat. Om dit op een andere manier op te lossen, kan dit ook door middel van een leegloopsysteem. Dit wil zeggen dat men de vloeistof uit de collector laat lopen zodat deze niet kan bevriezen of te warm worden. Dit wordt gedaan door middel van een leegloopvat. De vloeistof die hier gebruikt wordt is gewoon water. De zonnecollector (fig. 1.2.2) bestaat uit een pijpleiding, een absorber (zwart materiaal), een afdekplaat en een dikke isolatielaag.

Fig. 1.2.2: Zonnecollector

De afdekplaat (glas) zorgt ervoor dat de absorber en de pijpleiding droog blijven. De absorber zorgt ervoor dat de stralingsenergie van de zon wordt omgezet in warmte. Door de pijpleiding stroomt de vloeistof die bestaat uit water en eventueel antivries. De opgenomen warmte van de absorber zal worden afgestaan aan de vloeistof in de pijpleiding. Wanneer het regelsysteem een temperatuursverschil zal vaststellen die voldoende is om het water in de boiler bij te verwarmen, zal deze de circulatiepomp in werking laten treden. Deze zal de warmere vloeistof laten circuleren tot in de boiler. Het principe is dus als volgt. De vloeistof in de pijpleidingen wordt opgewarmd in de zonnecollector. De pomp laat de vloeistof circuleren. Als de warme vloeistof doorheen de boiler passeert heeft de vloeistof zijn warmte af aan het koud water in de boiler. De uitwisseling gebeurt via een warmtewisselaar. Een warmtewisselaar is een toestel dat


3

ervoor zorgt dat de warmte van het ene medium naar het andere overgaat. Warmtewisselaar

kunnen

in

verschillende

vormen

voorkomen.

Men

kan

een

warmtewisselaar hebben in de vorm van een buis ( fig. 1.2.3 ), gevormd door platen en in de vorm van een spiraal ( fig. 1.2.4 ). De twee laatst genoemde worden het meest gebruikt omdat men dan een groter oppervlakte heeft om warmte af te geven dan een gewone rechte buis. Men kan ook meerder spiralen bij elkaar monteren. Indien het water in de boiler nog niet warm genoeg is om te gebruiken dan wordt het bijverwarmd door een naverwarmer. (De soorten naverwarmers worden vermeld in 1.3)

Doordat warm

water een lager dichtheid heeft dan koud water zal het warme water altijd naar boven stijgen en koude water zakken. Indien men dus warm water nodig heeft zal men water aftappen van bovenaan de boiler en koud water er langs onderen aan toevoegen.

Fig. 1.2.3: Een buizenwarmtewisselaar

Fig. 1.2.4: Een spiraalwarmtewisselaar


4

1.3 Naverwarmers Als de zonnecollectors geen warmte genoeg kunnen afstaan aan het water in de boiler, dan heeft men een naverwarmer nodig. Deze zorgen ervoor dat de nodig minimum temperatuur bereikt wordt van 60°C. Dit omwille van salmonellabacterie. Men kan een naverwarmer hebben die werkt op elektriciteit, op gas of op stookolie. Daarnaast heeft men ook nog 2 soorten naverwarmers, de geïntegreerde (fig. 1.3.1) en de externe (fig. 1.3.2). Een geïntegreerde naverwarmer wil zeggen dat zowel de warmtewisselaar van de collector als deze van de naverwarmer zelf in dezelfde boiler zit. Men plaatst de warmtewisselaar van de collector telkens onderaan omdat warm water stijgt naar boven. Als het water nog niet op de gewenste temperatuur is wordt deze bij gewarmd door de naverwarmer. Wanneer men echter de warmtewisselaar van de naverwarmer onderaan zou plaatsen dan moet altijd het koudste water worden opgewarmd. Dit is niet efficiënt omdat dan de verwarmingskosten veel hoger oplopen. Een externe naverwarmer daarentegen is anders opgebouwd. Men heeft dan namelijk 2 boilers. In de eerste boiler bevindt zich de warmtewisselaar van de zonnecollector, deze zorgt voor de opwarming van het water in de eerste boiler. Een tweede boiler, met de warmtewisselaar van de naverwarmer, is erachter geplaatst. Het kan ook zijn dat deze naverwarmer rechtstreeks het kraanwater opwarmt. Beide naverwarmers brengen indien nodig het water op de juiste temperatuur. Een variant op deze laatste naverwarmer is de compacte zonneboiler (fig. 1.3.3). Hier wordt het kraanwater opgewarmd in de collector zelf. Hier heeft men geen boiler maar dient de collector als opslagvat. Het verwarmde kraanwater dat dan uit de collector stroomt wordt dan indien nodig met de naverwarmer bijverwarmd.

Fig. 1.3.1: Zonneboiler met geïntegreerde naverwarmer


5

Fig. 1.3.2: Zonneboiler met externe naverwarmer

Fig. 1.3.3: De compacte zonneboiler

1.4 Tips bij het aankopen van een zonneboiler Men rekent gemiddeld 40 liter water van 50°C voor 1 persoon op een dag. Dan zorg je er best voor dat je collectoroppervlak ongeveer de verhouding heeft van 1.1. tot 1.5 m² per persoon. Probeer er ook voor te zorgen je boiler een capaciteit heeft om water te kunnen opslaan voor 2 dagen. Zo kan je gemakkelijk een zonarme dag overbruggen.


6

1.5 Eventuele problemen Er zijn natuurlijk problemen bij zulke projecten, maar ook deze zijn opgelost. Zo was er het probleem dat als de zon te fel scheen, de vloeistof in je collector te warm zou worden en zo een te hoge druk zou ontstaan. Hierbij spreken we over een temperatuur van maximaal 90°C. Dit probleem kan worden opgelost door er expansievat. En andere manier om dit op te lossen is door gebruik te maken van een leegloopsysteem. Dit betekent dat het water in de collector wordt weggeleid in een vat, het leegloopvat. Zo is er geen vloeistof meer aanwezig in de collector en kan er dus geen te hoge druk ontstaan. De eerste keer nadat de temperatuur in de collector weer goed is om geen te hoge druk te hebben, zal de vloeistof uit het leegloopvat weer in de leidingen gepompt worden. Een tweede probleem zou kunnen zijn, is dat als de zon niet schijnt of niet krachtig genoeg dat je dan geen warm water zou kunnen verkrijgen. Dit werd dan eenvoudig opgelost door een extra verwarmer erbij te zetten, namelijk een naverwarmer.


7

2 De autonome zonneboiler 2.1 Inleiding De autonome zonneboiler of anders genaamd de zelfstandige zonneboiler kunnen we opsplitsen in 2 delen. We kunnen het splitsen in een sanitair gedeelte en een elektrisch gedeelte. Het sanitaire gedeelte kunnen we heel goed vergelijken met dat van de gewone commerciële zonneboiler. Maar sommige onderdelen werden zelf gemaakt of werden er andere dingen gebruikt omdat het een proefproject is. Zo werd er voor de boiler gewoon een kunststoffen ton voorzien. Het elektrische deel zorgt ervoor dat alles autonoom kan werken. Zo wordt het hele systeem automatische geregeld en gestuurd. Het hele systeem kan dus volledig werken met enkel de energie die we krijgen van de zon. Deze energie wordt wel omgezet naar andere energievormen. Zo wordt de opgewekte elektrische energie opgeslagen in batterijen.

2.2 Schema Op onderstaande schema (fig. 2.2.1) zie je het elektrische en het sanitaire schema. Hier zie je waar er overal sensoren en detectoren zitten. We zien dat er sensoren zitten in de zonnecollector, de boiler en in de hete luchtverwarmer. De detectoren werden geplaatst bij 2 kranen. Verder zijn er 2 elementen van onze sanitaire kring die moeten voorzien worden van een spanning. Deze zijn de pomp en de ventilator van de luchtverwarmer. Op dit schema zien we ook waar de koude en warme vloeistof vloeit.


8

Fig. 2.2.1: Elektrisch + sanitair gedeelte


9

3 Onderdelen sanitair gedeelte 3.1 Inleiding Het schema van het sanitaire gedeelte ( fig. 3.1.1 ) kan heel goed vergeleken worden met het schema van commerciële zonneboiler. De onderdelen die we hierin hebben zijn voor het grootste deel hetzelfde als bij de commerciële. Het belangrijkste onderdeel of het hart van het sanitair gedeelte is de zonnecollector. Deze zorgt ervoor dat we doormiddel van de zon het water in onze boiler kunnen verwarmen. Andere onderdelen die noodzakelijk zijn om alles te doen werken zoals het hoort, zijn het expansievat, de circulatiepomp en natuurlijk de boiler met daarin een warmtewisselaar. Bij het expansievat werd er ook een manometer geplaatst om de druk te kunnen aflezen. Het sanitair gedeelte werd ook nog voorzien van kranen, snelkoppelingen en een terugslagklep. Om de vloeistof in onze leidingen te brengen werd er een vat voorzien. Hierbij werd er een ontluchter geplaatst om de lucht uit onze leidingen te krijgen. Om de vloeistof uit de leidingen te laten vloeien, werd er een aflaatkraan voorzien. Het systeem kan worden overgeschakeld van warm water naar warme lucht. Hiervoor hebben we dus ook nog een warmtewisselaar. Al deze onderdelen werden verbonden door koperen buizen met buitendiameter van 15 millimeter.


10

Fig. 3.1.1: Schema sanitair gedeelte


11

3.2 De zonnecollector 3.2.1 Inleiding

De zonnecollector ( fig. 3.2.1.1 ) is een apparaat die de energie van de zon omzet in warmte. De collector bestaat uit leidingen waarin zicht een vloeistof bevindt die opwarmt en deze warmte afgeeft in de boiler, zodat je daar warm water verkrijgt.

Fig. 3.2.1.1: De zonnecollector

3.2.2 Werking

De zonnecollector kunnen we een beetje vergelijken met een waterslang die we gedurende de hele dag in de zon laten liggen. Het water zal op het einde van de dag een aangename temperatuur hebben. Ook kan je het goed vergelijken met een radiator dat je zwart schildert. Op bovenstaande figuur ( fig. 3.2.1.1.) zien we dat de zonnecollector uit verschillende onderdelen bestaat. Zo hebben we de koperen buizen waarin er een vloeistof wordt gegoten. Boven deze koperen leidingen bevindt er zich een zwarte plaat. Dit materiaal absorbeert de zonnestralen en warmt zo op. Deze geeft de warmte af aan de vloeistof die loopt door de koperen leidingen. De koude vloeistof komt langs de onderkant toe in de collector en de opgewarmde vloeistof vertrekt langs de bovenkant


12

( fig. 3.2.1.2 ). Dit kunnen we verklaren door dat warm water een lagere dichtheid heeft en zo het warm water naar boven stijgt.

Fig. 3.2.1.2: De stroomzin

3.2.3 Onze zonnecollector

De collector bestaat uit een houten bak met daarin buizen. De afmetingen van de houten bak zijn 130 cm op 130 cm met een hoogte van 20 centimeter. Er moest worden gezorgd dat de warmte in de bak bleef. Hiervoor maakten we gebruik van een dikke laag isolatie. Er werd gewerkt in verschillende isolatielagen. Langs onderen in de bak werd er een laag van 4 cm glaswol gelegd. Er boven een laag van 4 cm polyurethaan en daarop nog eens en gipsplaat van 1 cm. ( fig. 3.2.3.1.)

Fig. 3.2.3.1: Doorsnede zonnecollector

Om een goed isolatiemateriaal te zijn moeten deze een lage warmtegeleidingcoëfficiënt hebben. De warmtegeleidingcoëfficiënt is een waarde die aangeeft hoe goed een stof warmte geleidt. Hoe lager deze waarde is hoe beter dat het materiaal isoleert. Van de materialen dat wij gebruiken zijn deze waarden verschillend. Van de glaswollaag is deze De autonome zonneboiler

13

waarde gelijk aan 0,040 W/ (m.K). De laag polyurethaan isoleert nog beter want de waarde is lager en gelijk aan 0,028 W/ (m.K). De bovenste laag isolatie is een gipsplaat. Hiervan is de warmtegeleidingscoëfficiënt gelijk aan 0.52 W/ (m.K). Op deze isolatielaag bevindt de warmtewisselaar zich. De warmtewisselaar van de collector werd gemaakt uit koperen leidingen van 15 mm. Er werd voor 12 meter buis gebruikt om de collector te maken. De leidingen werden verschillende malen van boven naar beneden gebracht in de collector. Achter dit buizennetwerk werd er een koperen plaat gesoldeerd. Dit om nog meer zonnestralen op te vangen. ( fig. 3.2.3.2. )

Fig. 3.2.3.2: Warmtewisselaar collector

Koper is namelijk een zeer goede warmtegeleider. Dit gedeelte werd volledig zwart geverfd. Dit omdat zwart veel meer warmte absorbeert dan lichter kleuren. De hele binnenkant van de houtenbak werd ook nog eens zwart geschilderd. Om nog meer de warmte vast te houden in de bak. Langs boven ligt er een glazen plaat op, ter bescherming van de warmtewisselaar.


