Opzet van systeemschakeling

5.3.1. Concepten en bepaling van systeemschakeling

Het technische ontwerp kan nu beginnen en er zal begonnen worden met het vaststellen van de schakeling

van het hele systeem. Hierbij wordt er in eenvoudige blokschema’s aangegeven hoe het hele systeem

opgebouwd kan worden en hoe de energie van de zonnecellen naar de op te laden producten terecht kan

komen. Er zullen hierbij verschillende mogelijkheden gepresenteerd worden die in aanmerking kunnen

komen.

De systeemschakelingen bevatten de volgende (elektronica) onderdelen:

 de zonnecellen voor het produceren van elektrische energie;

 de accu voor het opslaan van niet-gebruikte geproduceerde energie van de zonnecellen;

 elektronische circuits als de laadregelaar en de DC–DC omzetter om de elektronica onderdelen en de

op te laden producten te beschermen tegen ongewenste situaties en om ze zo optimaal mogelijk te

kunnen opladen;

 de op te laden interne accu van elektronische producten.

Er zijn drie mogelijke systeemschakelingen bedacht die hieronder zijn weergegeven, waarna hun voor- en

nadelen volgen. Uiteindelijk volgt de gemaakte keus voor een systeemschakeling.

Systeemschakeling 1

In het eerste systeem wordt de energie van de zonnemodule indirect via de accu geleid naar de

consumentenelektronica. Wanneer er geen producten zijn aangesloten, wordt de accu opgeladen (als de

zon voldoende schijnt). In geval er wel producten zijn aangesloten om op te laden, maar zonne-energie

niet voorhanden is, wordt de accu gebruikt.

Zonnemodule Consumentenelektronica

Accu

Elektronische circuits Figuur 5.7: Schema van

Voordelen Nadelen

De accu dient als centraal verzamelpunt van de

geproduceerde energie van de zonnecellen.

De geproduceerde energie wordt altijd door de accu

geleid en wordt gezien als een extra barrière

(elektrische weerstand).

Het geproduceerde vermogen dat de producten

bereikt, is meer gereguleerd van aard.

De accu wordt op een oneigenlijke manier gebruikt

als doorgeefluik, die de levensduur ervan sterk kan

aantasten.

De accu heeft altijd voldoende energie voor het

opladen van producten in donkere situaties.

De energie van de zonnecellen wordt in dit geval

passief gebruikt voor het opladen van elektronische

producten.

Systeemschakeling 2

In het tweede systeem worden de consumentenelektronica direct opgeladen van de zonnemodule, wanneer

zonne-energie beschikbaar is. Als er geen producten zijn aangesloten, wordt de accu opgeladen in geval de

capaciteit ervan niet vol is. Het opladen van producten kan hierbij ook met de accu gebeuren als de

zonnemodule niet voldoende energie levert.

Voordelen Nadelen

De accu wordt alleen gebruikt als opslagmedium

van elektrische energie.

De accu kan leeg zijn, wanneer men in een donkere

situatie toch producten wil opladen.

De energie van de zonnecellen kan direct gebruikt

worden voor het opladen van producten.

De elektronische circuits zijn ingewikkelder van

aard (t.o.v. systeemschakeling 1).

De geproduceerde energie kan volledig benut

worden voor ofwel het opladen van de accu ofwel

het opladen van producten.

Systeemschakeling 3

Het derde systeem verschilt van het vorige systeem doordat hierbij tegelijkertijd de accu als de producten

opgeladen kunnen worden met de zonnemodule, wanneer beide een lege of gedeeltelijk volle capaciteit

vertonen. In geval van donkere situaties worden de producten opgeladen met de accu.

Voordelen Nadelen

De accu wordt alleen gebruikt als opslagmedium

van elektrische energie.

De geproduceerde energie moet in sommige

gevallen gedeeltelijk benut worden voor het

opladen van zowel de accu als de producten.

De energie van de zonnecellen kan direct gebruikt

worden voor het opladen van producten.

De elektronische circuits zijn ingewikkelder van

aard (t.o.v. systeemschakeling 1).

De accu heeft altijd voldoende energie voor het

opladen van producten in donkere situaties.

Zonnemodule Consumentenelektronica

Accu

Elektronische circuits Figuur 5.9: Schema van

systeemschakeling 3.

Zonnemodule Consumentenelektronica

Accu

Elektronische circuits Figuur 5.8: Schema van

De betekenis van de diverse gekleurde pijlen uit de schema’s van de drie systeemschakelingen is

hieronder in de legenda weergegeven.

Legenda van pijlen

Lege of gedeeltelijk volle accu opladen met zonne-energie.

Lege of gedeeltelijk volle interne accu van consumentenelektronica opladen met

accu, wanneer zonne-energie niet beschikbaar is.

Lege of gedeeltelijk volle interne accu van consumentenelektronica opladen met

zonne-energie.

Lege of gedeeltelijk volle accu en interne accu van consumentenelektronica

tegelijkertijd opladen met zonne-energie.

De keus gaat uit voor systeemschakeling 2, omdat deze schakeling de geproduceerde energie van de

zonnecellen volledig kan benutten voor ofwel het opladen van de accu ofwel voor het opladen van

elektronische producten. Het probleem dat men met een lege accu komt te zitten wanneer men in donkere

situaties een product dient op te laden, is vrij klein. Er is eerder uit de gebruiksaspecten al gebleken dat het

grootste deel van de tijd overdag, de energie van de zonnecellen niet wordt gebruikt voor het opladen van

elektronische producten en in die momenten wordt de accu opgeladen, indien die niet vol is.

De uitvallers zijn hierbij de schakelingen 1 en 3. Schakeling 1 is zeer ongeschikt en dit komt doordat de

accu in dit geval naast de functie als reserve elektriciteitsbron voor donkere situaties, ook als

doorvoerkanaal van elektrische energie wordt gebruikt. Dit belast de accu meer, waardoor de effectiviteit

ervan sterk kan worden aangetast.

Schakeling 3 daarentegen is bijna equivalent aan schakeling 2, maar er is niet voor deze schakeling

gekozen. Dit komt door de gedeeltelijke benutting van de energie van de zonnecellen in gevallen wanneer

zowel de accu als de elektronische producten opgeladen dienen te worden. Dit zorgt ervoor dat het

vermogen verdeeld wordt over meerdere producten, waardoor het ook langer duurt voordat ze opgeladen

worden. Hoewel de kans op deze situatie klein kan zijn, komt naar eigen inzicht deze situatie vaker voor

dan dat de accu leeg is in een donkere situatie (zie het nadeel van schakeling 2).

In navolging van de gemaakte keuze voor systeemschakeling 2 zal er hierbij bepaald worden om voor 1

elektronisch product per keer op te laden. Zoals al eerder is uitgelegd, is het opladen van meerdere

elektronische producten niet ideaal.

5.3.2. Elektriciteitsaspecten van systeemschakeling

Voor het opladen van producten dient er gelet te worden op de spanning die erover staat en de stroom die

door het product dient te lopen. Voor de oplaadspanning geldt er dat ze circa 1 à 2 Volt hoger ligt dan die

van de accu (van het op te laden product), zodat de stroom het product ingeleid kan worden. Voor de

oplaadstroom kan er op drie soorten manieren opgeladen worden, namelijk langzaam, snel en extra snel

opladen (respectievelijk in het Engels “slow”, “quick” en “fast charge”). Hiervoor kan er geen keuze

gemaakt worden voor een bepaalde manier, omdat de verkregen stroom van de zonnemodule varieert per

dag.

Benodigde spanningen

Voor de spanningen is vastgelegd dat er elektronische producten tot 3,6 Volt mee opgeladen worden. Om

deze producten te kunnen opladen met behulp van de zonnecellen, dienen de zonnecellen een optimale

spanning te kunnen genereren van minimaal 5 Volt bij het maximale vermogenspunt. Deze

spanningswaarde komt veelvuldig voor bij het opladen van (interne) accu’s van 3,6 Volt en is het meest

toepasbaar. Een probleem bij het gebruik van de spanningswaarde van 5 Volt is dat zonnecellen meestal

een andere spanningswaarde nemen voor het opladen. Dit probleem zal moeten worden opgevangen met

een Maximum Power Point Tracker (MPPT). Deze omzetter zal de gegenereerde spanning bij het

maximale vermogenspunt (V

MPP

) laten liggen bij minimaal 5 Volt, waardoor er het meest efficiënt met de

geproduceerde energie kan worden omgegaan.

Daarnaast zal er ook voor deze spanningswaarde gekozen worden voor het opladen van de Li-ion accu,

waardoor de spanning ervan 3,6 Volt zal komen te bedragen. Hiervoor kan er gebruik gemaakt worden

van dezelfde MPPT.

