Opwekking zonnestroom en -warmte gecombineerd met zonwering

2. Optimalisatie-concept A glasgevel.

Ontwikkeltraject

Een eerste focus lag op de doorontwikkeling van een eerder ontwikkeld geconcentreerd zonnestroomsysteem (cpv), dat gebaseerd is op een 30x30 cm²-lens met een hoog-efficiënte zonnecel van 1 cm². Een tweede focus betrof het verbeteren van het csp-systeem gebaseerd op een 100x200 cm²-lens met een langwerpige warmtecollector. Daarnaast is een aantal kleinere systemen ontwikkeld, wat heeft geleid tot enkele prototypen. Het cpv-systeem waarmee de studenten startten, werd in 2019 ontwikkeld voor de glastuinbouw door onderzoekers van de han. Het betreft een piramidevormige zonneconcentrator gebaseerd op een Fresnel-lens van 30x30 cm en een brandpuntsafstand van 30 cm. De pv-cel is een triple-junctioncel van 1 cm² met een efficiëntie van 33 procent. Een secundair optisch systeem – bestaande uit aluminium reflectoren – is in de directe nabijheid van de pv-cel geplaatst om zowel de efficiëntie te verhogen als het systeem te beschermen tegen plaatselijke oververhitting. Tevens biedt het systeem de mogelijkheid om thermische energie te produceren vanuit een koelsysteem voor de pv-cellen. Naast de lenzen en zonnecellen is ook de aandrijving een belangrijk onderdeel van het systeem. Hiermee worden de lenzen zodanig bewogen dat zij de zon volgen en zo altijd de maximale hoeveelheid zonnestraling kunnen opvangen. Bunthof: ‘De concentrators zijn uiteindelijk gemonteerd op een speciaal trussensysteem dat is gebaseerd op de systemen, zoals deze ook in de glastuinbouw worden toegepast. Hierbij is in de omgeving van Arnhem een elektrische efficiëntie behaald van 17,9 ± 1,8 procent en een warmte-efficiëntie van ongeveer 33 procent. Uiteindelijk zou deze concentrator jaarlijks een elektrische opbrengst hebben van 184 kWh/ m² lensoppervlak.’

‘De energie kun je eventueel gebruiken voor koelsystemen en de warmte is op te slaan en te gebruiken voor koudere perioden’

Nieuw ontwerp

Uitgaande van dit ontwerp hebben studenten van de han tijdens hun project in verschillende stappen optimalisatieslagen toegepast. Zowel wat betreft energieopwekking, gewicht en beweegbaarheid, als het koelvermogen, de veiligheid en de transparantie van het systeem voor diffuus licht. Deze stappen leidden tot een verbeterde versie met een elektrische efficiëntie van rond de 20 procent, een potentiële warmteopwekkings-efficiëntie van 33 procent en een transparantie van meer dan 70 procent voor diffuus licht. Bunthof: ‘Juist in de doorontwikkeling naar een commerciële toepassing in de gebouwde omgeving, is ‘opschaling’ een belangrijk thema. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden onderzocht waarbij in alle gevallen de verschillende individuele modules als één systeem worden aangestuurd. Uiteindelijk is de zogeheten matrix-configuratie (verschillende modules in een frame) ook daadwerkelijk gebouwd en in bedrijf genomen. Daarnaast is er aandacht besteed aan de commercialisatie van cpv-systemen in daklichten. Hier lag de aandacht onder meer op de esthetische eigenschappen van de oplossing, zijn 3D-renders gemaakt en is een techno-economische haalbaarheidsstudie uitgevoerd.’ (figuur 2 – 5) Het cpv-systeem volgt de zonnebaan gedurende de dag dankzij de programmatuur ‘SolTraQ’. Deze software maakt gebruik van de SolTrack-code die op ± 0,003° nauwkeurig de zonpositie kan bepalen voor een willekeurige plaats op aarde en een willekeurige datum en tijdstip. Bunthof: ‘Bij gedeeltelijke bewolking of externe schaduw traden in de oorspronkelijke versie nog fouten op in de zonnevolging. SolTraQ is nu geoptimaliseerd en kan gedurende de hele dag foutloos de module in de juiste oriëntatie houden. In het nieuwe ontwerp is gekozen voor communicatie via arduino en daq-systemen met sensoren voor closed-loop aansturing en is hybride feedback ontwikkeld en geïntegreerd. De code is ook ontwikkeld voor gebruik met Raspberry Pi en plc en daarnaast als open-source beschikbaar via Github.’

5. Optimalisatie glasgevel draaihoek.

CSP-systeem

Een optimalisatie-onderzoek is ook gedaan met een bestaand tweeassig lenssysteem voor de productie van zonnewarmte. Dit csp-systeem maakt gebruik van twee Fresnel-lenzen met een oppervlak van in totaal 4 m² die op individuele aluminium frames zijn bevestigd. Hieraan is een collector gekoppeld die aan twee zijden scharnierend is opgehangen (figuur 6). Het ontwerp vereist een minimale bewegingsruimte en is hiermee geschikt voor toepassing op vele locaties. Om de efficiëntie van het cps-systeem te maximaliseren, is een tweeassig tracking systeem toegepast waarmee de lens en collector nauwkeurig in lijn staan met het invallende zonlicht. De nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van dit systeem is gewaarborgd via een drie-assige inclinometer. Metingen hebben hierbij aangetoond dat zowel de transversale als de longitudinale tracking fouten onder de 0,5°  lagen; dit is een factor twee lager dan de acceptatiehoeken van het systeem.
De meetresultaten gaven daarnaast aan dat de maximale thermische efficiëntie rond de 40 procent lag wanneer het temperatuurverschil tussen de omgevingstemperatuur en de temperatuur van de collectorvloeistof 15 °C was bij een volumestroom van 1,2 l/min. Deze efficiëntie zakt naar 10 procent wanneer temperatuurverschillen tussen de omgeving en de vloeistof oplopen naar 30 °C bij een volumestroom van ­0,6 l/min. Tijdens de testen was de gemiddelde, directe normale stralingssterkte 470 - 790 W/m². De volgende stap in dit onderzoek was het verbeteren van de isolatie van de collector waarbij de onderzoekers de verwachting uitspraken dat hiermee de prestaties van de collector die van conventionele buiscollectoren zullen benaderen.