14

3.2.4 Formules in verband met de warmtegeleidingscoëfificiënt (λ)

•

λ = λ0 (1+ aT)

(3.2.4.1)

λ = warmtegeleidingscoëfficiënt ( W/m.K) λ0 = de geleidbaarheid bij 0°C a = een constante afhankelijk van het materiaal θ = de temperatuur ( °C) •

Q = - λ (∆T/dx)

(3.2.4.2)

Q = de warmteoverdracht (W of J/s) λ = warmtegekeindingscoëfficiënt (W/m.K) ∆T = temperatuursverschil (K) dx = dikte van het materiaal (m)

3.2.5 Oriëntatie voor de zonnecollector

Bij de plaatsing van de zonnecollector is de oriëntatie ook van belang. De beste richting is tussen het zuidoosten en het zuidwesten. Daar levert je zonnecollector de hoogste opbrengst. Maar ook de helling op je dak speelt een rol bij de plaatsing van een zonnecollector. Het ideale dak zou een helling hebben van ongeveer 20°, maar ook als je een plat dak hebt heb je een goeie opbrengst. Hoe steiler je gaat hoe minder opbrengst je zult hebben. (fig. 3.2.4.1 )

Fig. 3.2.4.1 : De beste hoek voor de plaatsing van de collector De autonome zonneboiler

15

3.2.6 Tips tijdens het plaatsen van je collector

Je moet natuurlijk ook altijd zorgen of nagaan dat je collector niet wordt beschaduwd door naburige of toekomstige objecten zoals groeiende bomen en hoge gebouwen. Zorg er ook voor dat je collector en je boiler niet te ver van elkaar gelegen zijn, want zo zou je grote warmteverliezen hebben via de leidingen. En dit kan ook de bedoeling niet zijn.

3.3 Het expansievat 3.3.1 Inleiding

We gebruiken een expansievat (fig. 3.3.1.1) om de uitzetting van onze vloeistof te kunnen opvangen. Als een vloeistof wordt opgewarmd, weten we dat de vloeistof zal uitzetten. Als we dit niet opvangen door middel van een expansievat dan zal de druk in de leidingen vergroten, wat niet goed zou zijn voor onze leidingen.

Fig. 3.3.1.1: Het expansievat

3.3.2 Werking

Een expansievat kan werken op 2 manieren. Ofwel gebeurt dit door middel van een membraam of doormiddel van een balg ( fig. 3.3.2.1 ). Op de figuur zie je aan de linkerkant het expansievat die werkt door middel van een membraam. Aan de rechterkant zie je er een met een balg. Dit is eveneens het vat dat wij gebruiken.


16

Fig. 3.3.2.1: Verschillende werking expansievaten

Het expansievat wordt in 2 ruimtes gescheiden door middel van de balg. De ene ruimte is voor het water, in ons geval voor antivries, en de andere ruimte is voor het drukgas. Als de temperatuur van onze vloeistof opwarmt zal het volume van de vloeistof vergroten. Dit moet worden opgevangen want anders zou er een grote drukvorming in onze leidingen ontstaan. Als het antivries uitzet zal dit worden opgevangen door onze balg. De balg zal uitzetten naarmate de temperatuur stijgt. Rond de balg is het volume opgevuld met een gas. Wij maken gebruik van gewone luchtdruk. Wanneer onze vloeistof weer afkoelt dan zal doormiddel van de luchtdruk rond de balg de vloeistof die erin zit terug de leidingen ingestuurd worden. Op onderstaande figuur zien we nogmaals de werking van een expansievat met een balg ( fig. 3.3.2.2 ).

Fig. 3.3.2.2: Werking met balg


17

We zien dat we het vat moeten voorzien van een minimumdruk. We noemen deze druk de voordruk. Dit is de druk die er moet zijn voor het expansievat gevuld wordt. Als er leidingen boven het expansievat zouden zijn, zou er al een druk gevormd zijn. Deze mag namelijk nog niet in de balg opgenomen worden. Dit wordt dus opgevangen door een voordruk in het expansievat te voorzien. De voordruk kan dus bepaald worden door de hydrostatische druk. Deze wordt bepaald door de formule: Pstat= ρ.h.g

(3.3.2.1)

met Pstat: hydrostatische druk (Pa) ρ:

massadichtheid (kg/m³)

h:

hoogte (m)

g:

valversnelling (m/s²)

3.3.3 Onderdelen van het vat

Het expansievat bestaat uit verschillende delen ( fig. 3.3.3.1 ). Eerst en vooral hebben we het vat zelf (1). Het vat is gemaakt van staal. Het vat wordt perfect dichtgelast zodat er geen gas kan ontsnappen. Een ander onderdeel is het gasvulventiel (2). Langs dit ventiel wordt er luchtdruk rond de balg ingevoegd. Het onderdeel die het expansievolume opvangt is de balg (3). Deze is gemaakt uit butylrubber. Dit is rubber met een extreem gasdicht en bestendig materiaal zodat het een lange levensduur heeft. De opening van de zak moet langs een uitgang van het vat aangesloten zijn aan de leiding (4). Doordat al een deel ingevuld is door de balg zal het andere gedeelte moeten bestaan uit een gas/luchtruimte (5). Omdat de druk kan stijgen moeten we zorgen dat de uiteinden van de balg niet van de aansluiting afspringt. Daarom is de balg ingeklemd (6).


18

Fig. 3.3.3.1: Onderdelen expansievat

3.4 De circulatiepomp Zie 4.6

3.5 Boiler met warmtewisselaar 3.5.1 Inleiding

De boiler wordt gesimuleerd door een kunststoffen ton met een capaciteit van 40 liter. Daarin is er een warmtewisselaar voorzien. Met de boiler willen we enkel warm water krijgen.

3.5.2 Werking

De kunststoffen ton wordt voorzien van een hoeveelheid water. Het is de bedoeling dat dit water opgewarmd wordt. Om dit te kunnen doen moet er dus iets zijn, die zijn warmte afgeeft. Dit gebeurt via de warmtewisselaar ( fig. 3.5.2.1 ). We gebruiken onderstaande warmtewisselaar omdat deze een groot oppervlakte heeft die in contact komt met het water uit de boiler en zo het water rapper opwarmt. We kunnen hem vergelijken met een De autonome zonneboiler

19

radiator. Door de warmtewisselaar loopt de vloeistof die opgewarmd werd in de zonnecollector. In de boiler wordt deze warmte weer afgegeven. Als de vloeistof in de boiler warmer is dan in de collector heeft het geen nut meer dat de pomp verder circuleert, zo warmt de vloeistof op via de boiler en geef je deze warmte weer af via de collector. Om dit te verkomen werd er een regeling gemaakt die door middel van de temperatuur in de boiler en de temperatuur in de zonnecollector de pomp laat circuleren of niet. De warmtewisselaar moet langs onderen in de ton geplaatst worden omdat het warme water altijd stijgt en het koude langs onder blijft. Dit omdat de massadichtheid van warm water kleiner is dan deze van koud water.

Fig. 3.5.2.1: Onze warmtewisselaar

3.6 Hete luchtverwarmer 3.6.1 Inleiding

De hete luchtverwarmer ( fig. 3.6.1.1 ) kunnen we vergelijken met de boiler. Alleen willen we nu niet warm water bekomen maar willen we warme lucht. Hiermee kunnen we dan een ruimte verwarmen.


20

Fig. 3.6.1.1: Hete luchtverwarmer

3.6.2 Werking

De werking kunnen we eveneens vergelijken met de boiler. Weer wordt er gebruik gemaakt van een warmtewisselaar. De vloeistof, die komt van de zonnecollector, circuleert doorheen de hete luchtverwarmer. Dit keer bestaat de warmtewisselaar uit een buizennetwerk. Op deze buizen zijn plaatjes naast elkander bevestigd ( fig. 3.6.2.1 ). Deze nemen dan de warmte op van de vloeistof die doorheen de luchtverwarmer wordt gepompt. Dit keer wordt de warmte dus niet afgegeven aan water maar wel aan de lucht rondom. De lucht wordt geventileerd doorheen de luchtverwarmer door middel van een ventilator. Deze zorgt ervoor dat er langs onder opnieuw koude lucht wordt binnengezogen en langs boven er weer warme lucht wordt uitgeblazen.

Fig. 3.6.2.1: Warmtewisselaar hete luchtverwarmer


21

3.7 Bolkranen 3.7.1 Inleiding

In het hele systeem werden er 6 bolkranen of anders genaamd kogelkranen (fig. 3.7.1.1 ) geplaatst.

Met

deze

kranen

kunnen

we

de

omschakeling

maken

tussen

de

warmtewisselaar in de boiler en deze van de hete luchtverwarmer.

Fig. 3.7.1.1: Bolkraan

3.7.2 Waarom bolkraan

We gebruikten bolkranen omdat dit meer voordelen heeft ten opzichte van andere soorten kranen. Een eerste voordeel is dat deze kranen de minste weerstand heeft bij het doorstromen van de vloeistof. Een ander groot voordeel is dat het gelijk is hoe je de kraan in de kring plaatst. Het heeft dus geen invloed hoe de vloeistof door deze kraan vloeit. Ook kan je deze kraan vlug open en dicht draaien. Om van open naar dicht te gaan, moet je de hefboom van de kraan 90 graden verdraaien. Als de hefboom evenwijdig staat met de leidingen dan wil dit zeggen dat de kraan openstaat. Als deze evenwijdig is zien we dat de kogel, met het doorgeboorde gat erin, de vloeistof kan door laten stromen. Als de hefboom haaks op de leidingen staat wil dit zeggen dat de kraan dicht is en dat de vloeistof niet kan doorstromen. Als we de kraan willen opendraaien moeten we daarvoor dus 90 graden draaien aan de hendel. Daarvoor moeten we de hendel tegen de wijzers van een uurwerk indraaien. Als we de kraan dichtdraaien is het normaal dat dit omgekeerd is en dus 90 graden met de wijzers in van het uurwerk De autonome zonneboiler

22

moeten draaien. We zien aan de kranen dat we deze maar 90 graden kunnen draaien door het lipje die voorzien is op de behuizing van de kraan ( fig. 3.7.2.1 ). Uit de rode hendel is een hoek van 90 graden uitgesneden waardoor we dus niet verder kunnen draaien.

Fig. 3.7.2.1: Lipje behuizing

3.8 Snelkoppelingen Om de verschillende onderdelen aan elkaar te koppelen werd er gebruik gemaakt van snelkoppelingen. Hiermee kan je iets snel koppelen of ontkoppelen met elkaar. Deze werden geplaatst indien er iets zou kapot zijn dat we dit gemakkelijk kunnen vervangen. Zo moeten we niet beginnen opnieuw te solderen, maar kunnen we dit via enkele moeren los te draaien van de snelkoppelingen ( fig. 3.8.1 )

Fig. 3.8.1: Snelkoppeling


23

3.9 Terugslagklep In de kring hebben we 1 terugslagklep geplaatst. Een terugslagklep zorgt ervoor dat de vloeistof maar 1 stroomrichting heeft. Op het schema van ons is dit aangeduid met de witte pijl, van rechts naar links. De vloeistof mag ook maar langs een kant vloeien, want als je de vloeistof anders laat stromen, zou dit zeer nadelig zijn. Je zou namelijk warmte opnemen vanuit de boiler, en deze afgeven aan de omgeving via de collector. In het assortiment terugslagventielen, heb je verschillende soorten. Hierin heb je onder andere een terugslagklep met kogel of cilinder. In deze soort terugslagklep, heb je nog 2 onderverdelingen. De kogel of cilinder kan al dan niet verbonden zijn met een veer. Indien men een terugslagklep neemt met kogel maar zonder veer, moet men deze altijd verticaal opstellen. Hij zal namelijk vlugger sluiten door zijn eigen gewicht ( fig. 3.9.1 ). Daarnaast heb je ook de terugslagklep, waar aan de kogel een veer is bevestigd ( fig. 3.9.2 ). Een voordeel aan deze terugslagklep ten opzichte van de andere is dat deze wel horizontaal mag bevestigd worden. Een derde soort die besproken is, is de terugslagklep met een hamertje ( fig. 3.9.3 ). Er is wel 1 groot nadeel aan dit terugslagventiel. Indien de hamer te hard dichtslaat, kan je terugslagventiel worden beschadigd.