Het enige dat nog rest, is het opladen van elektronische producten met deze accu van 3,6 Volt. Als men de

producten rechtstreeks van deze accu zou opladen, dan zullen ze niet helemaal opgeladen kunnen worden,

omdat de spanning (bijna) gelijk kan zijn aan die van de elektronische producten. Om dit probleem op te

vangen zal er tussen de accu en de producten een boost converter (step-up converter) geplaatst worden, die

de spanning van 3,6 Volt omzet naar 5 Volt.

Benodigde stromen

Voor de stroomsterktes is er als eis een maximumwaarde van 0,8 Ampère gesteld. Hiermee ligt de

maximaal gegenereerde stroom van de zonnecellen vast. Er dient hierbij opgemerkt te worden dat deze

waarde alleen bereikt zal worden bij ideale verlichtingscondities, waarbij een instraling van 1000 W/m

²

op

aarde valt. In geval voor Nederland wordt deze waarde alleen bereikt op een klaarlichte dag in de

zomermaanden.

Zonnecellen genereren al stroom wanneer er licht op valt, dus het werkbereik ligt ongeveer tussen 0 en

800 milliampère. In uitzonderlijke gevallen kunnen er hogere stroomsterktes bereikt worden, maar die

duren meestal voor vrij korte tijd.

Voor het opladen van de Li-ion accu en de elektronische producten is er wel een minimale waarde van de

stroomsterkte vereist. Opladen met een te kleine stroom kan in principe wel, maar is ongewenst. Aan de

ene kant duurt het vrij lang voordat een accu opgeladen wordt en dit is niet ideaal als het product dagelijks

gebruikt wordt. Aan de andere kant is het langdurig opladen onder een kleine stroomsterkte niet goed voor

NiMh en Li-ion accu’s. In zulke situaties kunnen de laadcircuits meestal niet goed detecteren wanneer de

temperatuur sterk toeneemt, zodat ze kunnen ingrijpen. Ook als het maximale spanningsniveau is bereikt,

gaat het opladen nog door, zodat de hele stroomcapaciteit benut wordt. Dit levert echter als gevolg op dat

er langer wordt opgeladen dan gebruikelijk is, waardoor ongewenste chemische reacties kunnen optreden.

Als minimumwaarde van de stroomsterkte is er al een eis gesteld van 0,05C van de maximaal haalbare

stroomsterkte van 800 milliampère, oftewel 40 milliampère.

Uiteindelijk dient er nog bepaald te worden hoe groot de stroom is die uit de Li-ion accu loopt als er

hiermee elektronische producten wordt opgeladen. Een accu levert in tegenstelling tot een zonnemodule

een meer constante en gereguleerde stroomsterkte op. Er dient hier wel opgelet te worden dat de stroom

die door de interne accu’s van de producten wordt gestuurd, niet te hoog mag zijn waardoor ze beschadigd

kunnen raken. Ook dient er rekening gehouden te worden dat er hierbij voor NiMh of Li-ion accu’s

opgeladen kan worden. NiMh accu’s en Li-ion accu’s worden in verschillende fasen opgeladen, maar ze

verschillen door de chemische samenstelling ervan (waarbij dit afkomstig is van een ingenieursartikel van

Dearborn (Microchip Technology Inc., 2004) en een deel van het boek “Nickel Metal Hydride” (Battery

Technology Handbook, Quest Batteries; 2004). Beide typen accu’s hebben een oplaadfase waarin er een

constante stroom gebruikt kan worden en in principe kunnen ze hierbij ook met 1,0C opgeladen worden

(in geval van een accu met een stroomcapaciteit van 0,8 ampère-uur). Dit wordt echter niet geadviseerd,

omdat hierbij de chemische reacties in de accu erg snel kunnen verlopen, waardoor de temperatuur snel

kan toenemen. Opladen met stroomwaarden tussen 0,5 en 1,0C is hierbij geschikt voor snel opladen en

hier zal er gekozen worden voor een leverbare stroomsterkte van 500 milliampère uit de Li-ion accu,

omdat hiermee de producten met de laagste stroomcapaciteit niet benadeeld worden.

De toegepaste spanningen en stromen in het hele systeem is op de volgende pagina samengevat in de

gekozen systeemschakeling.

In document Integratie van zonnecellen op een tas (pagina 60-64)