Het vergroten van de bewustwording van onze energiehouding: Het ontwerp van de elektriciteit opwekkende fiets.

(1)

OliNo

Renewable Energy

Het vergroten van de bewustwording van

onze energiehuishouding

Het ontwerp van de elektriciteit opwekkende fiets

Christian Pasman

2016080

Begeleiding OliNo:

Dhr. Van der Steen

Begeleidend docent: Dhr. Nagtzaam

(2)

Voorwoord

Dit rapport is het eindverslag dat tot stand is gekomen aan de hand van mijn

afstudeerproject. Dit afstudeerproject is de laatste fase van de studie elektrotechniek aan de Avans Hogeschool in Breda.

Lezers die vooral geïnteresseerd zijn in het tot stand komen van het ontwerp vinden de uitwerking hiervan in hoofdstuk 7. De uitleg over het verbeteren van de efficiëntie is te vinden in hoofdstuk 8.

Ik ben veel dank verschuldigd aan dhr. Van Der Steen van OliNo energy BV voor zijn waardevolle inzet en adviezen. Tevens ben ik dank verschuldigd aan dhr. Nagtzaam voor zijn begeleiding vanuit Avans Hogeschool Breda.

Christian Pasman

Hilvarenbeek, Noord-Brabant 4 juni 2012

(3)

Inhoudsopgave

Voorwoord ... ii

Samenvatting ... v

1. Inleiding ... 6

2. Oriëntatie op het probleem ... 7

3. Doelstellingen van de oplossing ... 11

4. Programma van eisen ... 12

5. Onderzoek naar mogelijke systeemconcepten ... 14

5.1 Fase 1: Meten van het spanningsverloop in relatie tot de hoeksnelheid ... 14

5.2 Fase 2: Meten van de efficiëntie van de energie opwekking bij aangesloten belasting ... 16

5.3 Fase 3: Meten efficiëntie van de energie opwekking bij koppeling aan het energienet ... 18

5.4 Morfologisch overzicht ... 19

6. Reduceren van systeemconcepten ... 20

6.4 Uitwerking morfologisch overzicht ... 23

7. Uitwerking gekozen concept ... 25

8. Verbetering van de efficiëntie van de opstelling ... 34

9. Overzicht van de kosten van het project ... 36

10. Status van het project en hoe nu verder? ... 37

11. Eventuele uitbreidingen of verbetering aan de opstelling ... 38

Conclusies & Aanbevelingen ... 39

Conclusies ... 39

Aanbevelingen ... 39

(4)

Bijlage 1: Meetrapport 1 ... 41

Bijlage 2: Overzicht software LabVIEW ... 44

Bijlage 3: Aansluitschema ... 46

Bijlage 4: Impressiefoto’s van de opstelling ... 47

Bijlage 5: Project Management Document (PMD) ... 48

(5)

Samenvatting

Om mensen bewuster te maken van onze energiehuishouding ontstond bij het vinden van een in-wheel motor het idee om een opstelling te bouwen die bewegingsenergie kan

omzetten in elektrische energie en deze op het elektriciteitsnet kan terugvoeden. Hierbij moet het vermogen die de fietser in de opstelling stopt gemeten worden om de efficiëntie van de energieomzetting te bepalen. Tevens is de opstelling een conceptopstelling om de fiets toe te passen in een sportschool om zo de energie die nu wordt verspilt in warmte om te zetten in nuttige elektrische energie. Om tot het uiteindelijk ontwerp te komen zijn er drie fases

opgesteld. Deze fases werden parallel uitgevoerd. Zo werden de fases na het ontwerp direct uitgevoerd.

Na het onderzoeken en reduceren van verschillende deelsystemen is er keuze gemaakt. Deze keuze is mede tot stand gekomen dankzij het opstellen van een morfologisch ontwerp. Uiteindelijk is er gekozen voor een mountainbike waarvan de achteras in een Tacx

fietstrainer is gemonteerd. Om de snelheid te meten wordt gebruik gemaakt van een

fietscomputer waarvan de pulsen worden ingelezen met behulp van een data-acquisitiekaart en geschreven software in LabVIEW. De efficiëntie wordt gemeten met behulp van

hoekencoders en druksensoren die zijn bevestigd op de trappers en worden uitgelezen met behulp van de data-acquisitiekaart. Deze keuze is gemaakt omdat de aanschafkosten laag zijn en er eenvoudig gemeten kan worden. Omdat de software zelf geschreven wordt kan deze volledig naar eigen wensen worden uitgevoerd.

Om de opgewekte gelijkspanning om te zetten in een wisselspanning die synchroon loopt met het elektriciteitsnet is er gekozen om gebruik te maken van een zonnepaneelinverter, de OK4E-100 vanwege zijn hoge efficiëntie en lage aanschafkosten. Omdat de

uitgangsspanning van de gebruikte generator niet stabiel genoeg is om de OK4E inverter te laten werken is er gebruik gemaakt van een DC/DC converter die een stabiele

uitgangsspanning verzorgde. Soms zakt echter het vermogen van de inverter in. Nadat het ontwerp van de opstelling bekend was en deze was uitgevoerd zijn er geen metingen gedaan die de efficiëntie moeten gaan bepalen.

Aanbevolen wordt om verder uit te zoeken wat de oorzaak is van het inzakken van het vermogen van de OK4E inverter. Daarnaast kan er uitgebreid worden gemeten aan de opstelling om zo de efficiëntie en verliezen van de opstelling in kaart te brengen. Uit dit onderzoek kunnen er maatregelen worden getroffen die de efficiëntie van de energie-omzetting moeten verhogen.

Vervolgens kan er gekeken worden naar de mogelijkheden op het gebied van bewustwording en als toepassing in de sportschool.

(6)

1. Inleiding

De maatschappij waarin wij leven is een grootverbruiker van elektrische energie. Volgens het Centraal Bureau van de Statistiek groeit ons energieverbruik jaarlijks. Er komen elke dag duizenden mensen bij die apparaten bezitten die elektrische energie verbruiken. Buiten het aantal gebruikers van elektrische energie stijgt ook het aantal elektriciteit verbruikende apparaten zoals mobiele telefoons en computers.

Volgens dr. M. Sanjayan, hoofdwetenschapper voor The Nature Conservancy komt de groei van energieverbruik niet zozeer door de bevolkingsgroei. Deze groeit niet meer zo snel. Zo is Europa nog maar voor 1% verantwoordelijk voor de wereldgroei en in landen zoals Rusland, Oekraïne en Duitsland daalde het groeicijfer al tussen 1999 en 2011 volgens de Verenigde Naties (VN). Echter komt 85% van de mondiale bevolkingsgroei op conto van Azië en Afrika. De groei in elektrische energie komt vooral door mensen in Azië die naar de stad vertrekken om een goede baan te zoeken en hierdoor beter gaan verdienen. Met dit geld worden

huizen, computers, mobiele telefoons en auto’s gekocht. De vraag naar fossiele brandstoffen zal volgens het Internationaal Energie Agentschap (IEA) van 2004 tot 2020 naar verwachting met 40% stijgen door de consumptie in landen zoals China en India.

Allemaal energieverbruikers. Onze voorraad winbare fossiele brandstoffen waaronder olie slinken echter in een hoog tempo. Dit tempo ligt op een dermate hoog niveau dat over enkele jaren het niet meer rendabel is om olie te winnen uit de bodem. Dit wordt de Hubbert Peak genoemd. Uit onderzoek van het IEA wordt deze piek in 2030 geschat. Dit zijn dus twee feiten die met elkaar in conflict treden. Er is echter op technisch gebied al heel wat mogelijk. Alleen door gebrek aan kennis en bewustzijn van het probleem wordt dit in een te beperkte vorm toegepast. Er is dus een groot gebrek aan bewustzijn en kennis van zaken bij de energieverbruiker die hen er van weerhoudt duurzame keuzes te maken die dit probleem deels kunnen oplossen.

Het doel van dit rapport is het presenteren van een ontwerp van een elektriciteit opwekkende fiets. Deze opstelling heeft het doel de bewustwording van ons energiegebruik te verhogen bij huiseigenaren of huurders en kinderen vanaf 10 jaar. Hierbij wordt de opgewekte energie teruggevoed in ons energienet. Bij het ontwerp wordt rekening gehouden met de

fietservaring en het gebruiksgemak van de opstelling. Tevens moet de efficiëntie van de energie-omzetting zo hoog mogelijk liggen. Dit rapport zal zich verder beperken tot het ontwerp van de fiets en het verbeteren van de efficiëntie. De toepassingen van de fiets om dit doel te bereiken zullen in dit rapport achterwege worden gelaten.

Deze opdracht wordt uitgevoerd in opdracht van OliNo Energy bv. Een bedrijf dat zich inzet voor duurzame energie door informatie te bieden via hun website. Voor meer informatie over OliNo verwijs ik u naar hoofdstuk 2 en naar hoofdstuk 2 van het PMD in bijlage 5.

De opbouw van het rapport is als volgt. Hoofdstuk 2 geeft een oriëntatie op het probleem. In het volgende hoofdstuk zullen de doelstellingen worden benoemd die worden gevolgd door het programma van eisen in het daarop volgende hoofdstuk. In hoofdstuk 5 worden er verschillende systeemconcepten geboden waarvan er in hoofdstuk 6 een uit wordt gekozen. Hoofdstuk 7 zal de uitwerking van het gekozen ontwerp bevatten. Deze wordt uitgewerkt in drie fases. Het verbeteren van de efficiëntie van de energie omzetting zal worden uitgewerkt in hoofdstuk 8. Het afsluitende hoofdstuk bevat de conclusies en aanbevelingen over het gekozen ontwerp en het vervolg van het project. De meting die is uitgevoerd is te vinden in bijlage 1. In bijlage 2 vindt u een overzicht van de geschreven software en in bijlage 3 een

(7)

2. Oriëntatie op het probleem

De vraag naar energie stijgt met de dag, terwijl de winbare olievoorraad met de dag slinkt en over enkele jaren zelfs niet langer meer economisch winbaar. Volgens het Internationaal Energie Agentschap ligt de zogenoemde Hubbert Peak rond 2030. Deze piek wordt bereikt op het punt dat het economisch gezien meer geld kost om olie te winnen dan dat het oplevert.

Helaas is het besef bij de gebruiker in Nederland op het gebied van energieverbruik ver te zoeken volgens ir. Paul van Son, directeur van het Duitse Desertec Industrial Initiative. Dit in tegenstelling met de Duitse bevolking. Deze willen een gezonde en duurzame omgeving achterlaten voor onze kinderen. In Nederland is men er echter nauwelijks van bewust dat er een enorm energieprobleem op dit land afkomt, zo blijkt uit de ervaringen van Paul van Son. Zoals in de inleiding is beschreven stijgt het aantal energieverbruikers op aarde elke dag. Ondanks deze informatie wordt er maar weinig gewerkt aan het bouwen van een duurzame toekomst.

Volgens het CBS is het aandeel hernieuwbare energie in het totale energieverbruik in 2011 zelfs gezakt van 4,2 naar 3,8 %.

Ondanks dat de cijfers bekend zijn verandert ons gedrag maar nauwelijks. Dit komt mede doordat Nederlanders over het algemeen niet beschikken over deze kennis maar ook omdat men niet inziet wat hiervan de gevolgen zijn omdat daar de gevolgen pas op lange termijn zichtbaar worden.

Om dit wat te verduidelijken kunnen we ook vergelijkingen trekken met rokende mensen. Het is algemeen bekend dat roken erg ongezond is, toch stoppen de meeste mensen niet. Dit komt omdat men op het moment zelf geen concrete consequenties zien van hun

rookgedrag. Deze komen in de loop van tijd pas. Echter is het dan al te laat en is het kwaad geschied.

Waarom zouden we een hoger tarief per kWh betalen of windmolenparken aanmoedigen die ons zicht belemmeren terwijl alle elektrische apparaten het nog prima doen, elke dag opnieuw? Wat mensen niet inzien is dat dit echter niet meer lang het geval is als we hier niets aan gaan doen. Het besef van kwetsbaarheid binnen ons gehele energiehuishouding is veel te laag bij de gemiddelde persoon waardoor we te weinig keuzes maken die leiden tot een duurzame samenleving.

Gelukkig is er op technisch gebied al veel mogelijk met betrekking tot het opwekken van duurzame elektrische energie. Een organisatie die zich inzet voor duurzame energie is OliNo Energy bv. OliNo is een klein bedrijfje dat ontstaan is uit de wens van twee mensen die zich willen inzetten voor een duurzamere wereld. De missie, door hun opgesteld is om de

gemeenschap te voorzien van raad en daad bij energiebesparing en alternatieve

energietoepassingen. Een betere toekomst begint immers bij jezelf. Door zoveel mogelijk mensen bewust te maken en te informeren door artikelen en informatie te plaatsen op hun site proberen ze mensen over te halen duurzame keuzes te maken en zo de toekomst een stuk duurzamer in te vullen.

Tevens schrijven er verschillende enthousiaste partners op de site van OliNo.

OliNo is ook actief op het gebied van het meten van energiezuinige lampen. Deze tak zorgt voor de inkomsten van het bedrijf, doordat leveranciers voor een bedrag hun lampen op een professionele manier kunnen laten meten.

De organisatie heeft als doel een bijdrage te leveren aan de samenleving om deze op een duurzame manier te voorzien van energie. Hier is ook de naam van afgeleid, “OliNo”, waarmee ze willen zeggen: Olie Nee!

(8)

OliNo vindt dat burgers vooral keuzes moeten maken die gaan leiden naar een duurzamere maatschappij. Deze keuzes kunnen worden gemotiveerd door burgers bewust te maken van het energie probleem.

De diensten die OliNo op dit moment biedt, bieden geen volledige dekking van de

bovenstaande punten. Een Chinees gezegde luidt als volgt: Vertel het me en ik zal vergeten, betrek me en ik zal onthouden, laat me het doen en ik zal begrijpen.

OliNo heeft dus een tastbaar en concrete oplossing nodig die hun doelstellingen op de kaart zet en hiermee een bepaalde reputatie mee opbouwen. Ook biedt de opstelling als een middel waardoor mensen een groter inzicht krijgen in het energieverbruik en bewust worden van het energieprobleem.

Bewustwording

Veel mensen redeneren vanuit hun referentiekader. Mensen maken keuzes vanuit hun eigen ervaringen, ze hebben bij andere dingen gezien, gehoord of gelezen. Onze redenatie komt vanuit dit kader met informatie die we hebben opgeslagen in ons geheugen. Maar uiteraard zijn er meer zaken en ideeën die je niet weet, dan die je wel weet. Zo wordt er wel eens gezegd “Hoe meer je leert, hoe meer je weet wat je niet weet”. Ons referentiekader is dus in sommige gevallen een erg onbetrouwbaar medium om de dagelijkse beslissingen mee te nemen.

Ons geheugen bestaat in feite uit twee soorten opslagplaatsen. Het declaratief geheugen en het niet declaratief geheugen. Het niet declaratief geheugen of impliciet geheugen wil zeggen dat we ons niet bewust zijn van de kennis die daarin is opgeslagen. Denk hierbij aan de vaardigheiden zoals fietsen, lezen en ademhalen. De kennis die is opgeslagen in ons declaratief geheugen kunnen we wel bewust oproepen. Denk hierbij aan bepaalde

herinneringen, persoonlijke gebeurtenissen, betekenissen, feiten zoals ons woordenschat. Als we iemand bewust willen maken van ons energiegebruik moeten we er voor zorgen dat deze kennis wordt opgeslagen in ons declaratief geheugen zodat men deze kennis kan oproepen en hierdoor het referentiekader zo aanpast dat men duurzamere keuzes kan maken.

Er zijn verschillende methodes om mensen iets te leren. Deze methodes zullen in het kort worden toegelicht:

- Cognitieve dissonantie - Cognitieve gedragstherapie - Conditioneren

- Definitie van bewustwording

Hieronder zullen de bovenstaande theorieën worden uitgelicht.

Cognitieve dissonantie:

Cognitieve dissonantie is het onaangename gevoel bij het kennis nemen van feiten of opvattingen die tegenstrijdig zijn met een eigen overtuiging of mening. De theorie vertelt ons dan ook dat tegenstrijdige feiten als een drijvende kracht fungeren die de geest dwingen om nieuwe ideeën of gedachten te onderzoeken of om de aanwezige overtuigingen aan te passen en zo het aantal dissonanties te verminderen.

Dus door informatie over duurzame energie of over de opstelling te bieden die mogelijk tegenstrijdig zijn met eigen overtuigingen of meningen begint men er over na te denken en deze overtuigingen aan te passen. Hierdoor groeit het bewustzijn en inzicht in onze

(9)

Cognitieve gedragstherapie:

Cognitieve gedragstherapie is het gericht ombuigen van negatieve gedachten naar positieve gedachtes. Zo wordt energieopwekking vaak gezien als een milieubelastende activiteit. Maar in dit geval is het juist een positieve actie. Door te fietsen wekt men energie op zonder vervuiling van het milieu en is men in beweging. Deze beweging is gezond voor de fietser en hij kan hierbij zelfs afvallen wat vaak wordt gezien als een positief effect.

Dit positieve effect kan men weer aansporen volgens Burrhus Frederic Skinner, een invloedrijke Amerikaans psycholoog van de Universiteit van Harvard in Cambridge, Massachusetts. Skinner is vooral bekend geworden als grondlegger van het radicale behaviorisme en de daaruit voortkomende experimentele en toegepaste gedragsanalyse zoals het conditioneren.

Conditioneren:

Conditioneren is individuen leren doelbewust te reageren op hun omgeving door gewenste consequenties tot stand te brengen. Als gedrag wordt gevolgd door een bekrachtiging is de kans groot dat het gedrag wordt herhaald. Wordt het gedrag bestraft dan zal het gedrag niet worden voortgezet (uitdoven). Men spreekt dan ook van gedragsmodificatie. Een voorbeeld is een kind een ijsje aanbieden als hij zijn bord geheel leegeet of iemand huisarrest geven omdat iemand ongehoorzaam was. Door de positieve effecten van het fietsen zal dus de kans van herhalen van het gedrag groter zijn waardoor men bewuster wordt van het energiegebruik.

Definitie van bewustwording:

Volgens “Van Dale” is de definitie van bewustwording het tot bewustzijn komen van

zintuigelijke waarnemingen waardoor er een moreel inzicht ontstaat. Door iemands aandacht op een onderwerp te vestigen zal er zintuigelijk worden waargenomen en zal de persoon gaan nadenken over het onderwerp waardoor er inzicht wordt verkregen. Om de zintuigen van een persoon te prikkelen zijn er enkele methodes die in dit project kunnen worden gebruikt.

Zo worden de zintuigen geprikkeld door zelf te fietsen. Maar ook door lampen te gebruiken als belasting zal door het licht de zintuigen geprikkeld worden en zo de aandacht worden gevestigd op het onderwerp waardoor de persoon wordt gestimuleerd over het onderwerp na te denken.

(10)

Opstelling

Bij het vinden van een in-wheel motor ontstond het idee om een hometrainer te bouwen waarmee bewegings/trapenergie omgezet kan worden naar elektrische energie. Op deze manier kunnen mensen ervaren hoeveel fysieke inspanning, en dus energie, het kost om energie op te wekken. Als deze energie wordt gebruikt om een gloeilamp te laten branden geeft dit ook een concrete visualisatie van energie. Als deze gloeilamp bijvoorbeeld wordt vervangen door energiezuinige lamp kunnen we in een keer met dezelfde fysieke energie veel meer licht genereren. Dit geeft een duidelijk en vereenvoudig beeld van hoe techniek ons energiehuishouden kan veranderen.

De fietsopstelling biedt ook een actieve manier om een windmolen uit te leggen. De techniek en werking is exact hetzelfde alleen wordt nu de elektrische energie opgewekt door middel van trapenergie van de gebruiker in plaats van de wind die de wieken laat draaien. Op deze manier wordt op een actieve manier een methode aangeboden voor het opwekken van energie die op de website van OliNo geplaatst zal worden.

Ook zullen de resultaten op de website geplaatst worden. Denk hierbij aan opgewekte spanning, vermogen, stroom en de efficiëntie. Ook de meetmethodes en de problemen waar men tegen aan liep zullen geplaatst worden op de site.

Het beeld dat energie opwekken slecht voor het milieu zou zijn wordt ook door middel van deze opstelling weerlegt. Deze manier van energieopwekking zorgt voor geen enkele uitstoot van broeikasgassen. Sterker nog, het is zelfs goed voor de gezondheid. De gebruiker is immers in beweging en kan er van afslanken.

Sportschool

Op het moment staan er een heleboel fietsen in de sportschool die gebruikt worden door mensen die aan hun gezondheid werken. De energie die deze mensen in deze hometrainers stoppen worden echter alleen maar omgezet in warmte. Deze energie wordt dus volledig verspilt. Het idee is dat deze opstelling als concept kan dienen voor een uiteindelijk product om dit probleem op te lossen. Als al deze hometrainers uiteindelijk geen warmte maar elektrische energie zouden opwekken zou deze energie weer teruggevoed kunnen worden op het elektriciteitsnet.

Door de opstelling te ontwerpen en deze weer uit te voeren wordt er veel kennis vervaardigd over de werking van de opstelling.

Deze kennis kan weer worden ingezet in de verdere ontwikkeling van de opstelling en verbetering van de efficiëntie.

(11)

3. Doelstellingen van de oplossing

De doelstelling van dit verslag is het presenteren van het ontwerp van een elektriciteit opwekkende fiets. Dit is een middel om de bewustwording van ons energiegebruik te verhogen bij de burgers, kennis en inspiratie te delen via de website van OliNo. De fiets zal de bewegingsenergie van de gebruiker omzetten naar een spanning die teruggevoed kan worden op het elektriciteitsnet. De omzetting van bewegingsenergie naar wisselspanning die synchroon loopt met het elektriciteitsnet moet zo efficiënt mogelijk. Deze efficiënte zal

gemeten worden het vermogen te meten dat door de gebruiker in de fiets wordt gestopt en door de spanning en stroom te meten die terug wordt gevoed.

Door het uitvoeren van het ontwerp ontstaat er kennis over de werking en tevens de

gebreken van het ontwerp. Deze kennis kan gebruikt worden in het verder ontwikkelen van de opstelling zodat deze in verloop van tijd geplaatst kan worden in een sportschool zodat de energie die wordt omgezet tijdens het fietsen niet verloren gaat maar nuttig wordt gebruikt door deze elektrische energie terug te voeden op het elektriciteitsnet.

Door mensen te laten fietsen en te laten ervaren hoeveel kracht het kost om energie op te wekken hopen we mensen meer inzicht te geven in ons dagelijkse energiegebruik.

Dit kan bekrachtigd worden door de DC/AC inverter te vervangen door lampen. Zo moet men meer moeite doen om halogeenlampen te laten branden dan nodig is bij LED-verlichting.

Tevens kan de fiets het beeld verbreken dat energie opwekken slecht is voor het milieu. Door energie op te wekken door te fietsen is de gebruiker in beweging wat goed is voor de

gezondheid en de gebruiker kan zelfs afvallen.

Ook kan de fiets gebruikt worden voor een vereenvoudigde weergave van een windmolen. Het enige verschil is dat de motor wordt aangedreven door bewegingsenergie van de fietser in plaats van wind.

Op basis van kennis van onderzochte informatie zijn er verschillende mogelijkheden bestudeerd en op basis van de verkregen kennis is er een keuze gemaakt uit deze mogelijkheden.

(12)

4. Programma van eisen

In dit hoofdstuk worden de eisen opgesteld waar rekening mee moet worden gehouden bij het uitvoeren van het project. Deze eisen zullen worden onderverdeeld in drie categorieën.

1. Externe voorwaarden 2. Functionele eisen 3. Randvoorwaarden

1. Externe voorwaarden

Voor het terugleveren van elektrische energie zijn geen regels opgelegd vanuit de overheid. Er moet echter wel rekening gehouden worden met het feit dat als er meer energie wordt opgewekt dan dat er wordt verbruikt dit terug wordt gevoed op het elektriciteitsnet voorbij de meterkast. In dit geval is het van belang dat er een speciale meter wordt geïnstalleerd. Deze registreert ook de energie die de andere kant op gaat. Voor elke kWh die wordt teruggevoed krijgt men een vergoeding die gelijk is aan de tarieven van de leverancier. Echter ligt er wel een grens bij 5.000 kWh. Daarboven wordt er een regeling getroffen. Deze regels worden door de

energieleverancier bepaald. Ook zijn er energieleveranciers die het terugvoeden van elektriciteit stimuleren door elke kilowattuur te vergoeden zonder limiet.

Deze manier van vergoeden is bepaald door het ministerie van economische zaken, landbouw en innovatie.

2. Functionele eisen

De onderstaande eisen zullen de functie van de opstelling omschrijven.

- Door het fietsen op de opstelling moet er een spanning worden opgewekt door de MagicPie motor.

- De opgewekte elektrische energie moet teruggeleverd kunnen worden aan het elektrische net. Dit houdt in dat de spanning een wisselspanning is van 230V met een frequentie van 50 Hz. Om terug te voeden op het net moet de sinus van de opgewekte spanning

synchroon lopen met die van het elektriciteitsnet.

- De efficiëntie van het apparaat moet zo hoog mogelijk. Deze efficiëntie wordt gemeten door het vermogen te bepalen dat de fietser in de fiets stopt en hoeveel vermogen de inverter terugvoedt op het net. Omdat we geen vergelijkingsmateriaal hebben kunnen we geen minimum bepalen van de efficiëntie.

- De motor (generator) moet een laag RPM/volt ratio hebben. Dit houdt in dat de generator bij een laag toerental relatief veel voltage kan opwekken waardoor er minder hard getrapt hoeft te worden.

- De fietservaring van de hometrainer moet vergelijkbaar zijn met het fietsen op een normale fiets. Er moet niet veel kracht of een hoog toerental nodig zijn om energie op te wekken.

- De weerstand van de fiets moet instelbaar zijn. Door deze regeling kan de verhouding tussen koppel en snelheid worden bepaald.

(13)

3. Randvoorwaarden

Buiten de functionele eisen van het project zijn er ook enkele randvoorwaarden die er worden gesteld aan het ontwerp. Deze randvoorwaarden staan hieronder opgesteld.

- De kosten van het project moeten zo laag mogelijk. Een richtlijn is hierbij een maximum van €1000,-

- De opstelling moet vervoerd kunnen worden in een doorsnee auto.

- Het gewicht van de opstelling moet zodanig laag zijn dat de opstelling makkelijk transporteerbaar is en vervoerd kan worden in een auto. De richtlijn van het gewicht ligt rond de 50 kilogram.

- De fiets moet minimaal een personengewicht aan kunnen van 100 kilogram.

- De fiets mag in gebruik niet gevaarlijker zijn dan een reguliere fiets. Dit houdt in dat er geen extra bewegende of gevaarlijke onderdelen aan de fiets mogen zitten.

- De motor mag in geen enkel geval de trappers laten ronddraaien wanneer de motor door een technisch mankement of ten gevolge van een verkeerd aangesloten bedrading, wordt gevoed.

- Het zadel van de fiets moet instelbaar zijn zodat deze aansluit bij de lengte van de gebruiker.

- De breedte van het achterwiel moet 35 millimeter zijn omdat dit de breedte is van de MagicPie motor.

(14)

5. Onderzoek naar mogelijke systeemconcepten

Om een ontwerp te verkrijgen dat voldoet aan alle gestelde wensen worden er een aantal stappen doorlopen. De eerste stap is het onderzoeken naar alle mogelijke systemen en onderdelen. Deze mogelijkheden worden uitgewerkt in een morfologisch overzicht. Dit overzicht laat duidelijk zien welke doelsystemen er zijn en welke mogelijkheden er voor zijn. Uiteraard heeft elk systeem of onderdeel zijn sterke en zwakke punten. Daarom wordt er in de volgende stap bekeken welke sterke en zwakke punten belangrijk zijn in ons project. Dit wordt gedaan om deze punten te vergelijken met de gestelde eisen. Vervolgens wordt dit uitgewerkt in het opgestelde morfologische overzicht. Zo is in één oogopslag duidelijk welke deelsystemen er gecombineerd kunnen worden tot één systeem. Uit deze vergelijking volgt een keuze van het systeem of onderdeel.

Vervolgens wordt in de laatste stap het gekozen systeem geheel uitgewerkt. Hierin is te lezen hoe deze is gebruikt in het project.

Bij dit project is tevens gekozen voor een parallelle uitvoering. Dit wil zeggen dat er naast het ontwerpen gelijktijdig de uitvoering plaatsvond nadat er een ontwerp was goedgekeurd. Hierdoor is er tijd bespaard omdat normaliter eerst het gehele ontwerp zal worden uitgewerkt voordat deze wordt uitgevoerd. Dit houdt tevens in dat het ontwerpproces erg flexibel dient te zijn omdat de bevindingen die tijdens de uitvoering naar voren komen meegenomen moeten worden in het verdere ontwerp.

In dit hoofdstuk zullen er mogelijke systeemconcepten worden gepresenteerd die zijn onderverdeeld in drie fases waarin het project wordt uitgevoerd.

Per fase wordt een deel van het gehele systeem bijgevoegd en wordt gemeten aan de opstelling. Per meting wordt er een meetrapport opgesteld. Deze vindt u in de bijlage.

5.1 Fase 1: Meten van het spanningsverloop in relatie tot de hoeksnelheid

In de eerste fase hebben we verschillende deelsystemen nodig. Hieronder staan de verschillende onderdelen opgesomd.

- Fiets

- MagicPie motor - Fietsstandaard

- Overbrengingsmechanisme - Rotatie per minute (RPM) meter - Voltmeter

Deze onderdelen zullen per onderdeel worden doorlopen. Er zal een vergelijking worden gemaakt tussen verschillende materialen, producten of systemen. Deze zullen worden vergeleken op aanschafprijs, gebruiksgemak en toepassing op het systeem. De prijzen van de onderdelen zijn van nieuwe en ongebruikte onderdelen.

Fiets

Voor de keuze van de fiets zijn er enkele opties beschikbaar: een mountainbike, wielrenfiets, stadsfiets en een hometrainer.

Een mountainbike is een erg stevig geconstrueerde fiets waardoor deze erg stabiel is. Het zadel is in hoogte verstelbaar en de breedte van de achtervork is 350 millimeter. Tevens beschikt een mountainbike al over een overzettingsmechanisme om de MagicPie aan te

(15)

Een wielrenfiets is ondanks het geringe gewicht erg stevig. Echter voelen deze minder solide aan dan een mountainbike. Het zadel is in hoogte verstelbaar en de breedte van de achtervork is 350 millimeter. Ook de racefiets heeft al een overzettingsmechanisme om de MagicPie aan te drijven. De aanschafprijs van een racefiets die erg stevig is begint vanaf €300,-

Een stadsfiets heeft veelal dezelfde eigenschappen als een mountainbike alleen is minder stevig geconstrueerd dan een mountainbike. De prijzen van een stadsfiets met evenveel versnellingen als een mountainbike liggen rond de €200,-

De laatste optie is een hometrainer. Deze is erg stevig en heeft al een standaard waardoor hij stevig op de grond staat. Echter hebben deze hometrainers geen achterwiel. Hierdoor zal de hometrainer omgebouwd moeten worden om de motor aan te drijven. Hiervoor zal ook een overzettingsmechanisme nodig zijn. De aanschafprijs van een simpele hometrainer is €200,-

MagicPie motor

Deze motor is al aanwezig. De motor is vooral geschikt voor deze opstelling omdat deze motoren een erg lage RPM/volt ratio hebben. Deze motor heeft een overzetting van 8 RPM/volt. Hierdoor hoeft hij een relatief lage snelheid te hebben om een hoog voltage op te wekken.

Fietsstandaard

Voor de keuze van de fietsstandaard is maar één optie mogelijk. De Tacx fietstrainers. Dit zijn fietstrainers waarbij de fiets wordt geplaatst in een stevige standaard. Hierop is een magneet gemonteerd waardoor de weerstand is in te stellen. Omdat het in dit systeem om de standaard gaat en we de magneet demonteren kunnen we voor de goedkoopste versie kiezen. De standaard is voor elke fiets geschikt doordat de breedte van de achtervork van de Tacx standaard is in te stellen. De kosten van de Tacx fietstrainer zijn €80,-

De optie om zelf een standaard te maken valt af in verband met de beschikbare tijd en mogelijkheden om deze te maken.

Overbrengingsmechanisme

Een overbrengingsmechanisme is noodzakelijk om de trapbeweging om te zetten in een draaibeweging die de motor aandrijft. De mountainbike, wielrenfiets en stadsfiets beschikken hier al over, enkel bij de hometrainer zal er een aanpassing moeten komen.

RPM Meter

Om de omwentelingssnelheid van de motor te bepalen is een snelheidsmeter nodig. Hier zijn twee opties voor: tachometer of een hall-effect met behulp van een kilometerteller.

De tachometer is een erg nauwkeurig meetinstrument om de omwentelingssnelheid te bepalen van de as van de motor. Echter ligt de aanschafprijs van deze meter erg hoog. De prijzen beginnen vanaf € 100,-. Ook zal er een manier moeten worden gevonden om deze meter te installeren in het systeem.

Een kilometerteller werkt met een hall-sensor. Hiermee kan de kilometerteller een snelheid bepalen. Tevens is de fietscomputer erg eenvoudig te installeren met behulp van rubberen bandjes die om het frame worden gebonden. De aanschafprijs van een simpele

fietscomputer is € 15,-.

Voltmeter

Om de opgewekte spanning te kunnen meten van de MagicPie is een voltmeter nodig. Deze is echter al in bezit en te gebruiken voor deze meting.

(16)

5.2 Fase 2: Meten van de efficiëntie van de energie opwekking bij aangesloten belasting

Om de efficiëntie te kunnen bepalen moeten we het vermogen weten dat in die fiets wordt gestopt door de gebruiker en het vermogen dat wordt gebruikt door de belasting.

Het vermogen dat de belasting verbruikt is eenvoudig te meten met een spannings- en stroommeter. Om het ingaande vermogen te meten zijn er verschillende methodes

beschikbaar. Elke methode vraagt om verschillende onderdelen. In deze paragraaf zal er per methode worden gekeken welke onderdelen er nodig zijn. Deze methodes zullen worden vergeleken op aanschafprijs, gebruiksgemak en toepassing op het systeem. Overige materialen voor deze meting zullen in dit hoofdstuk achterwege worden gelaten omdat hier geen keuze in gemaakt hoeft te worden.

De volgende methodes zullen worden behandeld in dit hoofdstuk: - Fietsvermogensmeter

- Kettingspanner - Koppelsensor

- Eigen sensoren installeren Fietsvermogensmeter

In de professionele wielrenners wereld wordt er gebruik gemaakt van een

fietsvermogensmeter. Dit is een geheel geïntegreerd systeem dat wordt bevestigd aan de fiets waardoor deze het vermogen kan bepalen die de fietser moet leveren. Op deze manier kunnen de prestaties van de wielrenner nauwkeurig worden bepaald. Deze data worden vervolgens gebruikt voor zijn trainingen. Een fietsvermogensmeter is klein van formaat en omvat het gehele systeem om het vermogen te bepalen. Daarnaast is deze te monteren op elke fiets. De kosten van deze systemen liggen vanaf € 1.500,-.

Kettingspanner

De kettingspanner is een klein wieltje dat wordt bevestigd aan de bovenkant van de fietsketting. Als er kracht wordt gezet zal de ketting strak komen te staan en zal het wieltje naar boven worden gedrukt. De mate van uitslag van dit wieltje is een maat voor de kracht die wordt geleverd door de fietser. De aanschafprijs van de materialen om dit systeem te bouwen zijn om en nabij € 50,-. De montage van het systeem luistert echter erg nauw omdat het hoogteverschil van de ketting het en wieltje maximaal enkele millimeters is.

Koppelsensor

De luxere fietsmodellen die elektrisch worden ondersteund bevatten tegenwoordig een koppelsensor. Aan de hand van deze sensor weet men hoeveel kracht een persoon moet leveren en daardoor kan de motor worden aangestuurd om extra vermogen te leveren of juist minder. De sensor is klein van formaat en wordt bevestigd in het frame aan de achtervork van de fiets. Als er veel kracht wordt gezet op de pedalen ontstaat er een lichte vervorming in de achtervork waardoor de sensor uitgerekt. Door de rekstrookjes in de sensor ontstaat er een verandering van de weerstand. Dit verschil wordt gemeten en is een maat voor de geleverde kracht. Om deze kracht te meten is het noodzakelijk dat de sensor geheel in het frame wordt verwerkt. Om deze sensor te verwerken in een fiets die niet is uitgerust met deze sensor zal er dus nauwkeurig in het frame moeten worden gefreesd en de sensor met precisie worden moeten geplaatst.

(17)

Eigen sensoren installeren

Om inzicht te krijgen welke sensoren er exact nodig zijn om het vermogen te bepalen van de fiets heb ik een eenvoudig natuurkundig overzicht gemaakt van de fiets. Uit dit overzicht is duidelijk af te leiden welke grootheden er gemeten moeten worden. Hierdoor is er inzicht verkregen welke sensoren er nodig zijn om het vermogen te bepalen.

Het vermogen van een ronddraaiend object is te bepalen met de formule: 𝑃 = 𝑇 ∗ 𝜔. Hier is T het koppel is en 𝜔 de rotatie snelheid van de trappers. De rotatiesnelheid is af te lezen van de rpm meter die gebruikt wordt in fase 1. De onderstaande afbeelding geeft weer hoe het koppel kan worden bepaald bij het fietsen.

Afbeelding 1: Overzicht krachten van een fietstrapper

Om het koppel te bepalen zijn er dus twee grootheden van belang. De hoek alpha en de kracht Ftrap. Om het uiteindelijke koppel te berekenen is het van belang dat de data kan worden binnengehaald naar de computer om daar via software het uiteindelijke vermogen te bepalen.

Om hoek alpha te bepalen is er een hoeksensor nodig. Deze hoeksensor zal een bereik moeten hebben van 360 graden zonder een mechanische stop omdat de trapper geheel zal doordraaien in een richting. Een hoeksensor met deze specificaties is klein van formaat waardoor deze makkelijk is te monteren op de trapper. De aanschafprijs van deze sensor is € 90,-. Echter hebben we wel twee sensoren nodig, voor elke trapper één.

Om Ftrap te bepalen zal er een krachtsensor nodig zijn. Deze krachtsensoren zullen klein van formaat moeten zijn omdat deze op de trapper bevestigd moeten worden. Tevens zullen de krachtsensoren een minimaal capaciteit moeten hebben van 100 kg.

Een miniatuur loadcell die onder andere wordt gebruikt in personenweegschalen voldoet aan deze eisen. Deze heeft een capaciteit van 150 kg en kan makkelijk worden gemonteerd op de trapper. De kosten van deze loadcell zijn € 30,- en ook van deze sensor zijn twee exemplaren nodig.

Echter is de uitgangsspanning van deze sensoren maximaal enkele millivolts. Om deze nauwkeurig te meten zal de uitgangsspanning moeten worden versterkt met een analoge versterker. Deze analoge versterkers zijn te verkrijgen vanaf € 8,-.

(18)

5.3 Fase 3: Meten efficiëntie van de energie opwekking bij koppeling aan het energienet

Om de efficiëntie te bepalen bij het terugleveren van de opgewekte energie naar het energienet zal er gebruik worden gemaakt van de methode van fase 2. Echter zal er een keuze gemaakt moeten worden in een inverter. Deze inverter zet de door de generator opgewekte gelijkspanning om in een 230V wisselspanning en synchroniseert deze spanning met het net. Er zijn verschillende inverters op de markt die deze functionaliteit hebben. Echter hoe hoger het vermogen dat de inverter aankan, hoe lager de efficiëntie van de inverter. Er zijn twee inverters die een laag maximaal vermogen hebben: OK4E-100 en Exendis Gridfit 250. Hieronder worden deze twee inverters verder uitgewerkt. De inverters zullen worden vergeleken met kosten, efficiëntie en gebruiksgemak.

OK4E-100

De OK4E-100 inverter is een inverter die veel gebruikt wordt in combinatie met

Photo-Voltaïsche (PV) systemen. De inverter heeft een maximaal vermogen van 100W waardoor deze een hoge efficiëntie heeft van 94%. Hierdoor heeft de inverter ook een laag verbruik in wachttoestand, namelijk 3mW. Ook beschikt de OK4E-100 omvormer over de mogelijkheid om te communiceren met een pc waardoor allerlei data kan worden uitgelezen en

opgeslagen. Doordat de inverters niet meer worden gemaakt is de OK4E-100 alleen in gebruikte staat te koop. Dit zorgt er wel voor dat de aanschafprijs aanzienlijk lager ligt. De aanschafprijs ligt gemiddeld op €70,-.

Exendis Gridfit 250

De Exendis Gridfit 250 inverter is een erg eenvoudige inverter. Hij heeft een maximaal vermogen van 200W. Hierdoor is zijn efficiëntie 90%. De Exendis is erg geliefd bij installateurs vanwege zijn eenvoud. De Gridfit 250 verbruikt 8mW in wachttoestand. De Gridfit 250 heeft geen mogelijkheden tot communicatie met de computer waardoor het niet mogelijk is om bepaald waardes uit te lezen. Hierdoor is er dus een aparte powermeter nodig waarmee de teruggeleverde energie wordt gemeten.

(19)

5.4 Morfologisch overzicht

De bovengenoemde deelsystemen zijn verwerkt in een morfologisch overzicht. In dit overzicht zijn de verschillende deelsystemen geplaatst met daarachter de mogelijkheden waarin een keuze gemaakt moet worden. Dit overzicht wordt in het volgende hoofdstuk uitgewerkt om zo tot een keuze te komen die gebruikt zal worden voor het project.

Afbeelding 2: Morfologisch overzicht van de deelsystemen

Fase%1

Fiets Mountainbike Stadsfiets Wielrennersfiets Hometrainer

Fietsstandaard Tacx8fietstrainer

Overbreningsmechanisme Ketting8overbrenging Riemoverbrenging

Rotatie8per8minuut8meter Tachometer Fietscomputer

Voltmeter Multimeter

Fase%2

Meten8van8vermogen8van8de8fietser Fietsvermogensmeter Kettingspanner Koppelsensor Eigen8sensoren8installeren

Fase%3

DC/AC8netFinverter OK4EF100 Exendis8Gridfit8250

8

(20)

6. Reduceren van systeemconcepten

In hoofdstuk 5 zijn er verschillen de systeemconcepten per fase naar voren gekomen. In dit hoofdstuk zullen de verschillende onderdelen/systemen worden gereduceerd naar één welke het beste past binnen de gestelde eisen en het doel. Vervolgens zal het opgestelde

morfologische overzicht worden uitgewerkt uit hoofdstuk 5. Hierdoor is in een oogopslag duidelijk welke combinaties van deelsystemen er mogelijk zijn. Dit overzicht vindt u aan het eind van dit hoofdstuk.

In deze fase zijn er verschillende onderdelen nodig. Deze worden in dit hoofdstuk besproken en zal er een keuze worden gemaakt welk onderdeel er gebruikt zal worden voor het project.

Fiets

Er zijn vier mogelijke onderdelen die gebruikt kunnen worden. Hieronder is een tabel uitgezet waarin de onderdelen worden vergeleken met de gestelde eisen.

Lage aanschafkosten Stevige constructie Motor eenvoudig te plaatsen Mountainbike x x x Racefiets x x Stadsfiets x x Hometrainer x

Tabel 1: Vergelijking van de mogelijke fietsen

Als we de bovenstaande onderdelen vergelijken zien we dat alleen de mountainbike aan alle eisen voldoet. De mountainbike zal dan ook gebruikt worden voor het project vanwege zijn lage kosten, stevige constructie en eenvoudige demontage van het achterwiel. Doordat de mountainbike gebruikt zal worden hoeft er ook geen overbrengingsmechanisme worden gekozen.

RPM meter

De tachometer die gebruikt kan worden is erg duur en tevens is er geen mogelijkheid om deze uit te lezen op de computer. De fietscomputer is erg goedkoop en eenvoudig te installeren in tegenstelling tot de tachometer. Om deze reden is er voor de fietscomputer gekozen voor dit project.

(21)

Om het vermogen te bepalen dat de fietser in de fiets moet stoppen om energie op te

wekken zijn er in hoofdstuk 5 vier methodes gevonden waarmee dit mogelijk is. Per methode zijn er andere materialen nodig. In dit hoofdstuk zal er een keuze worden gemaakt welke methode er zal worden toegepast om dit vermogen te bepalen.

Fietsvermogensmeter

De fietsvermogensmeter is in feite ideaal voor het doel van deze fase. Echter is de

aanschafprijs zodanig hoog dat dit het doel voorbij streeft. Omdat dit product erg past bij het doel is ook de mogelijkheid bekeken om een fietsvermogensmeter te huren of lenen. Er waren echter geen instanties waarbij dit mogelijk was. Om deze redenen zal de

fietsvermogensmeter niet worden gebruikt in het project.

Kettingspanner

Doordat er kracht op de trappers wordt gezet zal door deze kracht de ketting strak getrokken worden. De kettingspanner zal het verschil van hoogte meten van de ketting als deze wordt strakgetrokken. Echter zal de ketting bij een bepaalde kracht niet meer in hoogte toenemen. Ook zal de hoogte die de ketting toeneemt aan de hand van de kracht erg klein zijn en daardoor erg moeilijk te meten. Om deze rede zal de kettingspanner niet worden gebruikt om het vermogen te meten.

Koppelsensor

Deze sensor, ontwikkeld door een Nederlands bedrijf, dat wordt toegepast bij elektrische fietsen en moet geheel in het frame worden verwerkt. Doordat deze sensor op een zeer accurate manier moet worden verwerkt in het frame is dit niet te realiseren in een bestaand frame. Om deze sensor toch in een frame te verwerken zal er door een extern bedrijf een “Custom Made” ontwerp worden gemaakt om het frame aan te passen. Helaas zal dit erg veel tijd en geld kosten waardoor deze sensor niet zal worden gebruikt in ons project.

Eigen sensoren installeren

Zoals in hoofdstuk 5, paragraaf 2 staat beschreven zijn er twee sensoren nodig om het vermogen te meten als we via de fietscomputer de snelheid gaan meten. Deze sensoren zullen worden bevestigd aan de trappers. In combinatie met de snelheid kunnen we hieruit het vermogen bepalen. Van de hoeksensoren zonder een mechanische stop met een hoek van 360 graden zijn er al twee in bezit waardoor deze niet hoeven worden aangeschaft. De twee krachtsensoren inclusief de analoge versterker zijn erg goedkoop in aanschaf en relatief gemakkelijk te installeren op de fiets. Ook kunnen we deze data via een data-acquisitie kaart binnen halen op de computer waardoor we de gegevens kunnen verwerken en visualiseren. Deze data-acquisitie kaart en software zijn al in bezit en kunnen dus kosteloos worden gebruikt voor het project. Vanwege de lage kosten, makkelijke installatie en grote toepasbaarheid zal deze methode worden gebruikt voor ons project om het vermogen te meten die de gebruiker in het systeem stopt om energie op te wekken.

(22)

Om de opgewekte spanning terug te voeden op het net is een inverter nodig. In hoofdstuk 5 zijn er twee inverters met elkaar vergeleken. In dit hoofdstuk zal er een keuze worden gemaakt welke inverter er wordt gebruikt voor dit project.

OK4E-100

Doordat deze inverter een relatief laag maximaal vermogen van 100W heeft, heeft de inverter een hoog rendement van 94%. Ook heeft deze inverter de mogelijkheid om te communiceren waardoor de data van de inverter zijn uit te lezen via de computer. Echter verwachten we dat er een hoger vermogen kan worden opgewekt doormiddel van de fiets dan 100W. In dit geval zal deze inverter niet meer voldoen aan de eisen van het project. Een voordeel van deze inverter is dat deze al in bezit is door OliNo. Hierdoor kan er gelijk gebruik gemaakt worden van de functionaliteit.

Exendis Gridfit 250

De Exendis Gridfit 250 heeft doordat hij een hoger maximaal vermogen heeft van 250W een rendement van 90%. Echter heeft de Gridfit 250 geen mogelijkheid tot communicatie met de pc waardoor er geen informatie kan worden uitgelezen. Om het teruggevoede energie te meten is er een externe powermeter nodig. Deze powermeter is al in ons bezit en zal dus kosteloos gebruikt kunnen worden.

Conclusie

Doordat de OK4E-100 meer voordelen heeft ten opzichte van de Exendis Gridfit 250 zal er eerst worden gewerkt met de OK4E-100. Mocht deze inverter niet voldoen aan de wensen dan kan deze inverter nog worden gebruikt voor andere doeleinden buiten dit project. Mocht na de eerste metingen blijken dat 100W veel te weinig is kan er worden besloten om de Exendis Gridfit 250 aan te schaffen.

(23)

6.4 Uitwerking morfologisch overzicht

In dit hoofdstuk is er een morfologisch overzicht gegeven waarin de deelsystemen staan weergegeven. In deze paragraaf zal doormiddel van de bovenstaande motivatie het overzicht worden uitgewerkt dat leidt tot een keuze van ontwerp.

Afbeelding 3: Uitgewerkte versie van het morfologisch overzicht

De rode lijn geeft de gekozen deelsystemen weer. Hieronder zal in samenvattende woorden worden gemotiveerd waarom de keuze niet is gevallen op de andere deelsystemen. Er zijn onderling ook nog andere combinaties mogelijk. Deze zijn achterwege gelaten omdat daar dezelfde motivatie geld als voor de andere deelsystemen.

Fase%1

Fiets Mountainbike Stadsfiets Wielrennersfiets Hometrainer

Fietsstandaard Tacx8fietstrainer

Overbreningsmechanisme Ketting8overbrenging Riemoverbrenging

Rotatie8per8minuut8meter Tachometer Fietscomputer

Voltmeter Multimeter

Fase%2

Meten8van8vermogen8van8de8fietser Fietsvermogensmeter Kettingspanner Koppelsensor Eigen8sensoren8installeren

Fase%3

DC/AC8netFinverter OK4EF100 Exendis8Gridfit8250

8888888888888=8gekozen8ontwerp 8=8andere8mogelijkheden

(24)

Bij keuze van de stadsfiets kan er tevens gekozen worden voor een fiets met elektrische ondersteuning waar al een koppelsensor in is verwerkt. Deze sensoren zitten alleen in de premium modellen met een hoge aanschafprijs vanaf € 1800,-. Zoals in hoofdstuk 5 al wordt benoemd is de stadsfiets zonder deze koppelsensor ook erg duur.

Dit geld ook voor de wielrenfiets. Deze fiets leent zich echter goed voor een kettingspanner vanwege de ruimte rond te ketting. Het nadeel van deze meetmethode is dat de metingen niet secuur zijn en het hoogteverschil van de kettingspanner moeilijk is te meten.

Bij het gebruik van de hometrainer zal er een overbrengingsmechanisme moeten worden aangebracht. De voorkeur van een riemoverbrenging hier is gemaakt omdat deze minder geluid maakt en eenvoudiger in gebruik is als er geen gebruik wordt gemaakt van

versnellingen. Omdat bij de hometrainer geen gebruik gemaakt kan worden gemaakt van de andere meetsystemen zal de fietsvermogensmeter geïnstalleerd moeten worden.

Het ombouwen van de hometrainer zodat deze de MagicPie motor kan aandrijven is erg lastig en een tijdrovend werk. Echter wordt er verwacht met een hometrainer efficiënter te kunnen fietsen vanwege zijn ontwerp. Hierdoor zal er meer energie opgewekt kunnen worden en zal er een Gridfit 250 inverter geïnstalleerd moeten worden.

(25)

7. Uitwerking gekozen concept

In hoofdstuk 6 is er een keuze gemaakt in de beschikbare methodes, materiaal en systemen. Ook is in het morfologische overzicht van hoofdstuk 6 in één oogopslag te zien welke

deelsystemen er gebruikt zullen worden voor dit project. In dit hoofdstuk zullen de gekozen methodes en materialen worden uitgewerkt zoals deze zijn toegepast in het project. Er zal per fase worden uitgelegd hoe het systeem werkt en hoe de meting is verricht. Voor de gemeten waarden verwijs ik naar de bijlage waarin het meetrapport te vinden is.

Om het spanningsverloop in relatie tot de hoeksnelheid te kunnen meten is als eerste de basis opstelling gebouwd. Het achterwiel is verwijderd en de cassette is van het achterwiel verwijderd. Vervolgens is de cassette op de MagicPie motor bevestigd en is de motor op het frame bevestigd.

Vervolgens is het magneetsysteem van de Tacx fietstrainer verwijderd waardoor de gehele fiets in de standaard is te bevestigen. Het is op dit moment mogelijk om te fietsen waardoor de motor wordt aangedreven. Op de onderstaande foto is te zien hoe de opstelling is opgebouwd.

Afbeelding 4: De MagicPie is geïnstalleerd in het frame.

(26)

De MagicPie motor heeft twee uitgaande connectoren. Een connector is van de interne driver waaraan een gashendel, batterij indicatie, reverse modeschakelaar en de cruise control aangesloten kan worden. Deze functies zijn uiteraard van belang als men de motor gebruikt als aandrijfmechanisme. Echter hebben deze functies voor ons geen meer waarde

aangezien we de motor gebruiken als generator.

De andere connector is om de batterij aan te sluiten. Op deze connector zal ook de spanning komen staan als we energie gaan opwekken doormiddel van het fietsen. Ook zal uiteindelijk de belasting worden aangesloten op deze connector.

Vervolgens is de fietscomputer geïnstalleerd op de fiets. Door het magneetje te bevestigen aan de motor en de schakelaar aan het frame zal bij elke omwenteling de schakelaar dicht gaan. De tijd tussen deze pulsen wordt vervolgens in de fietscomputer verwerkt tot een snelheid.

Het is op dit moment dus mogelijk om de spanning te gaan meten bij verschillende snelheden. De resultaten van deze meting zijn te vinden in Bijlage 1: Meetrapport 1.

Deze fase is de grootste van de drie. Hier moet het gehele vermogens meetsysteem worden geïnstalleerd en de bijbehorende software worden geschreven. Deze fase zal in

verschillende subsystemen worden uitgelegd.

Data acquisitie kaart

Om wat meer inzicht te geven in de gemaakte opstelling zal er eerst wat achtergrond informatie worden gegeven van de gebruikte data-acquisitie kaart.

De gebruikte data-acquisitie (DAQ) kaart is een “Labjack U3”. Deze DAQ heeft de volgende aantallen soorten ingangen.

Soort in/uitgang Aantal Bereik

Analoge ingang 4 -10 tot +20 V

Analoge uitgang 2 0 tot 5V

Flexibele in- en uitgang 4 0 tot 3,6 V

Ground 6 -

Tabel 2: Overzicht in en uitgangen met bijbehorend bereik.

Van de bovengenoemde vier flexibele poorten kunnen de eerste twee worden gebruikt als timer of als counter.

De software die gebruikt wordt om de data uit te lezen van den DAQ is LabVIEW 10.0 van National Instruments.

(27)

In de onderstaande tabel is te zien op welke poorten de sensoren zijn aangesloten.

Naam in of uitgang “Labjack U3” Aangesloten apparaat

AI0 Linker krachtsensor

AI1 Rechter krachtsensor

AI2 Spanningsdeler

AI3 Schakelaar fietscomputer

FIO4 Rechter krachtsensor

FIO5 Linker krachtsensor

Tabel 3: Aansluittabel "Labjack U3".

National Instruments “LabVIEW 10.0”

LabVIEW is een volledig grafische applicatie waarin door middel van virtual instruments (VI) de gewenste functionaliteit kan worden verkregen. Doormiddel van verschillende lijnen kunnen deze VI’s met elkaar verbonden worden. Elk soort lijn staat voor een andere datasoort. In de gemaakte software voor het project worden er verschillende ingangen van de DAQ ingelezen en daar wordt in de software mee gerekend zodat er uiteindelijk bruikbare data wordt weergegeven.

De onderstaande afbeelding geeft weer hoe in LabVIEW alle poorten worden uitgelezen.

Afbeelding 7: Overzicht van het uitlezen van data binnen LabVIEW.

1: Deze VI’s zetten de communicatie met de DAQ op

2: Deze VI leest de poorten uit van de DAQ en stopt deze in een array Meten van de spanning met behulp van de data-acquisitie kaart

Omdat alle data van de gebruikte sensoren worden uitgelezen met behulp van de DAQ is het erg handig als ook de opgewekte spanning van de motor kan worden uitgelezen met behulp van de DAQ. Echter is de maximaal opwekbare spanning 48V en kan de hoogste analoge input (AI) van de DAQ maar 20 volt aan. Om deze rede is er een spanningsdeler gebouwd met behulp van twee weerstanden. Hierdoor wordt de opgewekte spanning gedeeld met een

5e waardoor de spanning nooit boven de 10V uitkomt dat op de DAQ komt te staan. Door de

marge van 10V kunnen eventuele pieken worden opgevangen.

1

(28)

Doordat de ingangsimpedantie van de DAQ 1MΩ is, is er voor gekozen om de weerstand van de deler een factor 1000 lager te nemen zodat de ingangsimpedantie van de DAQ zo min mogelijk invloed heeft op de meting. Ook kunnen de twee weerstanden één Watt aan omdat er wat warmte zal worden gedissipeerd door de weerstanden.

Hieronder is een weergave van de spanningsdeling.

Afbeelding 8: Aansluiting spanningsdeler

Vervolgens wordt de data via LabVIEW ingelezen en vermenigvuldigd met vijf vanwege de spanningsdeling. Daarna wordt het gemiddelde van tien metingen opgeslagen in een file en wordt de data gevisualiseerd in een grafiek en tekstveld. In bijlage 2 staat een printscreen van LabVIEW waarin de verwerking van de data is te zien.

Het meten van de hoek tussen de trapper en de crank

Om de hoek tussen de trapper en de crank te meten wordt er gebruik gemaakt van een hoeksensor, de “DIS QR”. Deze sensor is bevestigd op de trapper en de as van de sensor is verbonden met de as van trapper die vast zit aan de crank. Op deze manier kan de hoek worden bepaald tussen de trapper en de crank.

De sensor heeft een lineaire uitgang waarbij de uitgangsspanning van 0,5V overeenkomt met 0 graden (360 graden komt overeen met een spanning van 4,5V). De overzetting van een voltage naar de desbetreffende hoek wordt gedaan in de software. Deze omzetting is te zien in bijlage 2, nummer 2.

Kracht

Om de kracht te meten die op de pedalen die door de gebruiker wordt uitgeoefend wordt er gebruikt gemaakt van een miniature loadcell van Zemic, de 1T-JS. Deze sensor heeft een uitgangsgevoeligheid van 2.0 mV/V, met een maximum excitation voltage van 10V. Het maximale gewicht dat deze sensor aankan is 150 kg. Dit houdt in dat bij volle belasting van 150 kg, de uitgangsspanning 2 mV is per volt ingangsspanning. Aangezien de maximale ingangsspanning 10 V is, kan de maximale uitgangsspanning dus maar 10*2mV= 20mV. Echter zijn 9 V voedingen makkelijker verkrijgbaar dan 10V dus zal er gebruik worden gemaakt van een 9V voeding. Dit komt dus neer op een maximale uitgangsspanning van 18mV.

Dit is een zodanig kleine spanning dat deze moeilijk nauwkeurig is te meten met de DAQ. Om deze rede moet de uitgang worden versterkt met een analoge versterker.

Een veel gebruikte analoge versterker in combinatie met loadcells is de “AD620” van

“Analog”. Deze versterker kan met behulp van een externe weerstand zijn versterkingsfactor (gain) regelen. Om te bepalen welke weerstand nodig is moet eerst bepaald wordt hoe hoog

(29)

De krachtsensoren zijn aangesloten op de flexibele inputs die een maximum

ingangsspanning aankunnen van 3,6V. De maximale uitgangsspanning van de loadcell bij 9V is 18mV.

3,6/0,018=200. De versterker zal dus een factor 200 moeten gaan versterken.

Om uit te rekenen welke weerstand hierbij hoort heeft “Analog” een ontwerpvergelijking in de handleiding geplaatst. 𝐺𝑎𝑖𝑛 =49,4𝑘Ω 𝑅! + 1 𝑅!= 49,4𝑘Ω 𝐺𝑎𝑖𝑛(= 200) − 1= 248,24Ω

Er zal dus een weerstand van om en nabij de 250 Ω worden aangesloten op de versterker om de gewenste uitgangsspanning te verkrijgen.

Vervolgens wordt de sensor gekalibreerd door te kijken wat zijn uitgangsspanning is bij nul last en bij een vast gewicht. Als deze uitgangsspanningen bekend zijn ontstaat er een lineaire lijn waarop gemeten mag worden. De omzetting van spanning naar een gewicht is te zien in de afbeelding van de software in bijlage 2, nummer 2.

De onderstaande afbeelding geeft de krachtsensor weer en de manier waarop deze is gemonteerd op de trapper. Het zwarte blokje aan de kopse kant van de trapper is de hoekencoder.

Snelheid

In de vorige fase werd de snelheid bepaald met behulp van de fietscomputer. Echter om het vermogen te bepalen met behulp van de geplaatste sensoren is het van belang dat we de snelheid kunnen uitlezen in de software. Dit is niet mogelijk met de fietscomputer. Vandaar is er besloten om de pulsen van de fietscomputer uit te lezen. Zodra het magneetje dat is bevestigd op de motor langs de op het frame gemonteerde schakelaar passeert zal de schakelaar dicht gaan. Deze puls ontstaat dus bij één omwenteling van de motor. Door de tijd tussen de pulsen te meten kan de snelheid van de motor dus berekend worden. Het meten van de tijd tussen de pulsen en het omrekenen van deze tijd naar een snelheid is te zien in de software in bijlage 2, punt 7.

(30)

Vermogen

Met de geïnstalleerde sensoren is het uiteindelijk mogelijk om het vermogen te bepalen die de fietser in de fiets stopt om de motor aan te drijven. De volledige formule voor het

berekenen van het vermogen is hieronder te vinden. 𝑃 = (𝐹!"#$∗ sin 𝛼) ∗ 𝐿 ∗ 𝜔

Hierin is P het vermogen

𝐹_!"#$= Kracht die op te trappers wordt gezet door de fietser sin 𝛼 = De hoek tussen de trapper en de crank

L = De lengte van de crank. Deze is in ons geval 0.175 meter. 𝜔 = De snelheid van de trappers in radialen per seconde

Met de gegevens van de sensoren kan deze berekening worden gemaakt. Deze berekening wordt gemaakt in een VI. Deze is te zien in bijlage 5, punt 5.

Belasting

Door de motor te belasten zal er een ankerstroom gaan lopen door de motor. Dit zorgt er voor dat er meer koppel wordt gevraagd van de motor en dat de fietser meer moeite moet doen om de trappers rond te krijgen. Hoe groter de aangesloten belasting is, hoe zwaarder het fietsen zal worden.

In deze fase is er gekozen om halogeenlampen als belasting aan te sluiten. Door

verschillende lampen met een verschillend vermogen aan te sluiten kunnen we het fietsen verzwaren of juist verlichten. Zo kan er gekozen worden voor:

- Drie keer 20W = 60W totaal - Drie keer 35W = 105W totaal - Drie keer 50W = 150W totaal

Hoe hoger het totale wattage van de verlichting hoe zwaarder het fietsen zal worden, maar hoe meer licht er zal zijn. Deze lampen kunnen eventueel worden vervangen door LED lampen. Hiermee hoeft men minder moeite te doen voor hetzelfde licht waarmee inzicht in het energie verbruik van lampen verkregen wat de doelstelling ondersteund.

Aansluitschema

Een volledig aansluitschema is te vinden in bijlage 3. In deze afbeelding is te zien op welke manier de sensoren zijn aangesloten en op welke ingang op de DAQ.

(31)

Om de opgewekte energie terug te voeden in het energienet zal de opgewekte

gelijkspanning omgezet moeten worden naar een wisselspanning die synchroon loopt met het elektriciteitsnet. Om dit voor elkaar te krijgen wordt er gebruik gemaakt van een

zonnepanelen inverter.

Inverter

De gebruikte inverter is een OK4E-100 inverter. Deze inverter heeft een ingang en een uitgang. De ingang van de inverter is voor de gelijkspanning. Als de gelijkspanning boven de 24V is zal de inverter in wachtstand keren.

De uitgang moet worden aangesloten op het elektriciteitsnet. De inverter zal constant het net meten. Als de spanning en frequentie van het net overeen komen met de voorgeschreven waardes en de ingangsspanning is boven de 24V, dan zal de inverter terug gaan leveren aan het elektriciteitsnet. Hierbij moet de spanning van het net minimaal 190𝑉!" en maximaal

270𝑉!" zijn met een frequentie tussen de 49 en 51Hertz (Hz).

Ingangsspanning

In de uitvoering van deze fase bleek als snel dat er geen energie werd omgezet door de inverter als de opgewekte spanning van de opstelling rechtstreeks werd aangesloten op ingangsspanning van de inverter. Echter deed de inverter dit wel bij het rechtstreeks aansluiten op een regelbare lab voeding. Deze constatering deed als snel het vermoeden opwekken dat het spanningssignaal van de opstelling niet zuiver genoeg was om de inverter te laten werken. Om dit vermoeden te verifiëren is de uitgangsspanning van de MagicPie motor gemeten met een oscilloscoop waarbij er 60W aan halogeenlampen is aangesloten als belasting.

De onderstaande afbeelding is het beeld van de oscilloscoop van de spanning gemeten over de 60W belasting.

(32)

Op de bovenstaande afbeelding is duidelijk te zien dat de spanning fluctueert tussen de 14,8 en 18,8V. Tevens heeft het signaal een gemiddelde periodetijd van 400ms. Echter is deze tijd afhankelijk van de snelheid waarmee er wordt gefietst. Het variëren van de spanning komt hoogstwaarschijnlijk omdat er op verschillende momenten meer kracht wordt gezet op de trappers waardoor er een hogere snelheid wordt behaald en hiermee een hogere

spanning wordt opgewekt.

Elektrolytische condensator (elco)

Er zal een constructie bedacht moeten worden om deze spanning af te vlakken zodat de inverter zijn werk gaat doen. Wat vaak gebruikt wordt voor het afvlakken van spanningen is een elektrolytische condensator, kortweg elco. Deze condensator wordt opgeladen tijdens de “pieken” van het signaal en ontlaat zich tijdens de “dalen” waardoor deze worden overbrugt. Dit resulteert in een vlakker signaal.

Er zijn drie elco’s van ieder 10.000uF, in totaal dus 30.000uF, parallel over de

uitgangsspanning van de MagicPie motor aangesloten om de spanning af te vlakken. Daarna is er opnieuw met een oscilloscoop het signaal gemeten om te kijken of er enige verbetering is opgetreden. De onderstaande afbeelding geeft het beeld van de oscilloscoop bij het meten van de spanning over de belasting met de elco’s aangesloten.

Afbeelding 11: Spanning over 60W halogeenlampen met aangesloten elco's van 30.000uF

Zoals in de bovenstaande afbeelding goed is te zien in vergelijking met de eerste meting zonde elco’s, is dat de gemiddelde fluctuatie van de spanning aanzienlijk minder is. Echter is er toch nog een fluctuatie van de spanning tussen de 19,2 en 15,6V. Ook bij het opnieuw aansluiten van de inverter bleek dat deze geen vermogen omzette bij het aanbieden van de meer afgevlakte spanning. Hieruit blijkt dat de spanning nog te veel fluctueert voor de inverter om deze te laten werken.

Er zouden eventueel meer elco’s aangesloten kunnen worden waardoor de spanning nog vlakker zou worden. Echter zou dit erg onpraktisch worden als er of meer elco’s zouden

(33)

DC/DC Converter

Een andere methode om de spanning af te vlakken is om gebruik te maken van een DC/DC converter. Deze converter heeft zowel een DC ingangs- als uitgangspanning. Echter heeft de ingang een spanningsbereik en is de uitgang een vaste spanning. Hierdoor is het mogelijk om de fluctuerende spanning te converteren in een vaste spanning.

De DC/DC converter moet een ingangsbereik hebben tussen de 20-50 𝑉_!" en een

uitgangsspanning die ligt tussen de 30-50 𝑉!". Tevens moet de converter een minimaal

vermogen hebben van 100W omdat de OK4E inverter een vermogen kan omzetten van 100W.

Met deze specificaties is de keuze gevallen op de Traco Power TEP 150-4818WI DC/DC

Converter. Deze DC/DC converter heeft een ingangsbereik van 18-75 𝑉_!" en een

uitgangsspanning van 48 𝑉!". Het maximale vermogen is 150W wat ruim boven het minimaal

gestelde vermogen ligt.

Voordelen:

Buiten het feit dat dankzij de DC/DC converter de OK4E zijn vermogen kan omzetten zijn er nog meer voordelen verbonden aan het gebruik van de converter.

- Zo hoeft er niet meer een minimale spanning van 24V worden opgewekt om energie op het net terug te voeden. Nu ligt deze grens bij 18V waardoor er aanzienlijk minder hard gefietst hoeft te worden.

- Omdat de het bereik van de ingangsspanning van de converter erg hoog is, namelijk

tussen de 18 en de 75 𝑉_!" is de kans dat de converter overbelast raakt door een te

hoge spanning een stuk kleiner omdat het erg lastig is om 75 𝑉_!" op te wekken met

de opstelling. Ook de OK4E inverter is hierdoor beter beschermt tegen een te hoge ingangsspanning.

Nadelen:

Naast de bovengenoemde voordelen zijn er ook enkele nadelen aan het gebruik van de converter.

- Het maximale vermogen van de converter is 150W terwijl de OK4E inverter maar 100W aankan. Dit houdt in dat in theorie de OK4E overbelast kan raken als er te hard wordt gefietst. Het is overigens wel erg lastig om dit vermogen op te wekken wat de kans op overbelasting erg klein maakt.

- Een voorwaarde van de opstelling is dat de energie omzetting van bewegingsenergie naar elektrische energie zo efficiënt mogelijk moest zijn. Echter heeft de Traco Power converter een maximale efficiëntie van 87%. Dit betekend dat 13% van de inkomende energie verloren gaat in de converter.

Na het installeren van de DC/DC converter springt de OK4E inverter wel aan en is op de powermeter te zien dat hij energie terugleverd op het net. Echter loopt het vermogen op naar zijn maximum en springt daarna weer terug. De inverter levert dus niet constant zijn

maximum af op het net. De oorzaak hiervan is nog volledig onbekend en zal in de toekomst verder uitgezocht moeten worden. Dit punt zal ook vernoemd worden in hoofdstuk 10: “Status van het project en hoe nu verder”.

(34)

8. Verbetering van de efficiëntie van de opstelling

Doordat er nog geen goede metingen zijn verricht op het gebied van de efficiëntie is het nog niet duidelijk waar de grootste verliezen zitten in de opstelling. Echter zijn er in de loop van het project wel enkele punten naar voren gekomen. Deze punten zullen in dit hoofdstuk worden aangekaart zodat hier eventueel een vervolgopdracht uit kan komen.

Bewegingsomzetting doormiddel van fietsen

De grootste oorzaak van efficiëntie is de fietsbeweging zelf. Als we kijken hoe koppel ontstaat zien we al in hoofdstuk 5, afbeelding 1, dat de kracht op te trapper loodrecht moet staan op de crank om koppel te genereren. Echter is er maar één moment in de hele cyclus waarbij dit het geval is en dat is als de crank volledig horizontaal staat en dus de voet hier evenwijdig aan is. De rest van de cyclus staat de trapper onder een andere hoek en zal de kracht die de voet op te trapper zet worden ontbonden. In dit geval zal maar een deel van de kracht zorgen voor koppel. Dit deel is afhankelijk van de hoek tussen de trapper en de crank.

Een manier om dit te verbeteren is om gebruik te gaan maken van SPD-pedalen. SPD staat voor Shimano Pedaling Dynamics en is een systeem van klikpedalen. Hierdoor klikt de schoen vast aan het pedaal waardoor de voet vast zit aan het pedaal. Hierdoor kan er ook kracht worden gezet bij de opgaande beweging wat ten goede komt voor het opgewekte vermogen. Een kanttekening hierbij is dat dit systeem niet de efficiëntie verbeterd met de effectiviteit. Er moet immers meer energie geleverd worden die eerst niet geleverd werd. Echter bied het wel een mogelijkheid om deze bewegingsenergie over te brengen aan de motor.

Interne inverter MagicPie motor

De MagicPie motor bevat een interne inverter/controller die oorspronkelijk zorgt voor de aansturing van de motor. Zo kan met behulp van gashendels het toerental van de motor worden bepaald en kan de cruise control worden ingesteld. Echter worden al deze functies niet gebruikt omdat de motor in deze opstelling wordt gebruikt als generator. De inverter zorgt alleen voor de gelijkrichting van de wisselspanning van de motor naar een

gelijkspanning. Omdat de inverter nog meer ongebruikte elektronica bevat ligt het rendement van de motor maar op 78%.

Dit getal is enigszins te verlagen door de interne inverter los te koppelen en extern voor de gelijkrichting te zorgen. Als de drie fases van de motor worden gelijkgericht door een gelijkrichtersbrug, gevolgd door een elco om de spanning af te vlakken, zal de efficiëntie hoger liggen dan dat deze op het moment is. Vervolgens kan er gemeten worden om de nieuwe efficiëntie te bepalen.

Ok4E inverter & DC/DC converter

De apparatuur waar gebruik van wordt gemaakt om de functionaliteit te kunnen bieden gebruiken ook elektrische energie waardoor er energie verloren gaat in de energieomzetting van de opstelling. Zowel de OK4E inverter als de DC/DC converter hebben beide geen rendement van 100%. Hieronder staat de efficiëntie van de apparaten in procenten.

Naam apparaat Efficiëntie [%]