Fig. 3.9.1: Terugslagklep met cilinder zonder veer


24

Fig. 3.9.2: Terugslagklep met cilinder met veer

Fig. 3.9.3: Terugslagventiel met hamer

3.10 Vat om te vullen met ontluchter Om het hele systeem te vullen werd er langs de bovenkant een vat geplaatst om de vloeistof er te laten inlopen. Hiernaast moesten we een ontluchter voorzien zodat alle lucht uit de leidingen kan ontsnappen ( fig. 3.10.1). Ook kunnen we de ontluchter gebruiken als we het hele systeem weer willen laten leeglopen. Zo zal het vlugger gaan om de vloeistof uit de leidingen te laten lopen. Voor dit leeglopen werd er ook nog een kraan voorzien langs onderen aan het systeem ( fig. 3.10.2 ). Dit kunnen we vergelijken met een fles water dat je wil leeggieten. Het zal vlugger gaan als je langs de onderkant van de fles een gaatje maakt. Het vat heeft een diameter van 13 centimeter en een hoogte van 17 centimeter. Om het hele systeem te vullen moest dit 2 keer helemaal gevuld zijn. Dit twee maal tot op 2 cm van boven.


25

Fig. 3.10.1: Vat om te vullen met ontluchter

Fig. 3.10.2: Aflaatkraan

3.11 Leidingen en vloeistof Alle onderdelen werden verbonden met koperen leidingen. In totaal werd er ongeveer 30 meter van gebruikt. De verbinden werden gemaakt door koppelstukjes. Deze stukjes worden langs beide kanten over de koperen buizen geschoven en dan wordt dit door middel van hardsoldeer vast bevestigd. Dit is opwarmen met een gasvlam en dan met tin mooi dicht laten vloeien. De vloeistof die werd gebruikt, is antivries van het automerk Mitsubishi. In totaal hebben we hier ongeveer 4 liter van moeten gebruiken.


26

4 Onderdelen elektrisch gedeelte 4.1 Inleiding Zoals bij het vorig hoofdstuk bestaat het elektrische gedeelte ook uit verschillende onderdelen. Zo hebben we hier als onderdelen het zonnepaneel, de laadregelaar, de batterijmonitor, de temperatuurregelaar, 2 batterijen, de inverter en de PLC. Ook hebben we de circulatiepomp en de ventilator van het verwarmingstoestel die voorzien moeten worden van elektriciteit.

4.2 Uitleg van het schema elektrische gedeelte Het schema van het elektrische gedeelte bestaat uit verschillende onderdelen om het hele systeem te doen werken. In deze schakeling is het belangrijkste onderdeel het zonnepaneel. Deze zet de zonnestralen om in elektriciteit. De elektriciteit opgewekt door het zonnepaneel wordt opgeslagen in 2 batterijen. Dit gebeurd door middel van een laadregelaar. De batterijen worden gecontroleerd door een schakeling die zelf ontworpen werd. Op de printplaat staan verschillende ledjes waarmee we ongeveer kunnen zien hoeveel spanning er nog over de batterij staat. Ook zijn er 2 relais die signalen geven aan de PLC die deze dan verwerkt en zo de laadregelaar laat werken als de gewenste voorwaarden voldaan zijn. Er wordt altijd één batterij opgeladen terwijl de andere wordt gebruikt. De omschakeling tussen de batterijen wordt geregeld door de PLC. De omvormer, die onze batterijspanning omzet naar een wisselspanning, staat altijd achter de batterij die wordt gebruikt. Deze wisselspanning voorziet de circulatiepomp, PLC en de ventilator van een spanning van 230 volt. Omdat onze ingangs- en uitgangskaart van de PLC een gelijkspanning nodig heeft van 24 volt hebben we de wisselspanning weer gelijkgericht. De temperatuurregeling wordt voorzien van de gelijkspanning die we rechtstreeks krijgen van de batterijen.


27

In bijlage 1 kun je nog eens het hele elektrische schema zien.

Blad 1 van 9 Hier krijgen we een spanning nadat ze werd omgevormd. Deze voedt de pomp en de ventilator. Voor deze staat er steeds een contact van een relais. We zien ook nog een transformator met een diodebrug erachter. Na de diodebrug krijgen we hier een spanning van 24 volt DC.

Blad 2 van 9 Hier zien we de 4 relais die we gebruiken. Voor iedere relais staat er een contact van de uitgangskaart van de PLC. Dit omdat er zou kunnen geregeld worden. Relais 1 (K1) zorgt voor de omschakeling bij het laden van de batterijen, relais 2 (K2) voor de omschakeling bij het ontladen van de batterijen, relais 3 (K3) aanschakelen pomp en relais 4 (K4) aanschakelen ventilator.

Blad 3 van 9 Op dit gedeelte van het schema zien we het zonnepaneel met de laadregelaar. We zien ook de 2 batterijen met ervoor een schakelaar. Deze zorgt ervoor dat alles kan afgelegd worden. We zien ook nog de omvormer die de batterijspanning omzet in 230 V AC.

Blad 4 van 9 Hier zien we hoe de PLC gevoed wordt. De PLC zelf wordt voorzien van een wisselspanning van 230 volt.

Blad 5 van 9 We zien dat de PLC 5 uitgangen heeft. Tweemaal voor de keuze van de batterij, de pomp, ventilator en keuze voor sensor. Deze keuze is tussen hete luchtverwarmer en boiler. De uitgangskaart wordt voorzien van 24VDC.

Blad 6 van 9 De PLC heeft heel wat meer ingangen. Zo hebben we al vier ingangen van de detectoren die de stand van de kraan geven. Deze ingangen geven een signaal wanneer de detectoren metaal detecteren. Een contact van een relais (K6) die afkomstig is van de temperatuurregeling. Een drukknop waarmee de keuze van sensor willen veranderen en nog

vier

contacten

van

een

verschillende

relais

die

afkomstig

zijn

van

de

batterijmonitoren. De ingangskaart wordt ook weer gevoed met 24 V DC.

Blad 7 van 9 De schakelkast werd langs onderen voorzien van X-Klemmen. Op deze X-klemmen zijn al de draden aangesloten die van buitenaf komen. We zien telkens waar deze klemmen zijn op de andere bladen. Telkens aangeduid door X.


28

Blad 8 van 9 Op de printplaat van de temperatuurregeling hebben we een voeding, de drie sensoren en de relais die een ingang is van de PLC.

Blad 9 van 9 Op de batterijmonitor hebben we de twee batterijspanningen. Iedere batterijspanning heeft twee relais. Één die aangetrokken wordt als de batterijspanning laag is en één als deze hoog is.

4.3 De zonnecel 4.3.1 Inleiding

Een zonnecel ( fig. 4.3.1.1 ) heeft meerdere namen. Zo wordt hij ook nog de PV- cel genoemd. PV staat voor Photo- Voltaïsch. Dit is de Engelse verklaring. Als je dit vertaald wordt dit: licht- volt. Een PV- cel zet dus letterlijk licht om in spanning. De elektriciteit die we verkrijgen van ons paneel zullen we opslaan in batterijen. De energie die nu is opgeslagen in de batterijen, zullen we gebruiken om onze pomp en ventilator aan te drijven. Ook zal de hele regeling en sturing op deze energie werken.

Fig. 4.3.1.1: Een zonnecel


29

4.3.1.1 Halfgeleiders Halfgeleiders zijn elementen die uit de 4de a- kolom komen van de tabel van Mendeljev. Tabel van Mendeljev is bijgevoegd in bijlage 2. De meeste elementen die hier gebruikt worden zijn silicium en germanium. Elementen uit de 4de a- kolom wil zeggen dat ze allemaal 4 elektronen hebben op de buitenste schil. Hiermee bedoelen we dan weer dat ze 4 bindingen kunnen aangaan. Deze elementen zullen zich met elkaar binden. Maar indien de temperatuur stijgt, wordt er energie gegeven aan het element, bijvoorbeeld silicium. Al deze energie die gegeven wordt, gaat naar de elektronen. Deze bezitten namelijk al een hoeveelheid energie. Alle elektronen die gebonden zijn aan de kern bezitten een energiewaarde, lager dan de valentieenergie. Het bezit dus een hoeveelheid energie in de valentieband. Indien men nu de temperatuur zal laten stijgen, zal er een toename zijn van energie. Deze energie zal gegeven worden aan de gebonden elektronen. Als men genoeg energie gaat toevoeren, zal het elektron overspringen naar een andere energie niveau. Deze zal namelijk nu meer energie bezitten dan de conductieenergie. Hij bezit dus nu een energiewaarde waarmee hij zich in de conductieband bevindt. De energieniveau’ s tussen deze banden kunnen nooit aangenomen worden door

Verboden zone

elektronen, vandaar de naam: verboden zone. (fig. 4.3.1.1.1 )

Conductie- energie 1.12 eV voor silicium

Valentie- energie Fig. 4.3.1.1.1: De verschillende energiebanden


30

1 eV =

de energie die nodig is om een lading gelijk aan deze van een elektron, te

verplaatsen over een potentiaalverschil van 1 V ( fig. 4.3.1.1.2 ).

elektron

1V Fig. 4.3.1.1.2: 1 eV

Al deze elementen hebben ook wel de naam NTC. Dit wil zeggen dat bij een dalende omgevingstemperatuur hun weerstand stijgt.

4.3.1.2 N- halfgeleiders N- halfgeleiders zijn elementen uit de 5 a- kolom van de tabel van Mendeljev. Elementen zoals: fosfor, arsenicum… Deze krijgen ook wel de naam donoren. Dit omwille van het feit, dat ze gemakkelijk elektronen afstaan. Net zoals bij het voorgaande, staat het kolomnummer voor het aantal elektronen op de buitenste schil van het elementen. Deze elementen zullen 4 bindingen aangaan met siliciumatomen. Het 5de elektron zal nog maar licht aangetrokken worden tot bijvoorbeeld het fosforatoom. Dit wil dus zeggen dat bij een zeer kleine energietoevoeging dit elektron zal los komen. Deze energie komt overeen met 0.013 eV ( fig. 4.3.1.2.1 ). Indien dit elektron vrij komt, zal het fosforatoom positief geladen worden.


31

0.013eV

Conductie- energie Donor- energie

Valentie- energie Fig. 4.3.1.2.1: Donor- energie

4.3.1.3 P- halfgeleiders P- halfgeleiders zijn elementen uit de 3de a- kolom van de tabel van Mendeljev. Elementen zoals boor, indium… De elementen krijgen ook wel de naam acceptoren. Dit omwille van het feit, dat ze 3 elektronen bezitten op de buitenste schil. Boor bijvoorbeeld kan 3 bindingen aangaan. Maar er is nog plaats voor een vierde binding, want voorlopig is er nog een gat of hol vrij. Bovendien streven alle elementen naar de edelgasstructuur. Hierdoor is er opnieuw een lage energiewaarde nodig omdat het booratoom een elektron zou opnemen. De energie waarde is 0.013 eV (fig. 4.3.1.3.1 ). Voor dit extra elektron zal het booratoom een elektron opnemen van een naburig siliciumatoom. Door de opname van een extra elektron, worden de acceptoren negatief geladen.

Conductie- energie

0.013eV

Acceptor- energie Valentie- energie

Fig. 4.3.1.3.1: Acceptor- energie


32

4.3.1.4 PN- junctie Een PN- junctie is het samenbrengen van een P en N kristal. Deze 2 vormen samen een junctiediode. Het contactoppervlak tussen het P en N kristal wordt de PN- junctie genoemd (fig. 4.3.1.4.1 ).

acceptorion

P veel gaten

N

donorion

veel elektronen

vrije holen vrije elektronen

junctie Fig. 4.3.1.4.1: Junctiediode

Het P en het N kristal zijn zelf elektrisch neutraal. De concentratie holen is het grootst in het P- kristal. Omdat de natuur altijd naar evenwicht streeft, is het hier niet anders. Dit wil dus zeggen dat de holen willen verspringen van het P- kristal naar het N- kristal. Daarentegen is de concentratie elektronen het hoogst in het N- kristal. Dus hier zullen de elektronen willen overspringen naar het P- kristal (fig. 4.3.1.4.2 ).

P

N acceptorion donorion vrije holen vrije elektronen Fig. 4.3.1.4.2: De junctiediode

Het gevolg van dit streven, is dat er veel recombinaties plaatsvinden bij de junctie. Een recombinatie betekend dat een elektron een hol of gat opvult. Door dit recombineren zullen er vrije elektronen verdwijnen uit het N- gebied en zal het gebied positief geladen De autonome zonneboiler

33

worden. In het P- gebied daarentegen zullen de hollen worden opgevuld en zo zal het gebied negatief geladen worden. Doordat het P- gebied negatief geladen wordt en het Ngebied positief, zal er hier een potentiaalverschil ontstaan ( fig. 4.3.1.4.3 ). Een potentiaalverschil of anders gezegd een spanning. Deze spanning zal ongeveer rond de waarde van 0.7 V liggen. Men zal nu waarschijnlijk denken, als dit proces van recombineren blijft doorgaan, zal de junctiediode niet plots verzadigd zijn. Wat dan? Wel dit zal echter niet gebeuren. Het P- gebied is nu negatief geladen, dus deze zal de elektronen die dichter van de junctie komen afstoten en zo op afstand houden. Analoog voor het N- gebied die nu positief geladen is. Deze zal ook voorkomen dat de holen dichter komen van de junctie om te recombineren. Zo zal de spanning van 0.7 V behouden worden.

V P

N

Fig. 4.3.1.4.3: Potentiaalverschil over de junctiediode

4.3.2 Werking van de zonnecel

Een zonnecel is een junctiediode waar het N- gebied bovenaan ligt. Het zonlicht zelf zal dus opgevangen worden door het N- gebied. Zonlicht bestaat uit energiepakketjes die ook fotonen worden genoemd. Deze energiepakketjes vallen in op de zonnecel. Aangezien het N- type aan de bovenzijde ligt van de zonnecel, zal deze energie worden gegeven aan de meerderheidsladingsdragers

in

het

N-

type.

In

het

N-

type

zijn

de

meerderheidsladingsdragers elektronen, deze bezitten meer energie dan de conductie energie. Daarentegen heb je ook nog elektronen die gebonden zijn aan de kern. Deze De autonome zonneboiler

34

elektronen bezitten een energiewaarde kleiner dan de valentieenergie. Als men nu energie (zonlicht) gaat toevoeren aan de elektronen die aan de kern zijn gebonden, zullen deze meer energie gaan bevatten dan de valentie energie. Deze zullen uiteraard niet kunnen blijven zitten en dus zo overspringen naar de conductie energie. Nu zijn de elektronen vrij en bewegen ze om andere kernen heen. Zo wordt er dus een stroom opgewekt door een zonnecel. De energie van het elektron zal normaal afnemen, en het elektron zal zo terugkeren naar de valentieband. Dit wil dus ook zeggen dat het elektron opnieuw zal gebonden worden aan een kern. Maar aangezien de zon meestal een constante energiebron is zal deze voortdurend energie aanvoeren. Zo zullen er meer elektronen tegelijk kunnen overspringen naar de conductieband. Hoe meer zon => hoe meer licht => hoe meer energie => hoe meer elektronen die kunnen overspringen naar de conductieband. Hoe meer elektronen die er overspringen hoe meer stroom men geeft. Men weet ook uit het vorige puntje dat een junctiediode een spanning levert van 0.7 V. De stroom en spanning zijn dus relatief klein. Vandaar dat men in 1 zonnecel meerdere junctiediodes in parallel en in serie zet om toch een behoorlijke spanning en stroom te bekomen.

4.3.3 Oriëntatie

Het blijkt dat de optimale helling voor België en Nederland 37° is ten opzichte van het aardoppervlak. Het beste zoveel mogelijk naar het zuiden gericht. Je zou nog een hoger rendement hebben als je paneel zou laten meedraaien met de zon.

4.3.4 Toepassingen

4.3.4.1 Ruimtevaart en ruimtetuigen De eerste PV-cellen werden in de jaren 1950 ontwikkeld omdat men in de ruimte een energiebron wilde hebben ( fig. 4.3.4.1.1 ). Men maakt daarbij gebruik van de groeiende technologie over de transistor. Het probleem was dat de opbrengst maar een paar procent van de opvallende zonne-energie was. Ook hadden ze al snel veel schade in de ruimte door het hoge stralingspeil. Men keek ook voorbij het feit dat er in het produceren van zo’n cel enorm veel energie gestopt moest worden. Je moest de cel ook erg lang gebruiken tegen dat je er voordeel kon uithalen. Maar voor de ruimtevaart was dit geen


35

probleem. Ook voor communicatiesatellieten heeft men een energiebron nodig en zonnecellen zijn daarvoor het perfecte oplossingsmiddel, als je ook weet dat zonnepanelen geen onderhoud vereisen. De ruimtetuigen zijn dan ook uitgerust met de meest efficiënte, heel complexe en de duurste panelen. Deze panelen zijn te duur om op aarde te gebruiken, maar voor satellieten en andere ruimtetuigen geeft dat niet.

Fig. 4.3.4.1.1: Zonnepanelen in de ruimte

4.3.4.2 Aardse toepassingen Er wordt ook meer een meer gebruik gemaakt van zonne-energie in de leefomgeving zelf. Ze zijn natuurlijk ook al een stuk verbeterd in vergelijking met de eerste cellen. Zonnecellen worden veel toegepast op plaatsen waren er geen netstroom voorzien is, of op een afgelegen plaats, zoals bijvoorbeeld: een oase in de woestijn, een berghut in de Alpen… Allemaal stuk voor stuk plaatsen waar het veel te duur is om een hoogspanningsleiding te plaatsen. Ook toestellen met een laag verbruik worden voorzien van zonnecellen zoals zakrekenmachines, polshorloges en tuinverlichting, maar ook toestellen

die

iets

meer

verbruiken

worden

voorzien

van

zonnecellen

zoals:

parkeermeters, praatpalen, verkeerssignalisatie. Ook meer en meer worden huizen voorzien van zonnepanelen. Deze elektriciteit kan dan gebruikt worden binnenshuis en daar waar men energie te kort komt, kan men gebruik maken van het net.


36

4.3.5 Nadelen van zonne-energie en zonnecellen

4.3.5.1 Zonne-energie is momenteel nog zeer duur. Vooral de productiekosten zijn hoog in vergelijking met de opbrengst. Daarom breekt zonne-energie niet zo gemakkelijk door. Maar elk jaar daalt de prijs drastisch, dus in de toekomst zou de prijs minder mogen doorwegen. Ook al omdat olie, gas en andere fossiele brandstoffen duurder zullen worden op lange termijn. Maar dankzij de subsidies is het toch nog interessant om zonnepanelen te installeren op je dak.

4.3.5.2 Een zonnecel produceert enkel elektriciteit als de zon schijnt. Maar er is veel elektriciteit nodig als de zon niet schijnt. Zoals bijvoorbeeld: verlichting, verwarming… Men zou dus ook een goed systeem moeten kunnen ontwikkelen om de overige zonne-energie op te kunnen slaan in een soort buffer tot men ze nodig heeft.

4.3.5.3 Om sommige zonnecellen te produceren heeft men milieuvervuilende producten nodig zijn. Maar de milieuvervuiling die erdoor wordt veroorzaakt is echter te verwaarlozen in vergelijking met de milieuwinst die de zonnecellen opleveren.

4.3.5.4 Als een zonnecel beschadigd raakt werken de andere ook niet meer. Als er één zonnecel van de fotovoltaïsche module kapot is moet het hele paneel vervangen worden. Dit is te verklaren doordat zonnecellen in serie staan.

4.3.6 Het rendement van een zonnecel

Een zonnecel wordt meestal gemaakt van één bepaald (halfgeleider) materiaal, bijvoorbeeld silicium. Zo’n materiaal is niet voor alle kleuren licht even gevoelig en een deel van het zonlicht gaat er zelfs dwars door heen. Anders gezegd: een zonnecel werkt optimaal voor één kleur licht. Licht wat “te rood” is gaat er doorheen (wordt niet


37

geabsorbeerd) en wordt dus helemaal niet benut, licht wat “te blauw” is wordt maar voor een deel benut.( fig. 4.3.6.1 )

Fig. 4.3.6.1: Nuttig zonlicht

Dit is beter te begrijpen wanneer we ons realiseren dat licht bestaat uit energiepakketjes (fotonen) ( fig. 4.3.6.2 ).

Fig. 4.3.6.2: Het elektromagnetisch spectrum


38

De energie van het pakketje bepaalt de kleur van het licht. Om een elektron in het materiaal los te maken, is het nodig dat het foton een minimale energie heeft. Is de energie te laag, dan wordt geen elektron losgemaakt. Is de energie hoger dan het benodigde minimum, dan wordt het overschot aan energie afgegeven in de vorm van warmte. Op die manier gaat ongeveer 55% van de energie in het licht verloren, zodat nog 45% resteert. Wanneer een elektron eenmaal is losgemaakt, heeft het de neiging weer terug te vallen naar zijn oude toestand (recombineren). Dit is zelfs in het beste materiaal niet helemaal te voorkomen en zorgt ervoor dat het rendement van een ideale, enkelvoudige cel niet hoger kan zijn dan ongeveer 30% (voor materiaal met een optimale kleurgevoeligheid). De allerbeste (onbetaalbare) kleine zonnecellen hebben een rendement van 25% in het laboratorium. In commerciële productie wordt 6-16% gehaald. Dit grote verschil is een gevolg van het gebruik van goedkopere materialen (lagere kwaliteit en niet-optimale kleurgevoeligheid), van goedkopere fabricageprocessen en van de grotere oppervlakte van de cellen en de modules. Er zijn twee methoden om het rendement van zonnecellen ter verhogen boven het genoemde maximum van 30% voor een enkelvoudige cel. In de eerste plaats kan de kleurgevoeligheid worden verbeterd door twee of drie verschillende materialen te stapelen. We spreken in zo’n geval van een tandem. De kleurverliezen nemen dan af van 55% naar ongeveer 40-45%, zodat 55-60% van de energie resteert. De gevolgen van recombinatie kunnen worden verminderd door domweg meer elektronen los te maken (“de pomp harder zetten terwijl het lek gelijk blijft”). Dit kan door de cel te belichten met geconcentreerd zonlicht (bijvoorbeeld 100x) onder een soort lens of met spiegels. In combinatie met het gebruik van een drievoudige tandem geeft dit een theoretisch maximum rendement van ongeveer 50%. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit soort heeft een rendement van 33%. De cellen die nu momenteel verkrijgbaar zijn met het hoogste rendement zijn:

monokristallijn silicium (fig. 4.3.6.3) met een rendement van 13-16%

Fig. 4.3.6.3: Monokristallijn silicium


39

multikristallijn silicium (fig. 4.3.6.4) met een rendement van 12-14%

Fig. 4.3.6.4: Multikristallijn silicium

4.3.7 Het kleur van een zonnecel

De kleur van de zonnecellen worden bepaald door de antireflectie laag die wordt aangebracht op het silicium. Het is eigenlijk de dikte van de reflectie laag die de kleur bepaald van je zonnecel. Bij de optimale dikte oogt je zonnecel blauw. Dus om een andere kleur te bekomen wordt de dikte aangepast ( fig. 4.3.7.1 ). Deze anti-reflectielaag, is een enkele miljoenste millimeter dunne, transparante laag, die opbrengstverliezen door weerkaatsing van het zonlicht tegengaat. Licht dat door het oppervlak van de zonnecellen wordt gereflecteerd kan niet worden opgevangen, waardoor minder stroom wordt omgezet. De anti-reflectielaag zorgt vandaar voor een verhoogde opname van zonlicht en zodoende een hogere werkingsgraad.

Fig. 4.3.7.1 : Soorten kleuren van een zonnecel


40

4.3.8

Onderverdeling van fotovoltaïsche cellen

Zonnecellen (fig. 4.3.8.1 ) die gegroepeerd staan heet een module (fig. 4.3.8.2 ). De zonnecellen staan hier allemaal in serie. Deze modules kunnen ook gegroepeerd worden tot strings (fig. 4.3.8.3 ) . Deze strings worden ook in serie met elkaar gezet.

Fig. 4.3.8.1: Zonnecel

Fig. 4.3.8.2: Module

Fig. 4.3.8.3: Strings


41

4.3.9 Metingen op ons zonnepaneel.

We hebben metingen gedaan met ons zonnepaneel op woensdag 28 maart 2007. We deden deze metingen eens toen het bewolkt was, toen de zon scheen om 10 uur en tenslotte nog eens dat de zon scheen om 11 uur 30.

Meetopstelling

Fig. 4.3.9.1: Meetopstelling

Metingen onder een hoek van 45° Spanning (V)

Stroom (mA)

20

0

500

19,2

195

400

18,8

250

18,3

300

17,7

350

16,3

400

14

450

6

470

Tabel 4.3.9.1: Meetresultaten

stroom (mA)

Bewolkt 45°

300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.3.9.2: Meetresultaten in een grafiek


42

Spanning (V)

Stroom (mA)

20,9

0

20,5

220

1400

20,5

250

1200

20,3

300

20,2

350

20,1

400

19,8

450

200

19,6

500

0

19

550

18,6

600

18,2

650

18,8

700

19

750

18,9

800

19,9

850

18,7

900

18,6

950

18,4

1000

17,4

1100

15,5

1200

1,4

1300

stroom (m A)

Zon 45°(10u)

1000 800 600 400

0

5

10

15

20

25

spanning (V)


Tabel 4.3.9.2: Meetresultaten In de grafiek zien we een onaardige vorm . Deze vorm kunnen we verklaren doordat de intensiteit van de zon plots veranderde.


43

Spanning (V)

Stroom (mA)

20,3

0

20

210

19,8

310

19,6

500

19,3

750

18,9

1000

18,6

1240

18,2

1500

17,6

1750

16,8

2000

14,6

2260

1,2

2360

Zon 45° (11u30) 2500

stroom (mA)

2000 1500 1000 500 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)



De drie metingen van 45° samen

Stand paneel: 45° 2500

Stroom (mA)

2000 bewolkt

1500

10u 1000

11u 30

500 0 0

5

10

15

20

25

Spanning (V)

Fig. 4.3.9.5: Stand paneel 45° └► Als we de drie metingen, met een hoek van 45° ( fig. 4.3.9.5 ) samen zetten, kunnen we mooi zien dat de stroom toeneemt naarmate de intensiteit toeneemt van het zonlicht. Hieruit kunnen we dus mooi besluiten dat de stroom toeneemt naarmate de intensiteit van het zonlicht toeneemt. De autonome zonneboiler

44

Metingen onder een hoek van 90° (verticaal)

Stroom (mA)

20

0

19

200

18,5

250

17,9

300

17

350

15

400

4,5

450

Bewolkt 90° 500 400 stroom (m A)

Spanning (V)

300 200 100 0 0

Tabel 4.3.9.4:Meetresultaten

5

10

15

20

25

spanning (V)


Stroom (mA)

20,6

0

20,3

220

20,2

300

20

400

19,8

500

19,7

600

19,4

700

19,2

800

19

900

18,7

1000

18,3

1100

17,8

1200

16,9

1300

15,3

1400

3,5

1470

Zon 90°(10u) 1600 1400 stroom (m A)

Spanning (V)

1200 1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)




45

Spanning (V)

Stroom (mA)

20

0

19,7

210

19,5

400

19,3

600

19

800

18,7

1000

18,3

1250

17,7

1500

17

1740

14,1

2000

0,9

2100

Zon 90° (11u30) 2500

stroom (mA)

2000 1500 1000 500 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.3.9.8: Meetresultaten in een grafiek Tabel 4.3.9.6: Meetresultaten De drie metingen van 90° samen

Stand paneel: 90°

Stroomsterkte (mA)

2500 2000 bewolkt

1500

10u 1000

11u 30

500 0 0

5

10

15

20

25

Spanning (V)

Fig. 4.3.9.9: Stand paneel 90° └► Zelfde bevindingen als bij de vorige meting ( fig. 4.3.9.9).


46

Metingen onder een hoek van 0° (horizontaal)

Stroom (mA)

20

0

19,1

200

19

250

18,5

300

18

350

17

400

15

450

4,6

500

Bewolkt 0° 600 500 stroom (m A)

Spanning (V)

400 300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Tabel 4.3.9.7: Meetresultaten Fig. 4.3.9.10: Meetresultaten in een grafiek

Stroom (mA)

19,9

0

19,5

210

19,3

300

19

400

18,6

500

18

600

17,1

700

14,1

800

3,7

830


Zon 0°(10u)

stroom (m A)

Spanning (V)

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)



47

Zon 0° (11u30) Spanning (V)

Stroom (mA)

19,5

0

19,3

210

19

400

18,7

600

18,2

810

17,7

1000

16,8

1210

14,6

1420

5,2

1500

1600 1400

stroom (mA)

1200 1000 800 600 400 200 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)



De drie metingen van 0° samen

Stand paneel: 0° 1600 Stroomsterkte (mA)

1400 1200 1000

Bewolkt

800

10u

600

11u 30

400 200 0 0

5

10

15

20

25

Spanning (V)

Fig. 4.3.9.13: Stand paneel 0° └► Zelfde bevindingen als bij de vorige meting ( fig. 4.3.9.13 )


48

Verschillende standen van het paneel om 11u 30

Stroomsterkte (mA)

2500 2000 Stand paneel: 45°

1500

Stand paneel: 90° 1000

Stand paneel: 0°

500 0 0

5

10

15

20

25

Spanning (V)

Fig. 4.3.9.14: Standen paneel └► Als we de drie standen vergelijken zien we dat ons paneel best onder een hoek van 45° staat om een optimale stroom te hebben ( fig. 4.3.9.14 ).

We hielden achteraf ook nog eens ons paneel ondersteboven op een meter van de grond. Toen hadden we nog een spanning van 17V maar kregen we maar een heel kleine stroom. We kunnen hieruit besluiten dat de opgewekte spanning bekomen werd door de weerkaatste zonnestralen van de grond en dat een zonnecel dus lichtgevoelig is.

4.4 Batterijenmonitor 4.4.1 Inleiding Er werd een printplaat gemaakt die de batterijen controleert en tegelijk signalen geeft aan de PLC die zo zorgt dat de batterij opgeladen wordt of dat er moet gestopt worden met verder op te laden. De batterij wordt tegelijk gecontroleerd. Hoe meer spanning erover de batterij staat hoe meer leds er oplichten. Dit werd tweemaal gemaakt. Dit omdat we dus 2 batterijen hebben.


49

4.4.2 Werking Op onderstaand schema ( fig. 4.4.2.1 ) zie je hoe de printplaat is uitgebouwd en uit welke verschillende componenten deze bestaat.

Fig. 4.4.2.1 Schema laadregelaar

Het schema bestaat uit verschillende elementen (voor één batterij): •

15 weerstanden: 3 x 220 Ω ( 0.25 W) (R3, R4 en R5) 5 x 470 Ω ( 0.25 W) (R1, R12, R13, R14 en R15) 5 x 4700 Ω ( 0.25 W) (R6, R8, R9, R10 en R11) 1 x 12000 Ω ( 0.25 W) (R2) 1 x regelbare weerstand 2200 Ω (R7)

•

2 rail-to-rail opamps LMC64 (één LMC64 bevat twee opamps) (OP1 en OP2, OP3 en OP4)


50

•

Leds: 1 x groen (D5) 1 x rood (D2) 2 x geel (D3 en D4)

•

Transistoren: 2 x BC547C (T2 en T3) 2 x TIP31C (T1 en T4)

•

2 relais (spoelspanning = 24 V DC, 3 wisselcontacten, schakelend vermogen = 10 A & 250 V AC ) (K1 en K2)

•

2 vrijloopdiodes ( 1N4007)

•

Zenerdiode 3V3 BZX 85 C

Met de leds kunnen we zien hoeveel spanning er nog over onze batterij staat. Hoe meer leds er gaan branden hoe meer spanning er nog over de batterij staat. We moesten er dus voor zorgen dat we dat bij verschillende spanningniveaus meer of minder leds konden doen branden. Om verschillende spanningen te gaan vergelijken weten we dat een opamp hiervoor het best geschikt is. We zorgden door middel van een zenerdiode dat we aan de negatieve ingang van iedere opamp een constant spanning hadden. In ons geval is dit een spanning van 3,3 volt. Aan de positieve ingang van iedere opamp hebben we telkens een andere waarde zodat we de gewenste verschillende niveaus hadden. Om aan de verschillende opamps een andere spanningswaarde te hebben in vergelijking met de andere moesten we dus tussen twee positieve ingangen van de opamps een weerstand schakelen. Een opamp vergelijkt dan de twee verschillende ingangen ten opzichte van elkaar. Het spanningverschil (Ud) ertussen wordt verkregen door de spanning aan de positieve klem (U1) min de spanning aan de negatieve klem (U2) te nemen ( fig. 4.4.2.2).

U CC

Ud U1 U2

U EE

Fig. 4.4.2.2: Spanningverschil opamp


51

Is dit verschil negatief dan zal de opamp de spanning theoretisch oneindig maar vergroten. Maar het is vanzelfsprekend dat deze spanning niet kleiner kan gaan dan de kleinste waarde die je eraan geeft (Uee). In ons geval is dat een spanning van 0 volt. Omdat wij gebruik maken van rail-to-rail opamps hebben we geen probleem dat ze de minimum spanning niet kunnen geven. Deze rail-to-rail opamps geven dus perfect 0 volt. Omgekeerd geldt hetzelfde. Als het verschil tussen de positieve en negatieve spanning van opamp positief is dan wordt deze ook theoretisch oneindig maal vergroot maar kan weer niet groter zijn dan de maximum batterijspanning (Ucc). In ons geval is deze gelijk aan de batterijspanning. Een opamp kijkt altijd naar de spanning ten opzichte van de ground. Na iedere opamp werd er telkens een transistor geplaatst. In ons geval worden de transistoren gebruikt als schakelaar. Ze werken in saturatie. Er werd gebruik gemaakt van verschillende transistoren. Zo gebruiken we bij de relais de TIP 31C. We namen deze omdat deze een grote stroom kunnen leveren. We weten namelijk nooit welke relais we moeten kunnen aantrekken. Deze transistoren kunnen gaan tot 10 ampère. Bij de 2 gele leds moeten we geen relais aantrekken en hebben we dus andere transistoren genomen. Voor iedere transistor werd er een weerstand geschakeld. Dit om de transistor in saturatie te trekken. Bij elk led werd ook een voorschakelweerstand geplaatst. Om de transistor te doen geleiden moeten we spanning krijgen van de opamp. In ons geval zal dat altijd de batterijspanning krijgen. Als het rode led wordt opgelicht dan trekt de relais ook aan. Deze relais heeft een signaal aan de PLC die hiermee dan rekening houdt dat de batterij opgeladen moet worden. Als de batterij aan het laden is zullen we zien dat er meer en meer leds gaan branden. Dit omdat ons spanningsniveau stijgt. Als het groene led oplicht wordt er ook een relais aangetrokken die dan ook weer een signaal heeft aan de PLC die er dan voor zal zorgen dat de batterij niet meer verder wordt opgeladen.

4.4.3 Berekening voorschakelweerstand

We weten dat een led een stroom trekt van ongeveer 20mA en er een spanning over staat van ongeveer 2V. We rekenen bij een batterijspanning van 12V.

Ur = Ub − Uled = 10V R=

(4.4.3.1)

Ur 10 = = 500Ω I 0,02

Wij namen voorschakelweerstanden van 470 Ω.


52

4.4.4 Niveaus

De verschillende niveaus van de batterijspanning die wij hebben liggen tussen 11,2 volt en 13 volt. Omdat we verschillende leds hebben we dit verschil nog eens opgedeeld. Zo kwamen we aan de volgende niveaus: Rood led licht op bij 11,2 volt 1ste geel led licht op bij 11,8 volt 2de geel led licht op bij 12,4 volt Groen led licht op bij 13 volt

4.5 Temperatuurregeling 4.5.1 Inleiding

Omdat we enkele de vloeistof moeten laten circuleren als de temperatuur warmer is in de zonnecollector dan in de boiler of de hete luchtverwarmer hebben we een schakeling die werkt met deze temperaturen. Deze signalen die we krijgen aan de uitgang worden weer eerst naar de PLC gebracht en deze heeft dan de opdrachten aan de circulatiepomp.

4.5.2 Werking

Het schema van de temperatuurregeling zie je op onderstaande figuur ( fig. 4.5.2.1.). Het schema bestaat weer uit verschillende componenten. Zo hebben we verschillende weerstanden. Ook hebben we hier weerstanden die veranderen afhankelijk van de temperatuur. Een opamp vergelijkt hier weer 2 spanningen.


53

Fig. 4.5.2.1 Schema temperatuurregeling

Op bovenstaand schema zien we dat we gebruik gemaakt hebben van 3 NTC weerstanden. NTC staat voor negatieve temperatuurscoëfficiënt.

Als de temperatuur

stijgt dan zal de waarde van de weerstand dalen. Indien de temperatuur daalt zal de weerstand weer toenemen. Als je weerstandswaarde verandert, verandert de spanning over deze weerstand ook. Hoe groter de weerstandswaarde, hoe groter de spanning erover. Zo komen er verschillende spanningen aan de ingang van onze opamp te staan. Deze vergelijkt de 2 ingangsspanningen en vergroot het verschil ertussen. Het vergroten van dit verschil is theoretisch oneindig, maar in de praktijk komt dit neer ongeveer 100 000 keer. Indien het verschil positief is, ook al is deze waarde zeer klein, zal de opamp dit versterken tot de maximumspanning die de batterijspanning is. Als het verschil een negatieve waarde zou aangeven dan zal dit versterkt worden tot de minimum spanning van 0 volt. De opamp die we hier gebruiken zal niet perfect deze uiterste waarden geven. Omdat de minimum spanning niet 0 volt maar 0,5 volt zal zijn, moeten we zorgen dat het relais niet aantrekt bij deze spanning. Daarom plaatsten we na de opamp een zenerdiode van 3,3 volt. Over deze zenerdiode moet er eerst een spanning van 3,3 V overstaan voor deze geleidt. De transistor dient als schakelaar, hiervoor staat er een weerstand geschakeld. Dit om te zorgen dat de stroom aan de basis van de transistor niet te groot zou worden. Anders zou je hem bijgevolg in saturatie laten werken. De transistor zal geleiden als er een spanning komt te staan aan de basis. Deze spanning komt voort van de opamp. Doordat de transistor geleid zal deze het relais laten aantrekken. Over het relais werd er parallel een vrijloopdiode geplaatst. Parallel over het relais en de vrijloopdiode hebben we ook nog een led geschakeld om te zien of het relais De autonome zonneboiler

54

al dan niet aangetrokken is. Voor het ledje moesten we een voorschakelweerstand plaatsen. Om de schakeling ook handmatig te kunnen bedienen plaatsten we 2 schakelaars. S1 is de NTC die geplaatst werd in de zonnecollector, S2 in de boiler en S3 in de hete luchtverwarmer. De omschaking tussen S2 en S3 gebeurt via een drukknop die de PLC aanstuurt.

4.5.3 Stukkenlijst •

Weerstanden: 3 x NTC 6800 Ω (R4, R5 en R6) 4 x 470 Ω ( 0.5 W ) (R7, R8, R9 en R14) 3 x 4700 Ω ( 0.25 W ) (R2, R3 en R13) 1 x 220 000 Ω ( 0.25 W) (R12) 2 x 10 000 Ω ( 0.25 W) (R10 en R11) 1 x 47 000 Ω ( 0.5 W) (R15) 1 x regelbare weerstand 1000 Ω (R1)

•

Condensator 1 x 100 nF 220V (C1)

•

Opamp 1 x LM 741

•

Diodes: 1 x led (D2) 1 x vrijloopdiode 1N4007 (D3) 1 x zenderdiode 3V3 BZX 85 C (D1)

•

2 wisselschakelaars (S1 en S2)

•

Transistor 1 x BC 547 (T1)

•

1 x relais (spoelspanning = 24 V DC, 3 wisselcontacten, schakelend vermogen = 10 A & 250 V AC ) (K1)

4.6 Circulatiepomp 4.6.1 Inleiding

De circulatiepomp vinden we veelal terug in een netwerk van centrale verwarming. Deze zorgt voor het rond circuleren van de vloeistof in de leidingen. De circulatie gebeurt dan van de verwarmingsketel naar de radiators. Meestal hebben deze pompen een laag vermogen. De reden hiervoor is, dat het enkel de vloeistof doen circuleren is en niet oppompen. Pompen die bedoel zijn om een vloeistof op te pompen hebben veel meer


55

vermogen nodig. Pompen voor circulatie zijn ook meestal, om niet te zeggen altijd, centrifugaal pompen. De circulatiepomp die wij gebruiken is ook een centrifugaalpomp. Vandaar gaan we verder de volledige werking van de centrifugaalpomp bespreken.

4.6.2 Constructie

Een centrifugaalpomp ( fig. 4.6.2.1 ) bestaat voornamelijk uit een pomphuis, een waaier en een motor. Hiernaast heeft men ook nog twee soorten types van centrifugaalpompen. Het natte type en het droge type. Het verschil tussen deze twee is, dat bij een nat type de vloeistof die gecirculeerd wordt ook in en tussen de motor kan. Bij het droge type is dit niet het geval, de vloeistof kan niet bij de motor geraken. Deze soort pompen zijn wel wat duurder vanwege het moeilijk te kunnen dichten. Beide motoren hebben voordelen. Zo heb je bij een nat type een continue koeling voor je motor en door de vloeistof rond de motor heb je ook een demping van het geluid. Een voordeel dan weer voor het droge type is, dat geen vuiligheid van in het water de motor kan doen vastlopen. Denk maar eens aan kalkvorming in het water. Kalkdeeltjes kunnen je motor vastzetten als je deze een tijd niet gebruikt. Ook omdat de motor een laag vermogen en dus een klein koppel heeft om zichzelf los te draaien. Indien je motor vastzit kan dit eenvoudig verholpen worden met aan het uiteinde van de motor eens enkele keer te draaien door middel van bijvoorbeeld een schroevendraaier.

De motor die gebruikt wordt is een asynchrone

motor. Ook een belangrijk onderdeel van een centrifugaalpomp is de waaier. Dit is een soort van schroef die dus aan de motor gekoppeld is. Men heeft ook verschillende soorten waaiers. Deze zijn er naargelang de vuiligheid die zich in de vloeistof bevindt. Een gesloten waaier wordt gebruikt bij zuivere vloeistoffen. Deze heeft ook het hoogste rendement. Daarnaast heb je ook een halfopen waaier. Deze is voor vloeistoffen die licht verontreinigd zijn of zandhoudend water. Het rendement is lager, omdat de schoepen het water minder begeleiden. Als laatste heb je ook nog de open waaier. Deze is voor sterk verontreinigde stoffen. Bij deze waaier is het rendement het laagst. Indien men een te grote leidingweerstand heeft voor een centrifugaalpomp met 1 waaier, bestaan er ook centrifugaalpompen met meerdere waaiers. Dit is dan een meertrapscentrifugaalpomp.


56

Fig. 4.6.2.1: Centrifugaalpomp (nat type)

4.6.3 Werking

De naam ‘centrifugaalpomp’ verraad eigenlijk al grotendeels de werking van zo’n pomp. Het heeft dus te maken met de centrifugaal krachten of de middelpuntvliedende krachten. Eerst en vooral weten we dat het water van onderaan komt (fig 4.6.3.1). Door de waaier die ronddraait wordt een centrifugaal kracht ontwikkeld. Hierdoor zal het omringende water naar buiten worden geslingerd. Door dit effect ontstaat er een onderdruk in het midden van de waaier. Hier zal dus nieuwe vloeistof worden aangezogen, die van onderaan komt. Opnieuw door de middelpuntvliedende kracht zal deze naar buiten geslingerd worden, naar boven opnieuw de leidingen in. Men heeft ook constructies waarbij de vloeistof van bovenaan toekomt en weggestuurd wordt naar onder. Een voordeel van deze kan zijn, dat de zwaartekracht minder tegenwerkt, dan dat het water naar boven gestuurd wordt.


57

Fig. 4.6.3.1: Stroomzin door pomp

4.6.4 Type De pomp die wij hebben gebruiken is een Grundfos pomp met het type UPS 25 -60 -180. De 2 letters ‘UP’ in de naam van de pomp staan voor circulatiepomp. De letter ‘S’ die er bij staat heeft aan dat het apparaat elektrisch is. Het getal ’25’ in de naam staat voor de nominale diameter van de aansluitingen voor het aanzuigen en het lossen. De betekenis van ‘60’ is de maximale opvoerhoogte van de pomp uitgedrukt in decimeters. De 180 staat voor 180mm, dit is de inbouwmaat of kortweg de lengte van de pomp. Verder kan deze pomp een druk leveren van maximaal 1 MPa of 10 bar. Ook is terug te vinden dat het water die erdoor gestuurd wordt, maximaal 110°C mag hebben. Dit staat vermeld in de naam TF110. Wat ook af te lezen is, dat de pomp werkt op 230V wisselspanning met een frequentie van 50Hz. Op deze circulatiepomp heeft men ook 3 mogelijke toerentallen. Aangezien het een asynchrone motor is hebben we een condensator nodig als we op een eenfasig net willen werken. Deze waarde is ook terug te vinden op de kenplaat, namelijk 2.5µF. Ook zien we dat deze pomp zich bevind in de veiligheidsklasse IP44. IP staat hier voor International Protection. Na deze 2 letters kunnen er 2 of 3 cijfers volgen. Het eerste is in verband met de stofdichtheid, het tweede met vloeistofdichtheid en het derde met de slagvastheid. Hoe hoger het cijfer, hoe beter het apparaat beschermd is. Ook vindt men terg dat de omgevingstemperatuur maximaal 80°C mag zijn. Deze pomp een maximaal De autonome zonneboiler

58

debiet kunnen leveren van rond de 3.6m³/h. Het pomphuis zelf is gemaakt uit gietijzer, de waaier van de pomp bestaat dan uit composiet.

Stand van de

Het vermogen

De stroom

toerentallen

(W)

(A)

1

45

0.20

2

65

0.30

3

90

0.40

4.6.4.1: Tabel met de standen van de pomp

Druk

Pascal

Pa of N/m²

Temperatuur

Graden Celsius

°C

Elektrische capaciteit

Farad

F

Vermogen

Watt

W

Stroom

Ampère

A

=> 10 000Pa = 1 bar

4.7 Batterijen De spanning die opgewekt wordt door ons zonnepaneel wordt opgeslagen in 2 verschillende batterijen. Er zal altijd een batterij opgeladen worden terwijl de andere wordt gebruikt. De 2 batterijen die wij gebruiken zijn 2 verschillende.

4.8 PLC 4.8.1 Inleiding

PLC is de afkorting voor Programmable Logic Controller ofwel in het Nederlands programmeerbare logische sturing. Dit toestel werkt op basis van het geschreven programma vandaar “Programmable”. Het programma dat geschreven wordt bestaat uit logische functies en wordt bestuurd door logische toestanden, dus “Logic”. Een PLC wordt gebruikt bij het sturen van machines vandaar “Controller”. Een PLC is een elektronisch apparaat dat op basis van de signalen van zijn ingangen, zijn uitgangen regelt en stuurt.


59

Hierdoor zijn de PLC ook een zeer belangrijk onderdeel in de automatisering. Hoe de PLC zijn gegevens inleest hangt af van de geïnstalleerde interfacekaarten en van de veldbus netwerken waarlangs de verschillende apparaten gegevens met elkaar uitwisselen.

4.8.2 Soorten PLC’ s

De eerste is de meest bekende. De traditionele PLC. Deze bestaat uit een CPU, een behuizing en een eigen intern werkgeheugen. Wel worden er meestal insteekkaarten gebruikt als opslaggeheugen, net zoals bij een digitale camera. Een tweede soort is de slot PLC. Deze heeft hetzelfde principe als een traditionele PLC, maar dan bijvoorbeeld op een PCI- kaart die in een PC wordt gestoken. Een derde en laatste soort is de Soft PLC. Dit is een PLC die draait op de software net als een PC. Met een Interfacekaart en drivesoftware communiceert deze met de buitenwereld.

4.8.3 Opbouw van de PLC

Een PLC is opgebouwd uit verschillende elementen ( fig. 4.8.3.1 ). Elk element heeft zijn eigen taak. Zo hebben we de voeding die alle elementen voorziet van stroom. Deze voorziet namelijk alle elementen van 24V DC. Het PLC- programma zelf wordt opgeslagen in het programmageheugen. In het datageheugen daarentegen worden de toestanden van de tellers,timers… opgeslagen. De CPU of processor zorgt voor de verwerking van het programma. Op de ingang kun je allerlei signaalgevers of schakelelementen op aan sluiten. Dit kunnen zowel schakelaars als detectoren zijn. Op de uitgang daarentegen kun je verbruikers aansluiten. Dit zijn dan bijvoorbeeld relais, controlelampjes, contacttoren… Het is wel te verstaan dat deze dan een laag vermogen hebben. Onder de naam programmeertoestel verstaan we meestal een PC. Deze is dan uitgerust met een softwarepakket die aansluit bij het type PLC. Het softwarepakket zelf is te verkrijgen bij de fabrikant zelf. Daarnaast kan het ook zijn dat de fabrikant zelf een programmeertoestel heeft ontworpen om de PLC makkelijk te kunnen programmeren.


60

Voeding Programma geheugen

Data- geheugen

CPU

Ingangen

Uitgangen

Programeertoestel Fig. 4.8.3.1: Opbouw van een PLC

4.8.4 Waarom PLC’ s

Men kan zich nu afvragen waarom er meer en meer PLC’ s gebruikt worden vandaag de dag. We hebben het al eerder vermeld dat deze erg gemakkelijk zijn in de automatisatie. Een PLC regelt en stuurt namelijk zijn uitgangen op basis van zijn ingangen. Een andere is namelijk dat de hele schakelingen met relais zouden verdwijnen. Want een PLC is ten opzichte van dit niet alleen gemakkelijker te installeren, maar ook compacter. Een andere voordeel van een PLC is dat je gemakkelijk aanpassingen kunt doen in het programma. Dit in tegenstelling tot de gehele bedrading van je relaisschakeling opnieuw te schakelen.

4.8.5 Programmeren van een PLC

4.8.5.1 Inleiding In het eindwerk wordt er gebruik gemaakt van een PLC van het type Omron CQM1. Deze zorgt ervoor dat de tijdig gewisseld wordt van batterijen. Ook zal hij controleren met behulp van metaaldetectors of de bolkranen wel degelijk in de ene of de andere stand staat. Hij zal dus met andere woorden beletten dat de vloeistof gecirculeerd wordt indien een bolkraan halfopen of halfgesloten staat. De autonome zonneboiler

61

4.8.5.2 Termen en symbolen bij het programmeren Het programma dat gebruikt wordt bij het programmeren van een PLC van Omron heet syswin 3.4. Indien we een PLC- programma willen overbrengen van de PC naar de PLC, noemen we dit downloaden. Anderzijds spreken we dan van het PLC- programma uploaden als we het overbrengen van de PLC naar de PC. Wat belangrijk is bij de programmatie zijn de kaarten. Zo begint de eerste ingangskaart met de code 000.00 tot 000.15, de tweede kaart met 001.00 tot 001.15. Zo heeft iedere ingangskaart 16 ingangen. De uitgangskaarten daarin tegen beginnen anders. Zo begint de eerste uitgangskaart met 100.00 tot 100.15, de tweede met 101.00 tot 101.15. We zien opnieuw dat we 16 uitgangen hebben. Ook de volgorde bij het plaatsen van een kaart in de PLC behuizing speelt geen rol. In het programma zelf kun je allerlei functies programmeren. Zo heb je onder andere de keep functie wat eigenlijk niets anders is dan een set- reset. Daarnaast heb je ook timers, flankdetectie en tellers. In het programma syswin kan je ook met vergelijkende functies werken. Deze hebben wel al reeds een code vooraf gekregen. Zo is groter dan = 255.05, gelijk aan = 255.06 en kleiner dan = 255.07.

4.8.6 Ingangskaart

Op de ingangskaart ( bijlage 1, blad 6 van 9) zien we dat er tien ingangen zijn. 000.00

detector kraan open 1

000.01

detector kraan dicht 1

000.02

detector kraan open 2

000.03

detector kraan dicht 2

000.04

relais temperatuurregeling

000.05

drukknop om keuze van sensor te bepalen

000.06

Relais batterijmonitor 1 laag batterijniveau

000.07

Relais batterijmonitor 1 hoog batterijniveau

000.08

Relais batterijmonitor 2 laag batterijniveau

000.09

Relais batterijmonitor 2 hoog batterijniveau


62

4.8.7 Uitgangskaart

Op de uitgangskaart (bijlage 1, blad 5 van 9) zien we dat er vijf uitgangen zijn. 100.00 relais om keuze batterij te bepalen die opgeladen wordt 100.01 relais om keuze batterij te bepalen die ontladen wordt 100.02 relais om pomp te bedienen 100.03 relais om ventilator te bedienen 100.04 relais om keuze van sensor te maken


63

4.8.8 Programma PLC


64

Fig. 4.8.8.1: PLC programma

4.9 De omvormer 4.9.1 Inleiding

Om onze gelijkspanning die we gevormd hadden door ons zonnepaneel om te vormen naar een wisselspanning hebben we een omvormer nodig. Eigenlijk wordt zo een omvormer van DC naar AC een inverter genoemd. De inverter werd simpel verwoordt.

4.9.2 Werking

De omvormer werkt doormiddel van een H-brug en een sturing hiervan. De H-brug (fig. 4.9.2.1) bestaat uit 4 mosfet’s met erover telkens een diode overgezet. Ook zien we nog de transformator in het midden van de H-brug staan.


65

Fig. 4.9.2.1: De H-brug

De V+ die we zien op bovenstaande figuur is de gelijkspanning waarmee de schakeling gevoed wordt. Deze gelijkspanning wordt verkregen van de batterijen. Langs onderen hebben we de ground. De schakeling bestaat uit 4 mosfets met daarover een diode geschakeld. Een mosfet kunnen we zien als een snelle transistor. De mosfet’s worden gestuurd doormiddel van een andere regeling. Deze opent een sluit de mosfet’s. Om een sinusvormige spanning te krijgen worden de mosfet’s als volgt geschakeld. T1 en T4 en als volgt T2 en T3 zo krijgen we al een blokgolf spanning. (fig. 4.9.2.2) De stroomzin als T1 en T4 gesloten zijn is omgekeerd ten opzichte van T2 en T3. Zo krijgen we dus al de positieve en negatieve spanning. Een transformator bestaat uit spoelen. Hierbij weten we dat deze niet tegen directe stroomveranderingen kunnen. Daarom werden er diodes parallel over de mosfet’s geplaatst. Zo kan de stroom in de spoelen wegvloeien als we veranderen van schakelaars. De transformator maakt dus eerst van onze batterijspanning van ongeveer 12 volt een wisselspanning en transformeert deze dan op tot een spanning van 230 volt.


66

Fig. 4.9.2.2: Verkregen blokgolf

Deze blokgolf kunnen we dus zeker nog niet vergelijken met een sinus. Om deze vorm te verkrijgen laten we de regeling de mosfet’s verschillende malen open en toe gaan. Maar dit doen we telkens met andere tussentijden. We laten dus een aantal maal T1 en T4 open en toe gaan. We sluiten deze op verschillende tijden. Daarna doen we juist hetzelfde met T2 en T3. Zo bekomen we dan onderstaand blokgolven (fig. 4.9.2.3). Deze methode wordt de PWM- methode genoemd of voluit gezegd pulsbreedtemodulatie. Als we dan telkens de gemiddelde waarde nemen van één puls bekomen we een wisselspanning. Die weliswaar geen perfecte sinusvorm is. Met de 2 bovenste mosfet’s kunnen we onze gemiddelde waarde regelen en met de onderste 2 kunnen we de stroomzin veranderen.

Fig. 4.9.2.3: Sinusvormige blokgolf


67

4.10 Diodegelijkrichter 4.10.1 Inleiding

Omdat we eerst alle spanning van de batterij omvormen naar een wisselspanning moeten we deze terug omzetten naar een gelijkspanning. Deze wordt gebruikt bij de in- en uitgangskaart van de PLC.

4.10.2 Werking

Een diodegelijkrichter (fig. 4.10.2.1) bestaat dus, zoals de naam het zelf zegt, uit een schakeling van diodes. Er wordt gebruik gemaakt van 4 diodes die een wisselspanning omzetten in een gelijkspanning. Aan de input krijgen we dus een wisselspanning. De dioden zorgen er dan voor dat je aan de output een positieve gelijkspanning krijgt. Er staat nog een condensator achter om de verkregen spanning na de diode af te vlakken.

Fig. 4.10.2.1: Diodegelijkrichter

Op onderstaande figuur (fig. 4.10.2.2) zie je hoe de stroom door je diodes vloeit als je het positieve en het negatieve deel hebt van je sinus. Als het je positief gedeelte van je sinus is dan loopt de stroom erdoor zoals voorgesteld langs de linkerkant. Als het deel van je sinus negatief is dan is het zoals je kunt zien langs de rechterkant.

Fig. 4.10.2.2: Stroomrichting diodegelijkrichter


68

5 Rendement en besparingen 5.1 Inleiding Laten we nu eens kijken wat het ons zou opleveren als we nu eens een zonneboiler of zonnepanelen zouden installeren. We gaan dit doen aan de hand van de nieuwste prijzen.

5.2 Voor commerciële boilers 5.2.1 Inleiding

Indien u denkt om een zonneboiler te laten installeren, dan moet u toch eens navragen voor welke subsidies u in aanmerking komt. Zo krijg je bijvoorbeeld van de federale overheid een belastingsvermindering van 40% van de investeringskosten met een maximaal bedrag van €3440. Maar ook van Gaselwest krijg je een premie. Hier krijg je namelijk €75 per vierkante meter met een minimum bedrag van €525 en een maximum van €1500. Van de gemeente Poperinge zelf krijg je geen subsidie.

5.2.2 Mono- installaties

Als we ons eens voorstellen dat we graag een zonneboiler zouden installeren, zonder dat we onze oude (nog goed werkende) warmwater installatie weg moeten doen, dan raden we u aan een zonneboiler mono- installatie aan te schaffen. Deze bestaat namelijk uit een boiler waar enkel de warmtewisselaars van de collector zitten. Als naverwarmer van dit systeem wordt je huidig verwarmingstoestel gebruikt. Stel dat u met een gezin van 4 personen bent, dan stellen we een zonneboiler voor met een opslag 190l en een collectoroppervlak van 4.12m². En als u weet dat uw huidig verwarmingsmiddel een cv boiler is op stookolie dan kan u uw zonneboiler terugwinnen na ongeveer 16 jaar. En dat als u weet dat de gemiddelde leeftijd van een zonneboiler 20 jaar bedraagt.


69

5.2.3 Duo- installaties

Stel nu dat u een nieuw huis zet, en beslist om van de eerste keer een zonneboiler te laten installeren, dan kan u kiezen voor een duo- systeem. Hierbij heeft u maar 1 boiler. Daarin bevinden zich dan zowel de warmtewisselaar van de collector als de deze van de naverwarming. De naverwarming kan u natuurlijk vrij kiezen zoals bij de vorige gevallen ook het geval was. Hierbij kan u dan kiezen uit een elektrische, een gas, of stookolie verwarming. Laten we opnieuw werken met stookolie. Dan zou de keuze van een gezin van 5 à 6 vallen op een zonneboiler met een opslagvat van 300 liter en een collectoroppervlakte van 5.5m². Wel deze installatie zou u kunnen terugverdienen na 19 jaar. Andere berekeningen kunnen gemaakt worden op de site: http://www.energiesparen.be/energiewinst/zonneboiler.php

5.2.4 Besluit

De prijzen die hierboven zijn opgegeven, zijn prijzen die voortdurend veranderen. Deze prijzen zijn onder andere

de stookolie, gas en elektriciteitsprijzen. Zoals we het nu

uitrekenen kan je in principe een zonneboiler niet terugwinnen indien je met gas of elektriciteit werkt. Maar men moet weten en rekening houden met de prijzen van gas, elektriciteit en stookolie voortdurend zullen stijgen. Want dit zijn uitputbare bronnen, in tegenstelling wat de zon niet is. U kan natuurlijk altijd zeggen en de kerncentrales dan? Maar deze zijn milieuvervuilend, wat niet het geval is met een zonneboiler. Bovendien is de overheid meer en meer aan het kijken om deze te vervangen. Andere prijzen van zonneboilerinstallaties zijn bijgevoegd in bijlage 3.

Voor PV- panelen PV- panelen zijn zuur duur in aankoop. Daarentegen is er ook goed nieuws. De prijs is namelijk de laatste 3 jaar gedaald met 18%, en deze blijft nog steeds dalen. Gelukkig heb je ook recht op subsidies als je zonnecellen laat plaatsen. Zo krijg je in de eerste plaats een ‘groenestroomcertificaat’. Dit wil zeggen dat je voor elk opgewekt kilowattuur zonne-


70

elektriciteit 45 eurocent krijgt. En dit 20 jaar lang. Natuurlijk zal het gebeuren dat je al de opgewekte elektriciteit niet tijdig zal kunnen gebruiken. Bedenk bijvoorbeeld eens dat je tijdens de zomer op vakantie gaat, maar je zonnepanelen produceren daarom niet minder. Wel dit is ook opgelost, de elektriciteit die er teveel is wordt gegeven aan het elektriciteitsnet zelf. Hierdoor zal je kilowattuurmeter worden teruggedraaid, en dit is dus zeker niet nadelig voor de elektriciteitsrekening. Wel een klein minpuntje, als je dit wel een minpuntje kan noemen, is dat je maximaal 3000kWh mag terug leveren aan het net per jaar. Ook de federale overheid doet een inspanning. Deze geeft namelijk een belastingsvermindering van 40% van de investering tot een maximum van €3440. Ook komt men soms in aanmerking voor een gemeentepremie. Het is ‘soms’ omdat maar 1 op de 3 gemeentes dit uitdelen. Poperinge bijvoorbeeld geeft geen premie indien u van plan bent om zonnepanelen te installeren.


71

6 Warmteoverdracht 6.1 Inleiding Met de warmtecapaciteit wordt aangegeven hoeveel energie er nodig is om een materiaal of voorwerp met een bepaalde massa te doen stijgen in temperatuur met 1 Kelvin (K). De warmtecapaciteit wordt aangegeven in Joule/ Kelvin. De warmtecapaciteit van 1 kg van een bepaalde stof, noemen we de soortelijke warmtecapaciteit. Deze wordt uitgedrukt in Joule/(Kelvin.Kg). Over het algemeen wordt er meer gebruik gemaakt van de soortelijke warmtecapaciteit dan de warmtecapaciteit.

Q=

warmte in Joule (J)

C=

warmtecapaciteit in Joule/ Kelvin (J/K)

∆T =

temperatuursverschil in Kelvin (K)

M=

massa in kilogram (kg)

Cwater =

4200 J/(K.kg)

Ckoper =

400 J/(K.kg)

Q=

m . C . ∆T

ρkoper =

8,92 . 10³ kg/m³

ρwater =

1.10³

Omdat het moeilijk is om al de warmteverliezen te berekenen die er zijn op de gehele constructie, zullen we het berekenen van 1 meter koper buis. Hierbij zullen we het berekenen bij water die stilstaat in de buis. Zoals al werd gezegd is er gewerkt met koperen buizen van 15 mm. Deze maat is de buitenmaat van de buis. Als wanddikte nemen we 1mm voor de berekeningen.

Massa van de koperen buis: Gegevens: - Binnendiameter = 1.3cm = 0.013m - Buitendiameter = 1.5cm = 0.015m - Hoogte = 1m - Massadichtheid koper = 8.92*10³ kg/m³


72

D ² * π d ² * π (0.015m)² * π (0.013m)² * π − = − 4 4 4 4 −4 −4 −4 = 1.767 * 10 m² − 1.327 * 10 m² = 0.44 * 10 m² Agrondvlak =

−4

(6.1.1)

−4

Volume = Agrondvlak * hoogte = 0.44 * 10 m² * 1m = 0.44 * 10 m³ Massa = volume * massadichtheid = 0.44 * 10 − 4 m³ * 8.92 * 10 3 kg

m³

= 0.3925kg

Massa van het water in de buis: Gegevens: - Diameter = 1.27cm = 0.127m - Hoogte = 1m - Massadichtheid van water = 1*10³ kg/m³

d ² * π (0.013m)² * π = = 1.327 * 10 − 4 m² 4 4 Volume = Agrondvlak * hoogte = 1.327 * 10 − 4 m² * 1m = 1.327 * 10 − 4 m³ Agrondvlak =

Massa = Volume * massadichtheid = 1.327 * 10 − 4 m³ * 1 * 10³ kg

m³

(6.1.2)

= 0.1327 kg

Warmteoverdracht van water met een temperatuur van 35°C in een koperen buis met een temperatuur van 20°C

Qopwarmen = −Qafkoelen massa koper * warmtecapaciteit koper * temperatuursverschil koper = − (massa water * warmtecapaciteit water * temperatuursverschil water ) m * c * ∆T = −(m * c * ∆T ) 0.3925kg * 400 J * (?− 293K ) = −(0.1327 kg * 4200 J * (?− 308 K )) kg * K kg * K 157 ? J − 46001J = −557.34 ? J + 171660.72 J K K 714.34 ? J = 217661.72 J K ? = 304.70 K ? = 31.7°C

(6.1.3)

=> De evenwichtstemperatuur die bekomen wordt is gelijk zijn aan 31.7°C. We zien dus dat het water ongeveer 3°C afkoelt wanneer het in de buizen blijft staan. De berekeningen die hier gedaan werden is bij stilliggend water. Het berekenen van de verliezen tijdens het circuleren van het water is iets moeilijker. Dit omdat je de snelheid nodig hebt waarmee je vloeistof stroomt.


73

Besluit Als eerste kunnen we besluiten, dat we veel dingen hebben geleerd. Denk maar aan de werking van een zonnecel, een centrifugaalpomp, een inverter… Ook weten we nu de werking van een commerciële zonneboiler en wat hiervan de voor- en nadelen zijn. Hetzelfde kunnen we besluiten voor de zonnecellen. Vervolgens kunnen we ook stellen dat er toch wel het één en andere komt bij kijken, als je een autonome zonneboiler wil realiseren. We zijn dan ook blij met het verworven inzicht die we verkregen tijdens het realiseren van de zonneboiler. Ook kunnen we zeggen dat het installeren van een zonneboiler of zonnepanelen zeer interessant is. Hierbij zijn de subsidies een grote motivatie tijdens het aankopen. Als laatste hopen we dat duurzame energie zijn opmars blijft behouden.


74

Bronvermelding Sites •

http://www.netsolar.be/zonne-energie/weetjes

•

http://www.izen.be/zonneboiler.php?lng=nl

•

http://www.izen.be/download/nl/kostprijs/prijslijst-mono.pdf

•

http://www.izen.be/download/nl/kostprijs/prijslijst-duo.pdf

•

http://nl.wikipedia.org/wiki/Buizenwarmtewisselaar

•

http://www.energiesparen.be/energiewinst/zonneboiler.php

•

http://www.energiesparen.be/duurzame_energie/zon/pv.php

•

http://www.ecn.nl/fileadmin/ecn/units/zon/docs/psp00068.pdf

•

http://www.stpieter.be/~vti/_maesen_i/Processturing/Deel%20B/Fund%20opbouw%20PLC/Dee l%20B1.htm

•

http://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnepaneel

•

http://www.expa.hvu.nl/leovm/cses/chap14.pdf

•

http://www.milieucentraal.nl/pagina?onderwerp=Zonneboiler%20kiezen

•

http://nl.wikipedia.org/wiki/Warmtegeleiding

•

http://www.danfoss.com/NR/rdonlyres/3B2DF1D8-7191-44EF-84C1793C5E4B9B52/0/GBCVL.pdf

•

http://www.festo.com/INetDomino/be/nl/a1b2d7004d86ecdec1256db3002d912e.h tm

•

http://www.festo.com/INetDomino/be/nl/46d2f2b0fe4f20b1c1256db3002c8b12.ht m

•

ftp://ftp.ecn.nl/pub/www/library/report/2001/p01011.pdf

•

http://nl.wikipedia.org/wiki/Inverter_%28elektronica%29

•

http://nl.wikipedia.org/wiki/Diodebrug


X

Cursussen, boeken en infobrochures •

De GIP van Steven Van De Rijse (6TW) over de zonnecel algemeen

•

TECHNISCHE FICHE UPS 25-60 180.pdf

•

Voorbeeld (omschrijving UPS xx-xx).pdf

•

Cursus 5de industriële wetenschappen van het VTIP: Halfgeleiders algemeenheden

•

Cursus 5de industriële wetenschappen van het VTIP: De PN- junctie

•

Cursus 5de industriële wetenschappen van het VTIP: Warmtecapaciteit

•

Ing. DE MEYER, W.; Ing. SNAUWAERT, F.; Ing. VAN HOOF, S.

Toegepaste Mechanica deel 2 PP. 200 – 214 •

Verslag van Bram Dequidt (6Eit 2006-2007) en Matthias Lannoye (6Eit 2006-2007) over het Programma syswin 3.4

•

Documentatie expansievat


XI

Bijlage 1: Schema’s elektrisch gedeelte


1


2


3


4


5


6


7


8


9

Bijlage 2: Tabel van Mendeljev


10

Bijlage 3: Prijzen zonneboiler Prijsindicatie zonneboiler MONO Zonneboiler MONO

STC 120 TSM

STC 190 TSM

STC 250 TSM

Geschikte voor aantal

2 tot 4 personen

3 tot 5 personen

5 tot 7 personen

Collectoroppervlak

2.75m²

4.12m²

5.5m²

Inhoud opslagvat

120 liter

190 liter

250 liter

Totaalprijs indicatie

5294,00 EUR

6222,00 EUR

7570,00 EUR

personen

volledig systeem (geleverd en geplaatst incl. BTW 6%)

Subsidies en voordelen (eenmalige financiële voordelen) Gemeentesubsidies

- € 500,00

- € 500,00

- € 500,00

- € 2117,00

- € 2488,00

- € 3028,00

- € 127,00

- € 149,00

- € 181,00

Gezinsbondkorting

- € 300,00

- € 377,00

- € 475,00

Subsidies netbeheerder

- € 525,00

- € 525,00

- € 525,00

Netto prijsindicatie (incl.

€ 1725,00

€ 2183,00

€ 2861,00

gemiddeld - € 500 Fiscaal voordeel 2008 (40% totaalprijs met max €3440,00)

Vermindering gemeentebelasting 2008

BTW)

Prijsindicatie zonneboiler DUO Zonneboiler Duo

STC 200 TSD

STC 300 TSD

Geschikte voor aantal personen

2 tot 5 personen

5 tot 7 personen

Collectoroppervlak

4.12m²

5.5m²

Inhoud opslagvat

190 liter

300 liter

Totaalprijs indicatie volledig systeem

± 7144,00 EUR

± 9036,00

(geleverd en geplaatst incl. BTW 6%)


11

Subsidies en voordelen (eenmalige financiële voordelen) Gemeentesubsidies gemiddeld - € 500

- € 500,00

- € 500,00

Fiscaal voordeel 2008 (40% totaalprijs met

- € 2857,00

- € 3440,00

Vermindering gemeentebelasting 2008

- € 171,00

- € 206,00

Gezinsbondkorting

- € 464,00

- € 613,00

Subsidies netbeheerder

- € 525,00

- € 525,00

Netto prijsindicatie (incl. BTW)

€ 2627,00

€ 3752,00

max €3440,00)

Bron: http://www.izen.be/zonneboiler.php?lng=nl&show=watkosthet


12

Bijlage 4: Korte bespreking van de GIP in het Engels At the end of the sixth year of secondary school, we have to make a final test, which shows what we have learned during the last years. We therefore also had to make a task for English, which was to write a text about our final test in Dutch, and then try to translate it into English.

To do this, we wrote down the difficult words of our Dutch version, and we tried to find a translation of those words in a dictionary. We wrote down all the translations the dictionary suggested, and afterwards, we indicated which translation fitted the context. Sometimes, we didn’t find a translation in a small dictionary, which made us clear that finding a translation is not always that easy, especially when it comes to technical terms. Nevertheless, with a bit of help of our teacher, we did succeed, and present the following text. We hope you enjoy reading it.

The final test we realize is the solar boiler. This subject was suggested by mister Tytgat en mister Vitse. They suggested that two persons of Electricity did the practical side and that we had to make the theoretical part. Those two persons are Glenn Carton and Brecht Boucneau. The whole system should be placed in the physics classroom and also on the roof of the building.

The solar boiler consists of a boiler and a solar collector. The pipes in the solar collector warm up, and go through the boiler. They give off the heat to the water. We need a pump to circulate the water through the solar collector. To make this pump work, we need a certain voltage. We shall not use the normal voltage, but we make our own by means of a solar panel placed on the roof. The system should work autonomously. We shall help Glenn and Brecht as much as possible. We can learn from this test that we get cheaper warm water without polluting the environment. The final test is a continuation of one of the past years. Sadly enough, there was a construction mistake in it, so now we are going to try to avoid that, and also make sure our system works completely autonomously.


13

Bijlage 5: Korte bespreking van de GIP in het Frans A la fin de cette sixième année de secondaire, nous avons dû élaborer un projet intégré qui montre en quelque sorte tout ce que nous avons appris au cours des six années précédentes. Pour les cours de français, nous avons dû expliquer notre sujet en néerlandais et essayer ensuite de traduire ce texte de base en français.

Pour ce faire, nous avons d’abord noté tous les mots les plus importants de notre version en néerlandais, et nous avons essayé de trouver la traduction de ces mots dans un dictionnaire bilingue. Nous avons noté toutes les traductions possibles et, dans un deuxième temps, nous avons indiqué laquelle des traductions nous semblait la bonne dans le contexte. Parfois, nous ne trouvions pas de traduction dans un dictionnaire de poche, ce qui nous a appris que trouver une bonne traduction n’est pas toujours chose facile, surtout s’il s’agit de termes plutôt techniques. De toute façon, avec l’aide du professeur, nous avons quand même réussi, et nous vous présentons donc le texte suivant, dont nous espérons que vous le lirez avec plaisir.

Le projet intégré que nous réalisons est le chauffe-eau solaire. Nous venions à ce sujet par monsieur Tytgat et Monsieur Vitse. Ils proposaient que deux élèves d’électricité réalisent la partie pratique, et nous la partie théorique. Ces deux élèves sont Glenn Carton et Brecht Boucneau. Tout le système serait alors placé dans le local de physique, et une partie sur le toit du bâtiment.

Le chauffe-eau solaire consiste d’un chauffe-eau et d’un capteur solaire. L’eau est réchauffée dans le capteur solaire. Pour faire circuler l’eau, nous avons besoin d’une pompe et donc de courant électrique. Nous n’avons pas utilisé le courant normal, mais du courant produit par des panneaux solaires. C’est donc notre intention de faire marcher tout le système de manière autonome. Pendant la construction, nous suivons autant que possible les élèves et nous les aidons. Nous apprenons qu’il est possible de produire de l’eau chaude mieux marché et avec moins de pollution. Le projet existait déjà, mais avec une faute technique. Nous essaierons donc de l’éviter et, en plus, de faire marcher le système de manière autonome.


14

Woord vooraf. De autonome zonneboiler I

Recommend Documents