Verbeteringen

Ook dit csp-systeem is onderworpen aan een verbetertraject. Zo is de ‘lineaire lensopstelling’ opnieuw ontworpen en geoptimaliseerd met betrekking tot vooral het bevestigingsframe, de bewegingshardware, veiligheid, controller en het meet- en regelsysteem. Bunthof: ‘Het systeem volgt de hoogte van de zon door de lenzen te kantelen. De azimut van de zon wordt gevolgd door gekoppelde buiscollectoren een schommelbeweging uit te laten voeren waarmee een veel kleiner installatieoppervlak nodig is in vergelijking met andere systemen. Verder hebben onderzoekers en studenten een robuuste regeling ontwikkeld die het systeem continu in de juiste positie houdt. ’s Nachts vindt er een reset plaats en bij een foutieve beweging schakelt het systeem af en keert terug in een neutrale stand. Hiermee is de juiste stand van het systeem en de veiligheid op alle tijdstippen gewaarborgd.’ Ook is de opbrengst van het systeem in-situ bepaald op basis van een meetsysteem dat vloeistofstroom, instraling, buitentemperatuur en vloeistoftemperatuur meet. Er zijn tests met verschillende collectoren uitgevoerd waarbij vooral de grenzen zijn verkend. Bunthof: ‘Wat is bijvoorbeeld het verschil tussen een goedkope, laag efficiënte zwartgeverfde aluminium buis en een state-of-the-art vacuümbuiscollector? Daar is uitgekomen dat de efficiëntie van de verschillende configuraties varieert tussen de 10 – 40 procent, afhankelijk van de gewenste temperatuursverhoging. Een belangrijke bevinding was dat vooral bij hoge temperaturen de vacuümcollectoren veel voordelen bieden.’ Verder is voor het csp een simulatiepakket ontwikkeld in nx. Hiermee is op basis van vloeistofstroom en belichtingspatronen, de thermisch geïnduceerde mechanische stress in een warmtecollector te bepalen. Deze simulaties zijn gevalideerd met labtests waarin onder invloed van belichting, buiging optrad in een van de collectoren. Bunthof: ‘Het simulatiemodel behaalt een nauwkeurigheid van rond de 100 procent en leent zich daarom voor het optimaliseren van systeemconfiguraties in de praktijk. Door de eerste optimalisaties via het simulatiemodel uit te voeren kan veel tijd en geld bespaard worden, zeker als je gaat kijken naar opschaling.’

Vanuit het Console-onderzoek zijn inmiddels drie spin-offs geformuleerd

Stand van zaken

Het optimalisatieproject is inmiddels afgerond en heeft bij de raak-award voor het beste praktijkgerichte onderzoek van Nederland, de publieksprijs gewonnen. Bunthof: ‘De raak-award is door regieorgaan sia – onderdeel van nwo – in het leven geroepen om onderzoek van hogescholen meer bekendheid geven en de kwaliteit ervan te verhogen. Vanuit het Console-onderzoek zijn inmiddels drie spin-offs geformuleerd waarbij concrete oplossingen voor plaatsing respectievelijk ín en buiten het pand verder zullen worden onderzocht op haalbaarheid, zowel technisch als economisch. Daarbij zal ook verder onderzoek plaatsvinden naar het maximaliseren van de efficiëntie door bijvoorbeeld hoogwaardige componenten te kiezen, de verliezen via onder meer bekabeling en behuizing te beperken en optimale ‘zonnevolgroutines’ te gebruiken. Ook is gebleken dat systemen op basis van grotere lenzen bijdragen aan de kostenverlaging omdat er minder onderdelen nodig zijn. Verder onderzoek moet uitwijzen hoe groot de voordelen zijn.’
Bij het beoordelen van de haalbaarheid benadrukt de onderzoeker dat het van belang om de totale businesscase te beschouwen. De haalbaarheid is immers niet alleen afhankelijk van de efficiëntie van het systeem en de energetische opbrengsten. Hij wordt tevens bepaald door de kostenbesparingen die zijn te behalen door passieve ruimtekoeling, de dubbele functie als zonwering en het feit dat hiermee het uitzicht van de gebruiker naar buiten behouden blijft. Bunthof: ‘Het laatste is wat lastiger uit te drukken in euro’s, maar is wel degelijk een meerwaarde.’ Qua technische haalbaarheid en optimalisatie ligt er tot slot een focus op het materiaalgebruik. Juist bij hooggeconcentreerde systemen waarbij zonnestraling door lenzen wordt gefocusseerd, krijgt de ontwerper te maken met hoge temperaturen. Niet elk materiaal is daartegen bestand, maar bovendien triggert dit de aandacht voor brandveiligheid van het systeem, zeker in de gebouwde omgeving en met concrete voorbeelden van brandende pv-panelen in het verleden. Bunthof: ‘Kortom, er is nog voldoende mooi werk te verrichten om een bijdrage te leveren aan de verduurzaming van de gebouwde omgeving.’

Tekst: ing. M. de Wit – Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie