Masterproef Emmanuel Vierstraete

FACULTEIT INDUSTRIELE
INGENIEURSWETENSCHAPPEN
TECHNOLOGIECAMPUS GENT
Autonoom fotovoltaïsch laadstation
voor woon-werkverkeer met
elektrische fietsen
Dimensionering, ontwerp en oplaadsysteem
Emmanuel VIERSTRAETE
Emmanuel VIERSTRAETE
Promotor: Prof. E. Motoasca
Co-promotor: A. Colle
Masterproef ingediend tot het behalen van de
graad van master of Science in de industriële
wetenschappen: Energie, Elektrotechniek
Academiejaar 2015-2016
Academiejaar 2015-2016
© Copyright KU Leuven
Zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van zowel de promotor(en) als de auteur(s) is overnemen,
kopiëren, gebruiken of realiseren van deze uitgave of gedeelten ervan verboden. Voor aanvragen i.v.m. het
overnemen en/of gebruik en/of realisatie van gedeelten uit deze publicatie, kan u zich richten tot KU Leuven
Technologiecampus Gent, Gebroeders De Smetstraat 1, B-9000 Gent, +32 92 65 86 10 of via e-mail
[email protected].
Voorafgaande schriftelijke toestemming van de promotor(en) is eveneens vereist voor het aanwenden
van de in deze masterproef beschreven (originele) methoden, producten, schakelingen en programma’s voor
industrieel of commercieel nut en voor de inzending van deze publicatie ter deelname aan wetenschappelijke
prijzen of wedstrijden.
Voorwoord
De dag dat je beslist welk eindwerk je kiest, is de dag die je toekomst voor een stuk bepaalt. Vanuit
die visie heb ik voor dit eindwerk gekozen. Een eindwerk waarin je je kwaliteiten en interesses kan
laten botvieren. Een eindwerk met een plan, een project, een visie. Niet alleen voor mezelf maar ook
voor de maatschappelijk waarde. Een eindwerk waarin je je creativiteit kan laten bloeien.
Na een jaar werken aan deze masterproef is de passie alleen maar gegroeid. Ik ben vereerd om
zoveel te hebben mogen bijleren over batterijen, zonnepanelen, smartgrids, elektrische fietsen, etc.
Graag wil ik daarbij mijn promotor mevrouw Motoasca uitgebreid bedanken. Zij heeft zeer veel tijd in
mij en deze masterproef gestoken. De lay-out werd daarbij naar een hoger niveau getild. Mijn
copromotor, Auguste Colle, wil ik ook bedanken voor zijn kritische kijk naar mijn bevindingen.
Hierdoor werd ik getriggerd om beter te doen. Daarnaast wil ik graag Bram Rotthier bedanken voor
zijn hulp en expertise over elektrische fietsen.
Dankjewel, ook aan vrienden en familie voor de steun. Zonder de steun van mijn vriendin Katrien
Biesemans en mijn ouders was dit niet mogelijk geweest.
Abstract
In het kader van een Europees project omtrent duurzaam woon-werkverkeer werd deze
opdracht beschikbaar gesteld aan de Technologiecampus Gent voor verder onderzoek.
Het doel van deze thesis bestaat erin een praktisch ontwerp te maken van een autonoom
fotovoltaïsch laadstation voor elektrische fietsen.
Het laadstation wordt ontworpen om 10 fietsen te kunnen laden en stallen:
- Vijf pedelecs met een laadvermogen van maximaal 144 W, batterijcapaciteit van 400 Wh en
een maximale snelheid van 25km/u.
- Vijf speed pedelecs met een laadvermogen van maximaal 250 W, batterijcapaciteit van
814 Wh en een maximale snelheid van 45 km/u.
In het eerste deel zal de literatuurstudie zorgen voor een beter inzicht in de verschillende
elektrische componenten die onderdeel zijn van dit ontwerp. Zowel de werking als de
samenwerking van deze componenten wordt besproken. De verschillende technologieën,
zoals zonnecellen, batterijtechnologie, maar ook het netsysteem en de omvormers worden
besproken. Ten slotte wordt in dit deel de elektrische fiets en zijn verbruik bestudeerd.
In het tweede deel wordt de dimensionering van de componenten uitgewerkt. Vervolgens
wordt gekeken naar de elektrische veiligheid van het systeem, conform de in het AREI
geldende normen.
Ook het mechanisch ontwerp verdient de nodige aandacht. Dit gedeelte blijft echter louter
conceptueel, aangezien het budget ontoereikend was om een fysiek ontwerp te kunnen
realiseren.
Er wordt ook een oplaadsysteem voorgesteld. Dit is noodzakelijk om het geheel efficiënt en
haalbaar te houden. De energie die naar de fietsbatterijen vloeit wordt gemeten om zo
gericht te kunnen opladen.
Om het tweede deel af te sluiten wordt een aanzet gegeven voor een ontleensysteem.
Het derde deel van de thesis betreft de beschrijving van het praktische deel van de opdracht.
Hier wordt een labo-opstelling voor 3 fietsen geëvalueerd en getest. De samenwerking
tussen de verschillende componenten en de integratie van het oplaadsysteem vormen
allemaal onderdeel van het onderzoek dat via deze opstelling werd gedaan. De bevindingen
uit de labo opstelling hebben invloed gehad op de rest van het ontwerp.
1
Inhoudsopgave
Voorwoord .............................................................................................................................................. 0
Abstract ................................................................................................................................................... 1
Inhoudsopgave ........................................................................................................................................ 2
Lijst van figuren ....................................................................................................................................... 4
Lijst van tabellen...................................................................................................................................... 6
Inleiding ................................................................................................................................................... 7
1.
Achtergrond................................................................................................................................. 7
2.
Doel ............................................................................................................................................. 9
3.
Overzicht ................................................................................................................................... 11
DEEL 1: Literatuurstudie ........................................................................................................................ 12
4.
5.
Elektrische componenten in het laadstation ............................................................................ 12
4.1
Algemeen........................................................................................................................... 12
4.2
Zonnepanelen .................................................................................................................... 13
4.3
Batterijen ........................................................................................................................... 23
4.4
Omvormers ........................................................................................................................ 37
4.5
Type net ............................................................................................................................. 38
Elektrische fiets ......................................................................................................................... 50
5.1
Types.................................................................................................................................. 50
5.2
Verbruik ............................................................................................................................. 52
DEEL 2: Ontwerp van het laadstation.................................................................................................... 63
6.
2
Dimensionering van de elektrische installatie .......................................................................... 63
6.1
Verbruik ............................................................................................................................. 64
6.2
Instraling ............................................................................................................................ 68
6.3
PV-paneel voor productie van elektriciteit ....................................................................... 70
6.4
Batterij voor opslag van zonne-energie ............................................................................ 73
6.5
PV-omvormer .................................................................................................................... 79
6.6
Batterij-omvormer............................................................................................................. 81
7.
Elektrische beveiliging ............................................................................................................... 83
8.
Mechanisch ontwerp container ................................................................................................ 88
9.
Oplaadsysteem .......................................................................................................................... 91
9.1
De kWh-teller .................................................................................................................... 94
9.2
Het relais............................................................................................................................ 94
9.3
Voeding.............................................................................................................................. 95
9.4
Stuurkring (PLC) ................................................................................................................. 95
9.5
Analyse van de dimensionering met Python programmatie ............................................. 96
10.
Ontleensysteem .................................................................................................................. 102
DEEL 3: Labo opstelling ....................................................................................................................... 108
Referenties .......................................................................................................................................... 112
Bijlage A ............................................................................................................................................... 117
Bijlage B ............................................................................................................................................... 118
Bijlage C ............................................................................................................................................... 119
3
Lijst van figuren
Figuur 1: Componenten in het laadstation ........................................................................................... 10
Figuur 2: Zonnecellen in serie of parallel geschakeld ........................................................................... 14
Figuur 3: IV-curve + MPP-punt [3] ......................................................................................................... 14
Figuur 4: Invloed van temperatuur op IV-curve en PV-curve [3] .......................................................... 15
Figuur 5: Invloed van de instraling op de IV-curve en PV-curve [3] ...................................................... 15
Figuur 6: Afhankelijkheid van spanning en stroom op de instraling [3]................................................ 16
Figuur 7: Datasheet Suntech [4] ............................................................................................................ 17
Figuur 8: Bypassdiodes zonnepaneel [3] ............................................................................................... 17
Figuur 9: Invloed schaduw op string zonnecellen zonder bypassdiode [3]........................................... 18
Figuur 10: Invloed schaduw op string zonnecellen met bypassdiode [3] ............................................. 19
Figuur 11: Spectrale irradiantie van de zon [5] ..................................................................................... 19
Figuur 12: de hoek van de zon t.o.v. de aarde [5] ................................................................................. 20
Figuur 13: Verschillende types zonnepanelen: mono-kristallijn, poly-kristallijn en dunne film [6]...... 21
Figuur 14: Typische vorm van een mono-kristallijne cel ....................................................................... 22
Figuur 15: De citroen batterij [8] ........................................................................................................... 23
Figuur 16: Batterij technologieën en hun specificaties [15].................................................................. 27
Figuur 17: Chemische stoffen in een loodzuur batterij ......................................................................... 28
Figuur 18: Werking Li-ion batterij.......................................................................................................... 30
Figuur 19: Samenstelling Aquion batterij .............................................................................................. 32
Figuur 20: Scorebord Aquion [20] ......................................................................................................... 33
Figuur 21: Datasheet Aquion S30-0080................................................................................................. 33
Figuur 22: Tabel batterij specificaties [8] .............................................................................................. 35
Figuur 23: Principeschets energieflow AC koppeling [21] ..................................................................... 38
Figuur 24: Schema AC netsysteem met rendementen [22] .................................................................. 39
Figuur 25: Principeschets energieflow DC-koppeling............................................................................ 40
Figuur 26: Rendementen [22] ............................................................................................................... 42
Figuur 27: Efficiëntie curve Sunny Island .............................................................................................. 47
Figuur 28: Elektrisch schema van de componenten ............................................................................. 63
Figuur 29: Excel-file voor dimensionering laadstation .......................................................................... 64
Figuur 30: Elektrisch schema verbruik .................................................................................................. 64
Figuur 31: Elektrisch schema PV-paneel ............................................................................................... 70
Figuur 32: Standaard 40' zeecontainer ................................................................................................. 71
Figuur 33: Elektrisch schema batterij .................................................................................................... 73
Figuur 34: Datasheet Aquion S30 [25]................................................................................................... 75
Figuur 35: Energie in functie van de stroom van de S20-008F Aquion batterij [38] ............................. 76
Figuur 36: Elektrisch schema PV-omvormer ......................................................................................... 79
Figuur 37: Sunny Boy 2.5 ....................................................................................................................... 79
Figuur 38: Elektrisch schema batterij-omvormer.................................................................................. 81
Figuur 39: SOC in functie van de spanning [38] .................................................................................... 82
4
Figuur 40: Elektrisch schema installatie ................................................................................................ 83
Figuur 41: Toelaatbare stroomsterkte voor XVB kabels [42] ................................................................ 85
Figuur 42: Toelaatbare stroomsterkte draden [42] .............................................................................. 86
Figuur 43: XVB kabels met meerdere geleiders [42] ............................................................................. 86
Figuur 44: Vooraanzicht en bovenaanzicht zeecontainer ..................................................................... 89
Figuur 45: Elektrisch schema verbruik .................................................................................................. 92
Figuur 46: Elektrisch schema stuurkring ............................................................................................... 93
Figuur 47: kWh-teller [45] ..................................................................................................................... 94
Figuur 48: Relais [46] ............................................................................................................................. 94
Figuur 49: Voeding van de stuurkring, Tracopower DC/DC omvormer [47] ......................................... 95
Figuur 50: PLC, CPU 1214C DC/DC/DC [48] ........................................................................................... 96
Figuur 51: Opdrachtprompt bij 22 batterijstacks .................................................................................. 98
Figuur 52: Analyse dimensionering bij 22 batterijstacks ....................................................................... 98
Figuur 53: Opdrachtprompt bij 14 batterijstacks, voorrang pedelec .................................................. 100
Figuur 54: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, voorrang pedelec ...................................... 100
Figuur 55: Opdrachtprompt bij 14 batterijstacks, voorrang speed pedelec ....................................... 101
Figuur 56: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, voorrang speed pedelec ............................ 101
Figuur 57: Verbruik van pedelec en speed pedelec in functie van actieradius en gewicht ................ 103
Figuur 58: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, zonder fietsen buiten gebruik ................... 104
Figuur 59: Energie in functie van actieradius bij gemiddelde tegenwind (5m/s) ............................... 105
Figuur 60: Energie in functie van actieradius zonder tegenwind ........................................................ 106
Figuur 61: Benodigde energie van de fietsbatterijen in functie van windsnelheid en actieradius
(pedelec) .............................................................................................................................................. 107
Figuur 62: Benodigde energie van de fietsbatterijen in functie van windsnelheid en actieradius (speed
pedelec) ............................................................................................................................................... 107
Figuur 63: Output in functie van frequentie van de Sunny Boy in offgrid modus .............................. 109
Figuur 64: Sunny Boy in labo opstelling .............................................................................................. 110
Figuur 65: Aquion batterijen in labo opstelling ................................................................................... 110
Figuur 66: Sunny Island in labo opstelling ........................................................................................... 110
Figuur 67: PLC, kWh tellers, relais en beveiligingen ............................................................................ 111
5
Lijst van tabellen
Tabel 1: De bekendste batterij types .................................................................................................... 24
Tabel 2: Gemiddeld verbruik pedelec bij verschillende trajecten [33] ................................................. 53
Tabel 3: Verdeling aantal kilometer ...................................................................................................... 54
Tabel 4: Inschatting verbruik van een pedelec...................................................................................... 55
Tabel 5: Specificaties fietsen ................................................................................................................. 65
Tabel 6: Instralingswaarden voor Gent [35] .......................................................................................... 68
Tabel 7: Aantal dagen autonomie in Gent per maand volgens [37] ..................................................... 74
Tabel 8: Maten zeecontainers [43]........................................................................................................ 88
6
Inleiding
1.
Achtergrond
Duurzaam transport is een actueel gegeven. Elektrische voertuigen zijn aan een ware opmars bezig:
het grote succes van bedrijven zoals Tesla, BMW en Nissan, die opnieuw innovatie brengen in de
(auto)transportindustrie, illustreert deze tendens naar een meer ecologisch bewuste transportsector.
Ook de elektrische fiets maakt deel uit van deze recente verschuiving richting meer milieubewust
transport. Uit onderzoek blijkt immers dat 20-50% van de elektrische fiets-ritten anders met de auto
afgelegd zouden worden, wat bewijst dat de elektrische fiets potentieel heeft om transport
duurzamer te maken. [1]
Het consortium WHO-Bikes wil in het kader van een Europese project duurzaam woon-werkverkeer
in de havengebieden promoten. Dit onder meer door het beschikbaar stellen van een laadstation
waar verschillende elektrische fietsen kunnen worden uitgeleend, opgeladen en veilig worden
opgeborgen. Naast het beschikbaar stellen van elektrische fietsen, wil het consortium de dagelijkse
verplaatsingen van de werknemers in kaart brengen. Hun ervaring met de verschillende types
elektrische fietsen kunnen bijdragen aan het ontwikkelen van betere elektrische fietsen voor
pendelverkeer.
Het laadstation moet in staat zijn 10 elektrische fietsen van voldoende energie te voorzien en aan de
hand van de verschillende gebruikersprofielen de beschikbare energie zo slim en efficiënt mogelijk te
verdelen. Dit houdt in dat het verbruik aan energie zo goed mogelijk aansluit met de productie ervan.
Het gebruikersprofiel zal informatie bevatten over de werkuren en de woonafstand van iedere
werknemer.
Het spreekt voor zich dat er ook voldoende ruimte beschikbaar moet zijn om deze fietsen te kunnen
stallen. Een omgebouwde zeecontainer doet dienst als omhulsel van het gehele systeem. In
hoofdstuk 8 wordt dit verder besproken.
De energievoorziening gebeurt uitsluitend via zonne-energie, in combinatie met een batterijbank die
voor de opslag en back-up van energie zorgt. Met deze masterproef wordt de haalbaarheid van een
systeem puur op zonne-energie en batterijopslag onderzocht. In hoofdstuk 6 wordt dieper op dit
onderwerp ingegaan.
De oorspronkelijke opdracht zou, indien het project goedgekeurd werd door de Europese Unie voor
subsidie, volledig worden uitgebouwd in samenwerking met de andere consortium partners1. Het
project werd echter niet goedgekeurd en de Technologiecampus Gent beschikt niet over een
voldoende groot budget om een dergelijk ontwerp te financieren. Na overleg werd er overgegaan op
een testopstelling die in het onderzoekslab zou worden opgebouwd. Hier kan de werking van het
1
Het consortium bestaat uit 11 partners waaronder 4 universiteiten.
7
systeem worden bestudeerd en kunnen de resultaten dienen voor later gebruik, indien het project in
de toekomst wel subsidie zou ontvangen.
Het tweede luik van de opdracht is het ontwerp van het hierboven genoemde ‘slimme’
ontleensysteem. Dit systeem moet in staat zijn op een intelligente manier de beschikbare energie te
verdelen over de verschillende fietsen. Wegens het ontbreken van een betrouwbaar meetsysteem
voor de verschillende fietsen is het momenteel onmogelijk op een snelle en goedkope manier
nauwkeurige data te vergaren over de afgelegde trajecten. Dit heeft tot gevolg dat het
energieverbruik van de fietsen niet correct kan worden weergegeven in functie van het traject. Deze
masterproef is door 2 studenten opgestart, maar slechts door 1 student beëindigd. Het
ontleensysteem is omwille van die reden in vereenvoudigde vorm uitgewerkt tot een oplaadsysteem.
Het controleert de energiestromen efficiënt, dit door rekening te houden met de productie van
zonne-energie en de vraag van de fietsbatterijen daarop af te stellen.
8
2.
Doel
De opdracht van dit werk bestaat uit twee delen:
1. Het elektrisch dimensioneren en mechanisch ontwerpen van een laadstation voor het ontlenen,
opladen en veilig stallen van elektrische fietsen.
2. Het ontwerpen en simuleren van een oplaadsysteem dat op een slimme manier de beschikbare
energie over de verschillende fietsen verdeelt.
Het laadstation moet voldoen aan volgende eisen:
-
Het systeem moet autonoom kunnen functioneren, d.w.z. onafhankelijk van het openbare
elektriciteitsnet.
-
Het laadstation moet mobiel zijn. Het moet gemakkelijk transporteerbaar zijn en mag dus
niet vast worden ingebouwd.
-
Het systeem moet veilig en betrouwbaar zijn.
-
Duurzaam. De energievoorziening gebeurt via hernieuwbare energie, nl. zonne-energie.
-
Het systeem moet universeel zijn. D.w.z. dat het mogelijk moet zijn elk type elektrische fiets
te stallen en op te laden, zonder extra aanpassingen te moeten doen aan het ontwerp.
-
En als laatste moet de installatie praktisch zijn voor de gebruiker.
Belangrijkste componenten van het laadstation:

10 elektrische fietsen
5 pedelecs met een fietsbatterij van 400 Wh
5 speed pedelecs (Stromer ST2) met een fietsbatterij van 814 Wh

Batterij
→ De batterij zorgt ervoor dat de fietsen kunnen worden opgeladen wanneer er geen zon is.

PV-omvormer
→ Een omvormer of inverter is een elektronisch apparaat die gelijkspanning omzet in
wisselspanning. Een PV-omvormer is een omvormer voor fotovoltaïsche panelen die meestal
over een maximum power point tracker (MPP-tracker) beschikt. Wat MPP-tracking precies
inhoudt, wordt in paragraaf 4.2.1 uitgelegd.
9

Batterij-omvormer
→ Een batterij-omvormer is een bi-directionele omvormer. Deze kan de energie van de
batterij naar het net transporteren, maar kan ook de batterij opladen. De batterij-omvormer
doet in dit concept dienst als vervanger van het openbare net. Deze zorgt immers voor een
stabiele spanning en frequentie waarop andere toestellen kunnen op inkoppelen. Een
batterij-omvormer kan ook gebruikt worden in combinatie met het openbare net voor backup toepassingen.

Zonnepanelen
→ De zonnepanelen produceren energie die al dan niet opgeslagen wordt in de batterijen
van het laadstation of in de batterijen van de elektrische fietsen.
Figuur 1: Componenten in het laadstation
10
3.
Overzicht
Dit werk bestaat uit drie grote delen. Het eerste deel neemt een uitgebreide studie van de
verschillende elektrische componenten van het laadstation voor zich. Deel twee gaat over het
ontwerp van de installatie zelf en de gekozen componenten. In het laatste deel wordt de labo
opstelling en de resultaten ervan besproken.
DEEL 1: Literatuurstudie
In hoofdstuk 4 worden de verschillende elektrische componenten waaruit het laadstation bestaat
uitvoerig besproken en bestudeerd. Deze zorgen voor de energievoorziening van het station. Er
wordt gekeken naar de criteria waaraan zij moeten voldoen. Ook de werking van de onderlinge
bouwstenen en hoe ze te integreren in het systeem als geheel maakt tevens deel uit van het
onderwerp van dit hoofdstuk.
Hoofdstuk 5 behandelt de elektrische fiets. De verschillende types, de wetgeving en het verbruik
worden besproken.
DEEL 2: Ontwerp van het laadstation
In hoofdstuk 6 wordt de dimensionering uit het Excel-werkblad toegelicht. Verschillende
dimensioneringen zijn mogelijk. Door de input in het Excel-werkblad te veranderen krijgt men een
nieuwe dimensionering. De dimensionering is steeds zo berekend dat alle fietsen het hele jaar door
uitgeleend kunnen worden. In dit hoofdstuk wordt een mogelijke dimensionering behandeld.
Het volgende hoofdstuk behandelt de elektrisch beveiliging van het laadstation. Welke beveiligingen
geplaatst moeten worden en hoe het systeem geaard is, wordt hier besproken.
Hoofdstuk 8 behandelt het mechanische ontwerp. Hier wordt gekeken naar de fysieke afmetingen
van het laadstation en de meest praktische constructie om het ontlenen zo evident mogelijk te
maken. Dit is een louter conceptueel hoofdstuk wegens het ontbreken van een voldoende groot
budget om het uiteindelijke ontwerp te kunnen realiseren.
In hoofdstuk 9 wordt het oplaadsysteem toegelicht. De lezer krijgt uitleg over de werking en
implementatie van het systeem.
Het laatste hoofdstuk van DEEL 2: Ontwerp van het laadstation geeft een aanzet voor een
ontleensysteem. Dit stuk bespreekt slechts wat een ontleensysteem inhoudt en welke voordelen het
biedt aan de gebruiker. Een concreet ontleensysteem is in deze masterproef niet uitgewerkt.
DEEL 3: Labo opstelling
In dit laatste deel worden de bevindingen uit de testopstelling besproken.
11
DEEL 1: Literatuurstudie
4.
Elektrische componenten in het laadstation
4.1 Algemeen
Als startpunt worden de voorwaarden voor de energievoorziening bepaald. Gezien het de bedoeling
is om van het laadstation een voorbeeld te maken van duurzaam transport, wordt gebruik gemaakt
van duurzame technologieën die de energievoorziening verzekeren.
Er zijn de dag van vandaag een hele waaier aan hernieuwbare energiebronnen beschikbaar. De
opdracht houdt echter in dat het laadstation mobiel moet zijn. Hierdoor werd de keuze gemaakt om
enkel fotovoltaïsche panelen te gebruiken, aangezien deze gemakkelijk op het dak te plaatsen zijn en
weinig extra ruimte in beslag nemen. In hoofdstuk 3 wordt bestudeerd in welke mate het mogelijk is
om enkel met zonnepanelen en een batterijbank te werken. Indien dit niet mogelijk blijkt, wordt
gezocht naar andere oplossingen, die uiteraard nog steeds praktisch en duurzaam moeten blijven.
Een mogelijke oplossing voor een eventueel tekort aan energie is het maken van een netkoppeling.
Uit praktische overwegingen en vanwege de uitdaging het systeem volledig offgrid te willen
ontwerpen zal deze optie echter niet passen binnen de voorwaarden die in het vorige hoofdstuk aan
het systeem gesteld werden. Het laadstation aan het net koppelen zou immers bewijzen dat het niet
mogelijk is met intermitterende energieproductie een dergelijk systeem uit te werken. Een nader te
onderzoeken optie kan bijvoorbeeld zijn om de last aan te passen naargelang de productie.
12
4.2 Zonnepanelen
4.2.1
Elektrische karakteristieken
Voor het laadstation is als leverancier van energie gekozen voor één van de meest pure vormen van
energie, namelijk zonne-energie. De keuze voor zonnepanelen is voor de hand liggend. De zon zorgt
voor zo goed als alle natuurlijke energie aanwezig op aarde. Wind ontstaat door temperatuur
verschillen die door de warmte van de zon ontstaan en we hebben licht dankzij de zon. Ook
waterkracht is een vorm van zonne-energie. Water verdampt door de warmte van de zon en valt met
de wind naar hoger niveau. Van de hernieuwbare bronnen zijn enkel geothermische en
getijdenenergie niet afkomstige van de zon. [2]
In het oogpunt van een zo duurzaam en eenvoudig mogelijk concept is daarmee gekozen voor
fotovoltaïsche zonnepanelen als rechtstreekse omzetter van zonlicht in elektriciteit.
Zonnepanelen bestaan uit meerdere zonnecellen die in een serie-parallel combinatie geschakeld zijn.
In Figuur 2 ziet men hoe een serie-parallel schakeling invloed heeft op de karakteristiek van het
volledig paneel. Zonnecellen hebben een IV-curve als karakteristiek (zie Figuur 3) die afhangt van de
temperatuur van de zonnecel (zie Figuur 4) en de instraling op de zonnecel (zie Figuur 5).
Een PV-omvormer met MPP-tracking kiest het punt uit de totale IV-curve van de string waarvoor het
vermogen maximaal is.
13
Figuur 2: Zonnecellen in serie of parallel geschakeld
Figuur 3: IV-curve + MPP-punt [3]
14
Een temperatuurstijging uit zich in een verschuiving van de IV-curve zodanig dat de spanning (en het
piekvermogen) daalt (zie Figuur 4). Een daling van de instraling van de zon uit zich in een sterke
daling van de stroom (zie Figuur 5).
Figuur 4: Invloed van temperatuur op IV-curve en PV-curve [3]
De instraling heeft ook een invloed op de spanning. De spanning van een paneel zal reeds bij lage
instraling snel stijgen, in die mate dat de spanning bij geringe instraling niet veel zal afwijken van
deze bij sterke instraling (zie Figuur 6 en Figuur 7).
Figuur 5: Invloed van de instraling op de IV-curve en PV-curve [3]
15
𝑾
𝑾
De datasheet van Suntech, Figuur 7, toont dat de openklemspanning bij 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒎𝟐 en 𝟐𝟎𝟎 𝒎𝟐 slechts
met een paar volt daalt. Gevolg hiervan is dat zonnepanelen ook bij lagere instraling vrij snel de
startspanning leveren die de omvormer nodig heeft om in te schakelen. Op voorwaarde dat deze
correct gedimensioneerd zijn. De stroom heeft echter een recht evenredige verhouding met de
instraling (zie Figuur 6). [3]
Figuur 6: Afhankelijkheid van spanning en stroom op de instraling [3]
16
Figuur 7: Datasheet Suntech [4]
Een zonnepaneel bestaat uit meerdere zonnecellen die in parallel of serie gekoppeld zijn. Een aantal
in serie geplaatste zonnecellen wordt voorzien van een bypassdiode. Dit is om de invloed van
schaduw op het paneel te beperken (zie Figuur 8).
Figuur 8: Bypassdiodes zonnepaneel [3]
De invloed van schaduw op een PV-installatie kan desastreus zijn. De invloed van schaduw op een
string zonnepanelen wordt verduidelijkt in Figuur 9. De string bestaat uit vier panelen waarvan één in
de schaduw ligt. De groene lijn (met Pmpp2 aanduiding) is de vermogen curve van de totale string
indien één paneel beschaduwd is. De spanning van de totale string in serie geplaatste panelen, is de
som van de spanning van elk paneel. De stroom van de totale string blijft echter gelijk aan de stroom
die één paneel levert. Het vermogen die door de string geleverd wordt indien er geen schaduw op
één van de panelen valt, is aangeduid met Pmpp1. In dit laatste geval is het vermogen sterk gedaald
ten opzichte van de situatie zonder schaduw.
17
Omwille van deze reden worden in zonnepanelen bypassdiodes geplaatst zoals in Figuur 8. De
invloed van deze diodes is te zien in Figuur 10. De niet-beschaduwde zonnecellen zijn dankzij de
bypassdiodes nu niet meer gedwongen dezelfde stroom aan te nemen als de stroom door het
beschaduwde paneel. Ze sturen hun stroom dan door de bypassdiodes. De vermogen curve bevat nu
echter wel twee pieken. De laagste vermogen piek bevindt zich bij de hoogste spanning, de hoogste
vermogen piek bij de laagste spanning. Schaduw trekt zich geleidelijk over het paneel waardoor
Pmpp1 evolueert naar Pmpp2. Vanaf een bepaald moment zal het geleverde vermogen niet meer de
maximale piek van de string zijn en zal de omvormer zich in het verkeerde MPP-punt bevinden.
Figuur 9: Invloed schaduw op string zonnecellen zonder bypassdiode [3]
De nieuwste omvormer technologieën bevatten echter schaduwbeheer waardoor ze periodiek2 de
totale curve opmeten en de hoge van de lage piek kunnen onderscheiden. Op Figuur 10 staat de
vermogen curve van een beschaduwde string aangeduid.
In een string zonnepanelen zorgen de bypassdiodes per zonnepaneel ervoor dat de zonnecellen het
vermogen niet naar beneden trekken bij schaduw. Niet iedere zonnecel binnen een paneel is echter
overbrugd met een bypassdiode. Binnen een zonnepaneel is een combinatie van zonnecellen in serie
en parallel gemaakt, waarbij een aantal cellen samen overbrugd worden zoals in Figuur 8. Bij de in
serie geplaatste cellen, die niet overbrugd zijn met een bypassdiode, gaat de vermogen piek sterk
dalen. Het is dus ook belangrijk bij een opstelling te kijken in welke richting de schaduw zich vormt.
De zonnepanelen worden zo gepositioneerd dat de schaduw niet het volledige paneel beïnvloedt.
Voor het zonnepaneel uit Figuur 8 betekent dit dat de schaduw zich van onder naar boven voortplant
en niet zijwaarts. Indien de schaduw zich toch zijwaarts voortplant beïnvloedt deze het volledige
paneel want de bypassdiodes overbruggen de horizontale reeks zonnecellen en niet de verticale
reeks zonnecellen. Het is uiteraard steeds aan te raden schaduw zoveel mogelijk te vermijden.
2
Bijvoorbeeld om de 6 minuten. [60]
18
Figuur 10: Invloed schaduw op string zonnecellen met bypassdiode [3]
Zonnepanelen worden onderling vergeleken door het vermogen en het rendement die ze leveren
onder STC, ofwel Standard Test Conditions. Dit is in de volgende omstandigheden opgemeten:
𝑊
𝑚2

Instraling van 1000


25 °C temperatuur van het paneel
1,5 AM (Air Mass-factor) (Weerspiegelt het pad dat het zonlicht aflegt door de atmosfeer)
De zon straalt een spectrum aan energie uit over verschillende golflengtes. Figuur 11 toont het
spectrum van de zon. AM0 is het spectrum net buiten de aardatmosfeer, AM1.5 het spectrum als het
spectrum 1.5 keer de dikte van de aardatmosfeer gepasseerd is.
𝐴𝑀 =
Figuur 11: Spectrale irradiantie van de zon [5]
19
1
cos 𝜑
Figuur 12: de hoek van de zon t.o.v. de aarde [5]
20
4.2.2
Types zonnepanelen
Momenteel zijn er 3 verschillende types zonnepanelen commercieel beschikbaar, nl:
𝑊

Mono-kristallijne silicium cellen (160 – 210 𝑚2 )

Poly-kristallijne (of multi-kristallijne) silicium cellen (140 – 170 𝑚2)

Dunne film cellen (80 – 150 𝑚2)3
𝑊
𝑊
Figuur 13: Verschillende types zonnepanelen: mono-kristallijn, poly-kristallijn en dunne film [6]
Daarnaast bestaan er nog zonnecellen voor in de ruimte, hoog efficiënte multi-junctie cellen en
organische zonnecellen. Deze zijn (nog) niet van toepassing voor alledaagse toepassingen.
Mono-kristallijne cellen hebben het beste rendement van alle verschillende typen kristallijne
panelen. Deze cellen zijn gemaakt van zuiver monokristallijn silicium. In deze cellen heeft het silicium
een egaal kristalroosterstructuur met bijna geen defecten of onzuiverheden. [2]
Het maken van mono-kristallijne cellen is een duurder proces wat maakt dat de poly-kristallijne
cellen goedkoper zijn. Poly-kristallijne cellen hebben echter wel een lagere opbrengst. [7]
Poly-kristallijne cellen zijn gemaakt met korrels monokristallijn silicium. In het productieproces wordt
gesmolten polykristallijn silicium gegoten tot staven, die vervolgens in zeer dunne plakken worden
gesneden en geassembleerd tot volledige cellen.
De keuze tussen beide wordt voornamelijk bepaald door hoeveel vermogen per vierkante meter men
nodig heeft. Bij een klein dak zijn mono-kristallijne panelen de betere keuze. Voor een groot dak kiest
3
Het vermogen per vierkante meter is berekend door verschillende datasheets van de volgende fabrikanten te
vergelijken: Sunpower, Suntech, Sharp, Panasonic, Yingli, Kyocera en Canadian Solar
21
men voor de economisch interessantere poly-kristallijne panelen indien er geen buitensporig groot
verbruik is (de esthetische kant van de zaak buiten beschouwing genomen). Mono-kristallijne cellen
worden gemakkelijk onderscheiden van andere cellen door hun typisch vorm (zie de hoeken op
Figuur 14 en Figuur 13).
Figuur 14: Typische vorm van een mono-kristallijne cel
Dunne film cellen worden voornamelijk gebruikt in geïntegreerde toepassingen zoals BIPV (Building
Integrated Photovoltaics). Ze hebben een zeer dunne laag fotovoltaïsch materiaal wat ze flexibel en
goedkoop maakt, maar met een rendement dat veel lager is dan hun kristallijne tegenhangers. [7]
22
4.3 Batterijen
Batterijen vormen binnen het ontwerp van het laadstation een cruciaal gegeven. De batterij dient als
buffer en zorgt voor de autonomie van het laadstation:



Wanneer de zonnepanelen meer vermogen leveren dan de last nodig heeft, gaan de
batterijen opladen.
Wanneer de zonnepanelen minder vermogen leveren dan de last nodig heeft, gaat de
batterij energie bijleveren aan de last.
Wanneer er enkele dagen onvoldoende zon zou zijn, dient de batterij als back-up.
Het is dus uiterst belangrijk de werking ervan grondig te begrijpen en een goede keuze van het
batterijpakket is essentieel voor een correcte, efficiënte maar ook duurzame werking van het
systeem.
Ook de last zelf bestaat voornamelijk uit batterijen. Dit zijn de batterijen waarmee de elektrische
fietsen van energie worden voorzien. In dit hoofdstuk zullen ook deze worden toegelicht.
4.3.1 Werking batterij [8]
Figuur 15: De citroen batterij [8]
In een batterij vindt een elektrochemische reactie plaats tussen twee soorten metalen. Deze metalen
worden blootgesteld aan een zuur waardoor zich een spanning tussen beide metalen gaat
ontwikkelen. Dit komt door ionen die zich gaan verplaatsen. Wanneer de metalen met elkaar
verbonden worden, loopt er een stroom door het circuit.
23
Tabel 1: De bekendste batterij types
Loodzuur (Pb-acid)
Nikkel-cadmium (Ni-Cd)
Nikkel metaal hybride (NMH)
Lithium-ion (Li-ion)
De karakteristieken van een batterij zijn een afweging tussen volgende acht items:










De specifieke energie (Wh/kg)
Het specifiek vermogen (W/kg)
De energiedichtheid (Wh/l)
De vermogendichtheid (W/l)
Prijs
Levensduur
Veiligheid
Temperatuurbereik
Toxiciteit
Mogelijkheid tot snel laden
Sommige batterijen kunnen een groot vermogen leveren maar zijn snel leeg. Andere batterijen
kunnen slechts een zeer laag vermogen leveren maar hebben daarbij wel een grotere energieinhoud. Voor het laadstation is dit laatste een interessante optie, gezien de fietsbatterijladers slechts
weinig vermogen vragen.
4.3.2 Begrippen [8] [9] [10] [11] [12]
Nominale spanning (V)
In de datasheet van de batterij staat de nominale spanning aangegeven. De nominale spanning is de
spanning van een volledig opgeladen batterij die de nominale stroom levert.
Dit is echter niet de openklemspanning. De openklemspanning hangt af van de SOC. De
openklemspanning ligt meestal 5 – 7 % hoger dan de nominale spanning bij een volledig opgeladen
batterij (SOC = 100 %). Afhankelijk van de gebruikte technologie en het aantal cellen in serie
geplaatst, komt men tot de openklemspanning. De spanning van de batterij daalt naarmate deze
ontladen wordt. In parallel geplaatste cellen verhogen de stroom die kan geleverd worden.
24
C-rate
Deze term definieert hoe snel de batterij ontladen of opgeladen wordt. Bij een snelheid van 1 C zal
de batterij ontladen of opladen bij een stroom gelijk aan de aangegeven capaciteit in Ah. Een
capaciteit van 60 Ah zal bij een snelheid van 1 C dus ontladen of opladen aan 60 A. Bij 0,5 C halveert
de stroom zich. Hier zal de batterij van 60 Ah dus ontladen of opladen aan 30 A.
State of Charge (SOC)(%)
De energie aanwezig in een batterij op een specifiek moment ten opzichte van de maximaal
beschikbare capaciteit wordt aangeduid met de state of charge.
Depth of Discharge (DOD)(%)
Het percentage dat de batterij ontladen is, wordt aangegeven met de Depth Of Discharge of DOD. De
DOD is dus: DOD=100% – SOC. Er wordt meestal aangegeven tot welke DOD de batterij ontladen kan
worden om aan een opgegeven aantal cycli te kunnen voldoen. Dit is belangrijk voor de levensduur
van de batterij. De AHI-batterijen van Aquion kunnen tot 100% DOD ontladen worden, in
tegenstelling tot andere technologieën.
Cut-off Voltage (V)
De batterij is “leeg” wanneer deze de cut-off spanning bereikt heeft. Het is de minimaal toegelaten
spanning door de fabrikant, bij een lagere spanning kan de batterij immers beschadigd worden. Deze
spanning wordt vastgelegd bij een door de fabrikant gekozen belasting. Bij de meeste batterij
technologieën (o.a. li-ion en loodzuur) wordt deze niet op 100% DOD vastgelegd. Als de batterij meer
dan 95% DOD wordt ontladen, gaat de spanning zeer snel dalen. De cut-off voltage wordt omwille
van die reden niet bij 100% DOD vastgelegd. De batterij zou immers kunnen over-ontladen en stuk
gaan.
Nominale energie-inhoud (Wh voor een gespecifieerde C-rate)
De energie-inhoud van een batterij wordt uitgedrukt in Wh. Het aantal wattuur aanwezig in de
batterij wordt bepaald door de batterij te ontladen van 100 % SOC tot de cut-off spanning. Dit
gebeurt bij een gekozen C-rate. Hoe hoger de C-rate hoe lager de energie die men uit de batterij kan
halen. Energie is het product van vermogen (in Watt) en de ontlaadtijd (in uur). De C-rate wordt
vastgelegd door de fabrikant. De batterij kan immers ontworpen zijn voor grote of kleine
ontlaadstromen afhankelijk van de beoogde toepassing.
25
Nominale capaciteit (Ah voor een welbepaalde C-rate)
De energie-inhoud van een batterij wordt naast Wattuur of Wh ook vaak uitgedrukt in Ampère-uur of
Ah. De capaciteit van een batterij wordt altijd aangegeven bij een specifieke C-rate of bij een
welbepaalde ontlaadstroom. Hoe groter de ontlaadstroom of C-rate hoe lager de capaciteit van de
batterij.
Levenscycli
Het aantal oplaad/ontlaadcycli dat een batterij kan ondergaan voordat de nominale capaciteit met
een bepaald percentage, meestal 20 % [7], is gedaald. Het aantal cycli hangt sterk af van de
gebruikswijze en de DOD. Een volledige cyclus is een ontlading van 100 % SOC naar 100 % DOD. Vaak
wordt het aantal levenscycli bij 80 % DOD bepaald omdat fabrikanten er vanuit gaan dat de batterij
niet altijd volledig wordt ontladen. Er is geen standaardisering over hoe het aantal levenscycli moet
bepaald worden.
Het energetisch rendement (𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 )
De energie geleverd door de batterij, gedeeld door de energie nodig om op te laden, is het
energetisch rendement.
4.3.3 Soorten batterijen [8] [9] [10]
Er zijn een groot aantal verschillende batterijtechnologieën op de markt. Het is belangrijk kennis te
hebben van deze verschillende types en op basis van verschillende criteria een verantwoorde keuze
te maken.
De criteria waarop een beslissing zal gemaakt worden, zijn de volgende:
-
De opslagcapaciteit in kWh
-
De DC-spanning van de batterij
-
DOD, Depth of Discharge(%)
-
Het energetisch rendement ηbatt
-
Ecologisch → Levenscyclusanalyse beschikbaar?
-
Recycleerbaar → Certificaten?
-
Veilig
Groot temperatuur bereik: zodat in extreme condities de batterij kan blijven werken, het
opwarmen van het laadstation is immers extra energieverbruik die niet naar de fietsen kan.
26
-
Prijs
De voornaamste technologieën voor stationaire PV-applicaties worden besproken. [13]
Nickel-cadmium (Ni-Cd) wordt niet besproken. Nickel-cadmium in de vorm van kleine, draagbare
batterijen is verboden in de EU. [14] Op het gebruik van industriële Ni-Cd batterijen staan strenge
voorwaarden. Omwille van de duurzame setting van deze thesis wordt deze technologie niet
besproken.
Ook Ni-MH wordt niet besproken. Deze technologie is zoals nickel-cadmium zeer duur, loodzuur is
immers een veel goedkopere oplossing (zie Figuur 16).
Lithium-ion wordt wel besproken, gezien dit een sterk opkomende technologie is dankzij de
smartphone, laptops, maar recentelijk ook dankzij elektrische mobiliteit.
Daarnaast wordt ook de AHI-batterij van Aquion behandeld als ecologisch alternatief voor stationaire
toepassingen.
Figuur 16: Batterij technologieën en hun specificaties [15]
a.
Loodzuur accu [16] [17] [13]
De loodzuuraccu is het oudste type herlaadbare batterij. [8] Ondanks de lage energiedichtheid wordt
dit type wegens de lage prijs zeer vaak gebruikt in stationaire applicaties. Voor stationaire applicaties
is het gewicht en volume van de batterij immers vaak van minder belang in vergelijking met de
batterij in een elektrische wagen of deze van een elektrische fiets.
27
Voordelen loodzuur:




Lage productie kost (60$/kWh -> Li-ion: 150$/kWh, zie Figuur 16)
Groot temperatuur bereik (opladen: -20 – 50°C -> Li-ion: 0 – 45°C, zie Figuur 22)
Volwassen technologie (oudste batterij technologie) [8]
Recyclage
Nadelen loodzuur:




Lage specifieke energie (30-50 Wh/kg –> Li-ion: 100-250 Wh/kg: zie Figuur 16 en Figuur 22)
Toxiciteit (lood!)
Gewicht
Het volledig ontladen zorgt voor stress in de batterij, waardoor een deel van de capaciteit
verloren gaat.
→ Stress factoren zijn alle condities4 waarbij de batterij direct of indirect degradeert naar een
lagere capaciteit maar die op zichzelf geen verouderingsmechanisme zijn.

Temperatuur afhankelijke productie van waterstof en zuurstof gas
Er bestaan grofweg drie types loodzuur batterijen, nl: startaccu’s, stationaire accu’s en tractie-accu’s.
Enkel deze laatste twee zijn interessant voor autonome applicaties wegens de mogelijkheid tot
dieper ontladen (50-80%).
Figuur 17: Chemische stoffen in een loodzuur batterij
Hieronder een overzicht van de verschillende soorten loodzuuraccu’s:
4
Zie [23] voor uitgebreidere informatie over de parameters in kwestie die leiden tot deze condities.
28
FLA (Flooded Lead-Acid):
Deze batterijen zijn niet gesloten zoals de VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid) variant van loodzuur.
Door deze batterijen te overladen wordt water omgezet in waterstof en zuurstof en ontsnappen deze
stoffen in de atmosfeer. Af en toe moet water worden toegevoegd wat zorgt voor extra onderhoud.
Doordat de batterij met vloeibaar elektrolyt werkt kan deze niet schuin worden geplaatst. Dit type
heeft de langste levensduur onder de loodzuur batterijen. [13]
VRLA:
Dit type loodzuuraccu is gesloten en kan via een overdrukventiel worden ontgast. Ze vergen weinig
tot geen onderhoud en hebben een lange levensduur.
Er bestaan twee types VRLA:
AGM (Absorbed Glass Mat):
Hier is de scheiding tussen de cellen vervangen door een glasvezelplaat die gedrenkt is in vloeibaar
elektrolyt. Dit type is ook onderhoudsvrij. Ze bevatten echter zeer weinig zuur, waardoor dit type
batterij zeer vatbaar is voor het ontsnappen van water. Dit type is hoofdzakelijk gemaakt om grote
stromen te kunnen leveren bij een korte ontlaadtijd. [8] [13]
Gelaccu’s:
Hier is het elektrolyt een gel waardoor de batterij in elke oriëntatie geplaatst kan worden. De
energiedichtheid is lager dan de natte versie en de productiekost ligt hoger. Doordat het elektrolyt
niet vloeibaar is zijn deze accu’s beter bestand tegen koude en hitte (lager vriespunt/ hoger
kookpunt). Wegens het onderhoudsvrij karakter zijn ze uitermate geschikt voor autonome
applicaties. [8]
b.
Lithium-ion [8]
Lithium-ion is de sterkst groeiende en ondertussen bekendste batterijtechnologie omwille van het
gebruik in alledaagse toestellen, zoals in laptops, gsm’s, etc. Maar ook steeds meer door nieuwe
marktsegmenten zoals bij elektrische wagens. In het laadstation zullen de batterijen van de
elektrische fietsen steeds lithium-ion als technologie gebruiken.
In vergelijking met andere batterijtechnologieën is lithium-ion de meest kwetsbare. Li-ion heeft een
speciaal beveiligingscircuit nodig, ook wel BMS of Battery Management System genoemd.
29
Figuur 18: Werking Li-ion batterij
Hieronder een overzicht van de voordelen van Li-ion:






Hoge specifieke energie (100 – 250 Wh/kg -> Pb-acid: 30 – 50 Wh/kg, zie Figuur 16 en Figuur 22)
Snel laden (1 – 4 uur -> Pb-acid: 8 – 16 uur, zie Figuur 22)
Afgesloten cellen
Hoog aantal levenscycli (2000 -> Pb-acid: 1000, zie Figuur 16)
Weinig onderhoud
Hoge efficiëntie
De nadelen van Li-ion:




Kwetsbaar -> BMS noodzakelijk
Degradeert als de cellen op hoge temperatuur en hoge spanning gehouden worden
→ Het elektrolyt gaat oxideren aan de kathode en resulteert in capaciteitsverlies
Strenge regels voor transport van Li-ion
Hoge productie kost (150$/kWh -> Pb-acid: 60$/kWh, zie Figuur 16)
Er wordt veel onderzoek gedaan naar nieuwe materialen voor batterijen, zeker voor li-ion specifiek.
De drie voornaamste Li-ion technologieën worden hieronder beschreven:
LiCoO2 (LCO)
Lithium cobalt oxide is een populaire technologie voor de mobiele telefoon, laptops en digitale
camera’s. De batterij heeft LiCoO2 als kathode en grafiet koolstof als anode. Tijdens het ontladen
30
bewegen de lithium ionen van de anode naar de kathode, bij opladen van de kathode naar de anode.
[18]
Specificaties:


Zeer hoge specifieke energie (150 – 250 Wh/kg, zie Figuur 22)
Laag specifiek vermogen
LiMn2O4 (LMO)
Lithium mangaan oxide wordt gebruikt voor elektrisch gereedschap, medische instrumenten en
elektrische voertuigen. LiMn2O4 wordt als kathode gebruikt en als anode grafiet. Het LiMn2O4 vormt
een kristalstructuur. [18]
Specificaties:


Lagere specifieke energie dan LCO (100 – 150 Wh/kg, zie Figuur 22)
Veiliger dan LCO
LiFe-PO4 (LFP)
Bij LFP wordt LiFe-PO4 als kathode gebruikt. Voor de anode wordt grafiet als materiaal gebruikt.
Lithium ijzer fosfaat dient onder andere als start batterij, maar is ook van toepassing bij elektrische
wagens en fietsen. [18]
Specificaties:





31
Hoge c-rate (snel opladen)
Lage specifieke energie (90 – 120 Wh/kg, zie Figuur 22)
Hoog specifiek vermogen (2000 – 4500 W/kg -> andere li-ion: 200 – 430 W/kg, zie Figuur 16)
Hoog aantal levenscycli (meer dan 2000, zie Figuur 16)
Thermische stabiliteit
c.
Sodium-ion Battery (Aquion)
Figuur 19: Samenstelling Aquion batterij
Aquion Energy produceert sinds 2011 batterijen met de AHI-technologie. AHI staat voor Aqueous
Hybrid Ion. De kathode bestaat uit mangaan oxide, de anode uit een koolstof titanium fosfaat
composiet. Als elektrolyt wordt hier natrium sulfaat in een waterige oplossing gebruikt, vandaar de
term zoutwater batterij.
Aquion Energy stelt de AHI-batterij voor als de eerste “eetbare” batterij. Ze is van frequent
voorkomende materialen gemaakt, dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld Li-ion. In april 2015 hebben
ze, als eerste fabrikant van batterijen, het Cradle to Cradle certificaat (op brons niveau)
binnengehaald. [19]
Betekenis Cradle to Cradle certificaat:
“Cradle to Cradle certificering kan behaald worden op vijf niveaus: Basic, Bronze, Silver, Gold en
Platinum. Producenten worden zo uitgedaagd om hun product continu te verbeteren. Hiervoor
wordt het product beoordeeld op vijf modules:





32
Gezonde materialen
Materiaal hergebruik en ‘Design for environment’
Energie
Water
Maatschappelijke verantwoordelijkheid
Certificatieproces
Het certificatieproces bestaat uit drie stappen.



Een toxicologische analyse van alle toegepaste materialen in het eindproduct.
Evaluatie van het productieproces waarbij gekeken wordt naar toepassing van hernieuwbare
energie, watergebruik en sociale verantwoordelijkheid.
Het certificaat wordt, na verificatie van het dossier, uitgegeven door het onafhankelijke
Cradle to Cradle Products Innovation Institute.” [20]
Figuur 20: Scorebord Aquion [20]
Figuur 21: Datasheet Aquion S30-0080
33
Voordelen van de technologie:







Geen onderhoud
Groot aantal levenscycli (3000 cycli tot 70 % van initiële capaciteit, zie Figuur 21)
Tolerant voor temperatuur schommelingen (-5 °C – 40 °C, zie Figuur 21)
Veilig
Duurzaam
DOD van 100%
→ De batterij kan volledig ontladen worden tot een SOC van 0%. De volledig energie-inhoud
kan dus ook effectief gebruikt worden
Cradle to Cradle, zie Figuur 20
Nadelen:


Lage specifieke energie ( ≈22 Wh/kg5 -> Pb-acid: 35 Wh/kg)
Laag specifiek vermogen ( ≈5,8 W/kg6 -> Pb-acid: 180 W/kg)
Er bestaat een stack van 2kWh en een grote stack van 25kWh. Eén toren bestaat uit meerdere op
elkaar gestapelde batterijcellen, in serie verbonden. Omdat de stacks een nominale spanning van
48V hebben, moeten er geen meerdere torens in serie geplaatst worden om tot een hogere spanning
te komen. Er kunnen wel gemakkelijk meerdere torens in parallel geplaatst worden om de capaciteit
te vergroten.
5
De specifieke energie is berekend uit de datasheet van de S30-008, de energie-inhoud (2603 Wh) bij 20 uur
ontladen en opladen gedeeld door het gewicht (118 kg)van de batterij
6
Het specifiek vermogen is berekend uit de datasheet met het continu vermogen (680 W) gedeeld door het
gewicht (118kg) van de batterij
34
4.3.4 Overzicht
Een overzicht van de bekendste batterij technologieën.
Figuur 22: Tabel batterij specificaties [8]
35
4.3.5 Besluit
Voor het laadstation is vermogensdichtheid van ondergeschikt belang doordat de fietsbatterijen met
laag vermogen worden opgeladen (144 – 250 W). De belangrijkste specificaties voor het laadstation
zijn duurzaamheid, veiligheid, prijs en voldoende capaciteit om het laadstation van energie in de
winter te voorzien. De zoutwater batterij van Aquion springt meteen in het oog als ecologische
oplossing. In § 6.4 wordt bepaald of de batterij zal voldoen voor het laadstation.
36
4.4 Omvormers
Er is een zeer divers gamma aan omvormers voor PV-applicaties. Enerzijds moet een opsplitsing
gemaakt worden tussen DC en AC:




DC-DC omvormers
DC-AC omvormers, of wisselrichters
AC-DC omvormers of gelijkrichters
Bi-directionele omvormers, die AC-DC en DC-AC kunnen vormen
Voor offgrid toepassingen met zonnepanelen en batterijen kunnen volgende soorten omvormers
gebruikt worden:




Batterij-omvormers of offgrid omvormers (bidirectioneel)
PV-omvormers (wisselrichter) (DC-AC)
Laadregelaar (DC-DC)
Wisselrichter (DC-AC)
De PV-omvormer en laadregelaars bevatten meestal een MPP-tracker (Maximum Power Point). Deze
zorgt ervoor dat de zonnepanelen in het punt werken waar ze het meeste vermogen leveren.
Batterij-omvormers zijn nodig in offgrid toepassingen om een eigen net te vormen die de ACverbruikers kunnen voeden en waar andere bronnen zoals de pv-omvormer zich kunnen op
inkoppelen. Door de wisselvallige opbrengst van een zonnepaneel kan de PV-omvormer geen stabiel
net opbouwen.
Indien een PV-omvormer wordt gebruikt, wordt de energie langs de AC kant gekoppeld. Andere
opstellingen zijn ook mogelijk en worden in het volgende hoofdstuk besproken.
37
4.5 Type net
Als uitgangspunt wordt er gekozen voor een offgrid systeem. Hiermee wordt bedoeld dat er geen
koppeling is aan het openbare elektriciteitsnet. Er zijn verschillende mogelijkheden om de elektrische
componenten te koppelen in een autonoom net. [7] [21]
Een eerste keuze die moet gemaakt worden is om de energie uitwisseling tussen de batterij en de
zonnepanelen te laten plaatsvinden op de DC-bus of op de AC-bus.
4.5.1 AC-koppeling
Op Figuur 23 is een principeschets van het netsysteem weergegeven. Er is een gemeenschappelijke
AC-bus waarop zowel de PV-generator, de batterij en de last gekoppeld zijn. Het 230V AC-net wordt
opgebouwd vanuit de bi-directionele batterij-omvormer. Via een PV-omvormer worden de DC
zonnepanelen gekoppeld op de AC-bus en kan de last gevoed worden uit zowel de batterij als de PVgenerator.
Figuur 23: Principeschets energieflow AC koppeling [21]
Voordelen:



Universeel
Gemakkelijk uit te breiden (Netkoppeling, windturbine, extra panelen, dieselgenerator, …)
Zonnepanelen kunnen rechtstreeks via de PV-omvormer de last voeden
Nadelen:


38
Duurder (bi-directionele omvormer is duur)
Batterij is zwakke schakel (bij een lege batterij kan er immers geen net meer opgebouwd worden
waar andere toestellen op inkoppelen)
Het AC-gekoppeld netsysteem ziet er dus als volgt uit:
Figuur 24: Schema AC netsysteem met rendementen [22]
De fietsen worden via hun meegeleverde oplader aangesloten op 230 𝑉𝐴𝐶 stopcontacten die zich aan
de AC-zijde van de bi-directionele omvormer bevinden.
De bi-directionele omvormer heeft in dit systeem de totale controle. Het laat de PV-omvormer de
last voeden en schakelt de batterij bij indien de zonnepanelen onvoldoende vermogen leveren.
Indien de zonnepanelen meer vermogen leveren dan de last nodig heeft, laat de batterij-omvormer
het extra vermogen de batterij opladen. Bij een volle batterij past de batterij-omvormer de
frequentie zo aan dat de PV-omvormer zijn vermogen laat zakken. De PV-omvormer doet dit door uit
zijn MPP te gaan.
Het grootste probleem bij dit systeem is wanneer de batterij bijna leeg is. Dan kan de batterijomvormer immers geen net meer opbouwen en schakelt daarbij uit. Daardoor gaat de PV-omvormer
ook uitschakelen, omdat deze geen net meer heeft om op te koppelen. Bij de meeste batterijomvormers zit een relais die kan aangestuurd worden aan de hand van de SOC van de batterij. Indien
de batterij een te lage SOC heeft zal de last worden uitgeschakeld tot de batterij terug voldoende
opgeladen is.
39
4.5.2 DC-koppeling
Een tweede mogelijkheid is het gebruik van de DC bus.
Figuur 25 verduidelijkt de werking:
Figuur 25: Principeschets energieflow DC-koppeling
De batterijbank wordt gekoppeld op een DC-bus met een laadregelaar of zonnelader. De laadregelaar
of zonnelader kan de zonnepanelen in hun MPP doen werken. Afhankelijk van welk type laadregelaar
kan deze ook de batterij aan -of afschakelen. Het geheel wordt met een omvormer naar AC gebracht.
Dit kan met een gewone of bi-directionele omvormer indien gewenst.
Voordelen:





Geen bi-directionele omvormer nodig
Gemakkelijk te integreren
→ De zonnelader en de omvormer kunnen soms in één toestel vervat zitten
Goedkoper
De panelen kunnen altijd de batterij laden
→ De panelen worden immers niet afgekoppeld indien de batterij leeg is
De panelen laden de batterijen efficiënter dan bij AC-koppeling
→ Dit is interessant indien de last vaak gevoed moet worden door de batterij, bv ’s nachts
Nadelen:


Moeilijk uit te breiden
Energie van de zonnepanelen gaat met lager rendement naar de last dan bij AC koppeling
Beide systemen zijn geschikt voor de toepassing. Een combinatie van AC en DC koppeling is ook
mogelijk. Dit is immers het meest betrouwbare systeem. De zonnepanelen kunnen de last efficiënt
voeden via de PV-omvormer. Daarnaast kunnen de zonnepanelen die op de laadregelaar aangesloten
zijn de batterij blijven opladen, ook als de batterij bijna leeg zou zijn.
40
Een derde omvormer zou het systeem duurder maken. Het probleem, dat het laadstation niet meer
zou werken indien de batterij bijna leeg is, kan voorkomen worden door de last uit te schakelen vóór
de batterij leeg is. De keuze om gebruik te maken van AC-koppeling is dan ook de interessantste,
aangezien de fietsbatterijen overdag rechtstreeks door de PV-generator kunnen gevoed worden.
Een bijkomend voordeel is dat de verschillende componenten reeds aanwezig waren in het labo. Op
die manier is het dus mogelijk het systeem in het labo te testen zonder bijkomende kosten te hoeven
maken.
Het is ook mogelijk een DC-koppeling te gebruiken zonder wisselrichter en de fietsbatterijen
rechtsreeks DC te laden.
Voordelen:


Minder verliezen wegens rechtstreeks laden
Geen DC/AC conversie nodig
Nadelen:


Niet universeel (fietsladers werken standaard op 230V AC stopcontacten)
Moeilijk uit te breiden
De vereiste dat het laadstation compatibel moet zijn met elk type lader en fietsbatterij rechtvaardigt
de keuze voor omzetting naar AC. De laders verschillen sterk van fabrikant tot fabrikant. Om de
opstelling zo universeel mogelijk te maken is de overgang van DC naar AC dus noodzakelijk,
aangezien elke commerciële lader wel zonder problemen kan worden aangesloten op een 230 𝑉𝐴𝐶
stopcontact. De keuze tussen AC en DC-koppeling wordt besproken in onderstaande paragraaf. Men
kan immers ook bij DC-koppeling (van de zonnepanelen en batterij) een DC-AC omvormer gebruiken
zoals in Figuur 25.
Typische laadvermogens (max.) zijn:
Pedelec: 144 W (Bosch)
Speed pedelec (Stromer): 250 W
41
4.5.3 Rendement
De dimensionering wordt gedaan aan de hand van energie-equivalentie. Om correct te
dimensioneren, moeten de verschillende rendementen in rekening worden gebracht. In [22] wordt
besproken wat de verschillende verliezen zijn in een offgrid systeem.
De verschillende rendementen bij AC-koppeling zijn aangeduid op onderstaande figuur:
Figuur 26: Rendementen [22]
Zowel het direct rendement (van zonnepaneel tot last) en het indirect rendement (van zonnepaneel
via batterij naar last) wordt in deze paragraaf besproken. Een combinatie tussen beide wordt
gemaakt in het systeem rendement waarin rekening wordt gehouden met het deel van de last dat
rechtsreeks gevoed wordt via de zonnepanelen.
Het direct rendement van de zonnepanelen naar de last:
𝜂𝐴𝐶,𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝑃𝑉 (𝑇𝑐𝑒𝑙) ∙ 𝜂𝑃𝑉 (< 𝐺 >) ∙ 𝜂𝑃𝑉,𝑣𝑢𝑖𝑙 ⋅ 𝜂𝑃𝑉,𝑠𝑐ℎ𝑎𝑑𝑢𝑤 ⋅ 𝜂𝑃𝑉,𝑡𝑖𝑗𝑑 ⋅ 𝜂𝑖𝑛𝑣,𝐸𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛
Het indirect rendement van de zonnepanelen via de batterijen naar de last:
42
𝜂𝐴𝐶,𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝐴𝐶,𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 ⋅ 𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡
Bespreking van de rendementen uit Figuur 26:
𝜂𝑃𝑉,𝑆𝑇𝐶 = 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑣𝑎𝑛 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙 𝑏𝑖𝑗 𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑 𝑇𝑒𝑠𝑡 𝐶𝑜𝑛𝑑𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠
Dit is het rendement die weergeeft welk deel van de instraling effectief wordt omgezet in stroom. Dit
rendement is opgemeten bij STC. Het wordt niet ingerekend bij het totaal rendement, omdat dit
verlies reeds vervat zit in het wattpiek vermogen van het paneel.
𝜂𝑃𝑉 (𝑇𝑐𝑒𝑙 ) = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑢𝑟𝑠𝑎𝑓ℎ𝑎𝑛𝑘𝑒𝑙𝑖𝑗𝑘 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑣𝑎𝑛 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
Het rendement van een zonnepaneel is ook afhankelijk van de temperatuur van de zonnecel. Een
stijgende temperatuur heeft een positieve invloed op de stroom, maar een negatieve invloed op de
spanning. De totale invloed op het vermogen wordt uitgedrukt via de vermogenscoëfficiënt α van
een paneel. Dit staat vermeld in de datasheet. Voor de Sunpower panelen is α = -0,38%/°C. [4]
𝜂𝑃𝑉 (𝑇𝑐𝑒𝑙 ) = (1 + 𝛼 ∙ (𝑇𝑐𝑒𝑙 − 𝑇𝑆𝑇𝐶 )) ∙ 100%
𝑇𝑐𝑒𝑙 = 𝑇𝑜𝑚𝑔𝑒𝑣𝑖𝑛𝑔 +
𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20
∙< 𝐺 >
𝐺𝑁𝑂𝐶𝑇
Met:
-
NOCT (=Nominal Operating Cell Temperature) = 45° voor de Sunpower panelen
𝐺𝑁𝑂𝐶𝑇 = 800 𝑊⁄ 2
𝑚
𝑉𝑜𝑜𝑟 𝑇𝑜𝑚𝑔𝑒𝑣𝑖𝑛𝑔 wordt 15°C gekozen, een warmere dag in december, heeft het meeste
invloed op het rendement
< 𝐺 > is de gemiddelde irradiantie op een dag in december, dit is immers de maand waarop
de dimensionering is gemaakt
𝐺𝑑
<𝐺 >=
𝑆𝑜𝑑
𝐺𝑑 = 1270 𝑊ℎ⁄ 2
𝑣𝑜𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑐𝑒𝑚𝑏𝑒𝑟
𝑚 ∙ 𝑑𝑎𝑔
43
𝑆𝑜𝑑 = 𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝑑𝑎𝑔𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒
𝑆𝑜𝑑
cos −1 (− tan(𝜙) ∙ tan(𝛿))
=
7,5
met 𝜙 de breedtegraad (Gent = 51°) en 𝛿 de declinatiehoek, deze is afhankelijk van de dag van het
jaar:
𝛿𝑛𝑜𝑜𝑛 = sin−1(0,3978 ∙ sin(𝐽′ − 80,2° + 1,92° ∙ sin(𝐽′ − 2,80°)))
Met J’ de Juliaanse dag hoek, gedefinieerd als volgt:
𝐽′ = 𝐽 ∙
360
365,25
Met J de Juliaanse dag getal, met 1 januari = 1 tot en met 31 december = 365. We nemen 16
december als dag (J=350).
𝐽′ = 350 ∙
360
= 345
365,25
𝛿𝑛𝑜𝑜𝑛 = −23,3°
𝑆𝑜𝑑 = 8,742
<𝐺 >=
1270
𝑊
= 145,3 2
8,742
𝑚
𝑇𝑐𝑒𝑙 = 19,54°
Met bovenstaande berekeningen kan het temperatuur afhankelijk rendement worden berekend:
𝜂𝑃𝑉 (𝑇𝑐𝑒𝑙 ) = 102,08 %
Dit is een positieve correctie op het rendement.
44
Het rendement van een zonnepaneel hangt ook af van de gemiddelde instraling.
De instralingsafhankelijkheid van het rendement van een paneel berekenen we als volgt:
𝜂𝑃𝑉 (< 𝐺 >) = 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙𝑖𝑛𝑔𝑠𝑎𝑓ℎ𝑎𝑛𝑘𝑒𝑙𝑖𝑗𝑘 𝑟𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑣𝑎𝑛 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
𝜂𝑃𝑉 (< 𝐺 >) = (1 + 𝜅 ∙ ln (
<𝐺>
)) ∙ 100%
𝐺𝑆𝑇𝐶
Met 𝜅 de irradiantiecoefficient van het gebruikte PV-paneel, deze coëfficiënt hangt af van de
gebruikte technologie. Voor kristallijne panelen is 𝜅 = 4%.
𝜂𝑃𝑉 (< 𝐺 >) = 92,28%
Ook de invloed van vuil en stof wordt verrekend, dit is moeilijk te bepalen. Meestal wordt tussen de
90 en 97 % gekozen. Op plaatsen waar het regelmatig regent wordt meestal voor 97% gekozen. Hier
is 97 % genomen.
𝜂𝑃𝑉,𝑣𝑢𝑖𝑙 = 𝑖𝑛𝑣𝑙𝑜𝑒𝑑 𝑣𝑎𝑛 𝑣𝑢𝑖𝑙 𝑒𝑛 𝑠𝑡𝑜𝑓 𝑜𝑝 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
𝜂𝑃𝑉,𝑣𝑢𝑖𝑙 = 97%
De invloed van schaduw door objecten is moeilijk te bepalen. Het is immers sterk afhankelijk van de
plaats waar het laadstation gepositioneerd wordt. De invloed van schaduw wordt voor deze
dimensionering op 98% gezet. Er is dus met enig verlies rekening gehouden, maar dit kan heel sterk
verschillen. Regel is dat schaduw zoveel mogelijk moet worden vermeden.
𝜂𝑃𝑉,𝑠𝑐ℎ𝑎𝑑𝑢𝑤 = 𝑖𝑛𝑣𝑙𝑜𝑒𝑑 𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑐ℎ𝑎𝑑𝑢𝑤 𝑜𝑝 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
𝜂𝑃𝑉,𝑠𝑐ℎ𝑎𝑑𝑢𝑤 = 98%
Het vermogen die panelen kunnen leveren, daalt door ouderdom. Hiermee wordt rekening
gehouden met volgende rendementsfactor:
𝜂𝑃𝑉,𝑡𝑖𝑗𝑑 = 𝑖𝑛𝑣𝑙𝑜𝑒𝑑 𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑣𝑎𝑛 ℎ𝑒𝑡 𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑗𝑑 𝑣𝑎𝑛 𝑒𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
45
De fabrikant van de voorgestelde panelen (Suntech) garandeert een rendement van 87% na 25 jaar.
Dus een verlies van 13/25=0,52% per jaar. Voor het laadstation wordt een rendementsdaling voor de
eerste vijf jaar gecompenseerd.
𝜂𝑃𝑉,𝑡𝑖𝑗𝑑 = (1 −
13%
∙ 5 𝑗𝑎𝑎𝑟) ∙ 100% = 97,4 %
25 𝑗𝑎𝑎𝑟
Het rendement van een PV-omvormer is afhankelijk van de instralingscondities. Er is een Europese
norm opgesteld die het rendement berekent als som van verschillende rendementen bij
verschillende instralingen. Dit rendement wordt meestal ook meegegeven in de datasheet van de
omvormer. Voor de Sunny Boy 3600 TL is dit rendement 96,4 %. [23]
𝜂𝑖𝑛𝑣,𝐸𝑢𝑟𝑜 = 96,4 %
Ook wordt er een rendementsterm inbegrepen die alle niet ingerekende verliezen bevat. Zoals
bijvoorbeeld verliezen in kabels en verlies door de fietsbatterijladers en andere verliezen die
eventueel over het hoofd zijn gezien. Er wordt hiervoor 97 % geschat.
𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 = 97 %
Men kan het systeemrendement van AC-koppeling als volgt berekenen. Voor AC-koppeling worden
de rendementen van volgende apparatuur gebruikt:



Sunny Boy 3600 TL
Sunny Island 3.0M
Aquion S30-0080
Maximaal rendement batterij-omvormer (Zie datasheet Sunny Island 3.0M, [24]):
𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑚𝑎𝑥 = 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑚𝑎𝑥 = 95,5 %
Het Europees gewogen rendement van de batterij-omvormer is niet opgegeven in de datasheet. Dit
kan echter wel berekend worden uit onderstaande grafiek uit de datasheet.
46
Figuur 27: Efficiëntie curve Sunny Island
Het Europees gewogen rendement wordt als volgt berekend:
𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 = 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 = 0,03 ∙ 𝜂5% + 0,06 ∙ 𝜂10% + 0,13 ∙ 𝜂20% + 0,1 ∙ 𝜂30% + 0,48 ∙ 𝜂50% +
0,2 ∙ 𝜂100% = 0,03 ∙ 0,88 + 0,06 ∙ 0,92 + 0,13 ∙ 0,942 + 0,1 ∙ 0,95 + 0,48 ∙ 0,95 + 0,2 ∙ 0,932 =
94,1%
Het rendement van de batterij (datasheet Aquion S30-0080 bij 4A, [25]):
𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 = 88%
Het direct rendement van de zonnepanelen naar de last:
𝜂𝐴𝐶,𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝑝𝑣(𝑇𝑐𝑒𝑙) ∙ 𝜂𝑝𝑣(<𝐺>) ∙ 𝜂𝑝𝑣(𝑣𝑢𝑖𝑙) ⋅ 𝜂𝑝𝑣(𝑠𝑐ℎ𝑎𝑑𝑢𝑤) ⋅ 𝜂𝑝𝑣(𝑡𝑖𝑗𝑑) ⋅ 𝜂𝑖𝑛𝑣,𝐸𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛
= 1,0208 ∙ 0,9228 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,974 ∙ 0,964 ∙ 0,97 = 81,55%
Het indirect rendement van de zonnepanelen via de batterijen naar de last:
𝜂𝐴𝐶,𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝐴𝐶,𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 ⋅ 𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 = 0,8155 ∙ 0,941 ∙ 0,941 ∙ 0,88
= 63,61 %
Omdat het rendement van de installatie ergens tussen het direct en indirect rendement in zal liggen,
wordt gebruik gemaakt van een factor 𝜇𝑑𝑎𝑔 . Deze factor beschouwt het deel van het verbruik dat
47
tijdens de dag plaatsvindt en dus rechtsreeks gevoed wordt door de zonnepanelen. De elektrische
fietsen worden enkel overdag opgeladen, dus zou de factor 100% moeten zijn. Maar dan wordt
echter geen rekening gehouden met bewolking en schaduw. Omwille van die reden is de factor 𝜇𝑑𝑎𝑔
arbitrair op 75 % gekozen.
𝜂𝐴𝐶,𝑠𝑦𝑠𝑡 = 𝜂𝐴𝐶,𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡 ⋅ (𝜇𝑑𝑎𝑔 + (1 − 𝜇𝑑𝑎𝑔 ) ∙ 𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅
𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 ) = 0,8155 ∙ (0,75 + (1 − 0,75) ∙ 0,941 ∙ 0,941 ∙ 0,88) = 77,07 %
Dit is het rendement waarop de PV-installatie gedimensioneerd zal worden in hoofdstuk 6.
Om AC-koppeling te kunnen vergelijken met DC-koppeling wordt enkel rekening gehouden met de
rendementen van de apparatuur en niet de verliezen ingecalculeerd bij de PV opbrengst. Er dus enkel
rekening gehouden met de verliezen van de klemmen van de zonnepanelen tot de verbruikers.
Voor AC-koppeling rekent men dan:
𝜂𝐴𝐶 = 𝜂𝑖𝑛𝑣,𝐸𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 ∙ (𝜇𝑑𝑎𝑔 + (1 − 𝜇𝑑𝑎𝑔 ) ∙ 𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 ) = 88,3 %
DC-koppeling:
𝜂𝐷𝐶 = 𝜂𝑝𝑣,𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 ∙ 𝜇𝑑𝑎𝑔 + 𝜂𝑝𝑣,𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 ∙ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛
∙ (1 − 𝜇𝑑𝑎𝑔 ) = 86,1%
Voor DC-koppeling wordt het Europees rendement van de Sunny Island Charger 50 genomen, nl.
97,3 %.
48
4.5.4 Besluit
AC-koppeling heeft een iets beter rendement (2,2 % verschil) voor deze toepassing indien een
substantieel deel (25%) van het verbruik niet rechtstreeks gevoed wordt. De factor 𝜇𝑑𝑎𝑔 is laag
ingeschat, dus in realiteit zal het rendement nog hoger liggen en zal er een groter verschil zijn met
DC-koppeling. Het rendement kan vergroot worden door bijvoorbeeld de fietsen slechts op te laden
indien de zon schijnt. Indien 𝜇𝑑𝑎𝑔 vergroot kan worden tot bijvoorbeeld 90 %, zal AC-koppeling een
rendement van 91,4 % hebben en DC-koppeling een rendement van 87,7 %. Het verschil in
rendement is nu 3,7 %.
Bij de dimensionering werd ervoor gekozen het gemiddelde rendement op langere termijn te
beschouwen, met andere woorden de hiervoor beschouwde rendementen. Men zou immers ook de
“worst-case” redenering volledig kunnen doortrekken en de installatie dimensioneren op de “worstcase” situatie in de winter, wanneer er meerdere dagen geen zon schijnt. DC-koppeling heeft immers
het hoogste rendement in deze situatie. Het rendement van de energie van de zonnepanelen via de
batterij naar de last wordt in deze situatie beschouwd (→ 𝜇𝑑𝑎𝑔 = 0%):
𝜂𝐷𝐶,𝑃𝑉→𝑏𝑎𝑡𝑡→𝑙𝑎𝑠𝑡 = 𝜂𝑝𝑣,𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 ∙ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 = 78,2 %
𝜂𝐴𝐶,𝑃𝑉→𝑏𝑎𝑡𝑡→𝑙𝑎𝑠𝑡 = 𝜂𝑖𝑛𝑣,𝐸𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐴𝐶−𝐷𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ⋅ 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑡 ∙ 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 = 72,9 %
Er wordt toch voor AC-koppeling gekozen omdat het grootste deel van de tijd de fietsen rechtsreeks
gevoed kunnen worden door de zonnepanelen, ook in de winter. Het is slechts in uitzonderlijke
omstandigheden dat het voeden van de fietsen volledig via de batterijen gebeurd.
Het aandeel van de rechtsreeks geleverde energie kan immers nog vergroot worden door rekening te
houden met weersvoorspelling in het oplaadsysteem. De fietsen kunnen dan bijvoorbeeld opgeladen
worden enkel wanneer de zon voldoende energie levert aan de panelen. Op die manier wordt het
rendement van de installatie vergroot.
49
5.
Elektrische fiets
5.1 Types
Een elektrische fiets is een fiets met elektromotor. Afhankelijk van het type zal deze motor de
volledige aandrijving voor zijn rekening nemen, of dient deze enkel als extra ondersteuning bij de
door de bestuurder geleverde spierkracht.
In deze masterproef wordt uitsluitend ingegaan op de elektrische fiets met trapondersteuning. Er
wordt onderscheid gemaakt tussen volgende twee types fietsen:
-
Pedelec
Speed pedelec
5.1.1 Pedelecs
De term ‘Pedelec’ is afkomstig van Pedal Electric Cycle. Een fiets wordt in de wegcode binnen de
term rijwiel gecatalogeerd. Een pedelec wordt wettelijk als rijwiel beschouwd wanneer hij, zoals in de
wegcode beschreven, aan volgende voorwaarden voldoet:
-
-
Elk voertuig met twee of meer wielen, dat wordt voortbewogen door middel van pedalen of
van handgrepen door één of meer van de gebruikers en niet met een motor is uitgerust, zoals
een fiets, een driewieler of een vierwieler.
De bevestiging van een elektrische hulpmotor met een nominaal continu vermogen van
maximaal 0,25 kW, waarvan de aandrijfkracht geleidelijk vermindert en tenslotte wordt
onderbroken wanneer het voertuig een snelheid van 25 km/u bereikt, of eerder, indien de
bestuurder ophoudt met trappen. [26]
Dit wordt tevens in de Europese norm EN 15194 gedefinieerd als:
“This European Standard NEN-EN 15194:2009+A1:2011 is intended to cover electrically power
assisted cycles of a type which have a maximum continuous rated power of 0,25 kW, of which the
output is progressively reduced and finally cut off as the vehicle reaches a speed of 25 km/h, or
sooner, if the cyclist stops pedalling.
Its aim is to provide a standard for the assessment of electrically powered cycles of a type which are
excluded from type approval by Directive 2002/24/EC.” [27]
De pedelec is vrijgesteld van de typegoedkeuring. Voor een dergelijke elektrische fiets is geen helm
noch rijbewijs verplicht. Het gaat wettelijk gezien immers om een gewone fiets.
50
5.1.2 Speed pedelecs
Dit type is een variant op de gewone pedelec en geeft ondersteuning tot hogere snelheden dan 25
km/u.
De EU classificeert aangedreven lichte voertuigen met twee wielen in onder L1e-A en L1e-B voor
typegoedkeuring in verordening 168/2013 meer bepaald in annex 1. De pedelec vormt hierbij een
uitzondering en heeft geen typegoedkeuring nodig, zoals eerder aangehaald.
L1e-A:
 Trapondersteuning als voornaamste doel
 Maximaal 25 km/h
 Maximaal continu vermogen: 1000 W
 Gemotoriseerd rijwiel
L1e-B:
 Maximaal 45 km/h
 Maximaal continu vermogen: 4000 W
 Bromfiets op 2 wielen
Onder L1e-B worden verder technische specificaties opgelegd voor de speed pedelec:




Maximaal 35 kg
Verstelbare positie van de rijder
Maximale assistentie factor van 4
…
𝐴𝑠𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑖𝑒 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 =
𝑚𝑒𝑐ℎ𝑎𝑛𝑖𝑠𝑐ℎ 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛
𝑔𝑒𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑒𝑒𝑟𝑑 𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑖𝑗𝑑𝑒𝑟
Er is veel discussie rond de Europese regelgeving van speed pedelecs. Momenteel bevindt men zich
in een overgangsperiode. De nieuwe wetgeving gaat verplicht in vanaf 1 januari 2017. De huidige
Belgische wetgeving is de volgende maar kan ook wijzigen in de nabije toekomst:
De speed pedelec valt volgens de Belgische wetgeving onder bromfiets klasse B. Dat wil zeggen dat
de bestuurder een gekeurde (bromfiets) helm dient te dragen en men over een gepast rijbewijs moet
beschikken (A3). Eventueel is ook een BA-verzekering nodig indien het voertuig kan voortbewegen
zonder te trappen. Ook een gelijkvormigheidsattest en een nummerplaat zijn verplicht. Ten slotte
moet er met de speed pedelec gefietst worden waar een bromfiets klasse B moet rijden.
[28] [29] [30] [31]
51
5.2 Verbruik
Om een correcte dimensionering te kunnen doen is het belangrijk te weten hoeveel de verschillende
types elektrische fietsen verbruiken in verschillende omstandigheden.
In deze paragraaf wordt er verder ingegaan op de actieradius en het gemiddelde verbruik per fiets.
5.2.1 Actieradius [32]
De actieradius is de afstand die een voertuig kan afleggen met één laadbeurt.
Er zijn allerlei factoren die een invloed uitoefenen op deze actieradius. In het geval van elektrische
fietsen zijn de volgende omstandigheden van belang:
-
Het trapondersteuningsniveau (meer ondersteuning zorgt automatisch voor minder
kilometers)
De luchtweerstand
De bandenspanning
Staat van de fiets
De snelheid
Het gewicht van de bestuurder en de fiets
Het type ondergrond (glad asfalt, zandweg, …)
Het rijgedrag
Leeftijd van de accu
Versnelling
Helling
Windsnelheid
Wanneer de gegevens van verschillende fabrikanten worden geraadpleegd is te zien dat er een grote
speling zit op de actieradia. Een gemiddeld verbruik van 6 – 11 Wh/km afhankelijk van de
rijomstandigheden, zie tabel Tabel 2.
Voor speed pedelecs ligt dit verbruik nog een stuk hoger. Dit wegens de hogere snelheid, zwaardere
fiets en grotere motor. Een theoretische waarde van 5,44 Wh/km7 is bijvoorbeeld door een fabrikant
opgegeven. Om het realistisch rijbereik te kunnen inschatten wordt een methode uit de literatuur
gebruikt die gebruik maakt van de verschillende parameters hierboven aangehaald.
7
geclaimde actieradius Stromer ST2 is 150km met een batterijcapaciteit van 814 Wh, [61]
52
In onderstaande tabel zijn er enkele waarden weergegeven voor pedelecs:
Tabel 2: Gemiddeld verbruik pedelec bij verschillende trajecten [33]
53
Voordat overgegaan wordt tot het berekenen van de actieradius via een theoretisch model, wordt
bovenstaande tabel geanalyseerd en de nodige conclusies getrokken. De capaciteit van de
verschillende types pedelecs in Tabel 2 varieert van 207,2 Wh tot 468 Wh. Recentere gegevens tonen
aan dat een pedelec vandaag van 300 Wh tot 1000 Wh kan variëren. [34] Er wordt bekeken of
bovenstaande tabel gebruikt kan worden voor het berekenen van de actieradius. Het verbruik per
kilometer is opgesplitst in 3 scenario’s, tour, mountain en urban. Daarbij is telkens het verbruik per
kilometer bepaald per fiets. De categorie ‘convenience’ of gemak, past best in het woon-werk
verkeer verhaal. Deze categorie wordt verder bestudeerd.
Voor de fietscategorie ‘convenience’:



Tour: 5,24 – 7,74 Wh/km, gemiddeld 6,75 Wh/km
Mountain: 10,97 – 30 Wh/km, gemiddeld 16,32 Wh/km
Urban: 10,42 – 17,73 Wh/km, gemiddeld 13,27 Wh/km
Er wordt voor een bepaald traject gekozen en bekeken hoe sterk het verbruik verschilt per fiets. Voor
de pedelec wordt aangenomen dat een woon-werktraject tussen de 30 à 60 minuten duurt. Het
gemiddelde is 45 minuten, daarbij wordt een marge genomen van 5 minuten en dus als gemiddelde
duur voor een rit van/naar het laadstation 50 minuten genomen. Voor de pedelec wordt een
gemiddelde snelheid van 22,5 km/h geschat.
𝐴𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑗𝑒𝑐𝑡 (50 𝑚𝑖𝑛. ) =
50 𝑚𝑖𝑛
60 𝑚𝑖𝑛⁄ℎ
∙ 22,5 𝑘𝑚⁄ℎ = 18,75 𝑘𝑚
De verdeling tussen tour, mountain en urban wordt resp. 75%, 5% en 20% geschat indien het
laadstation in de regio Gent wordt geplaatst.
Tabel 3: Verdeling aantal kilometer
Tour
Mountain
Urban
18,75 ∙ 0,7 = 13,1 𝑘𝑚
18,75 ∙ 0,05 = 0,9 𝑘𝑚
18,75 − (13,1 + 0,9)
= 4,75 𝑘𝑚
In onderstaande tabel wordt het gemiddelde verbruik van een pedelec ingeschat. Daarnaast
berekent men een lage en hoge schatting met de eerder opgegeven cijfers.
54
Tabel 4: Inschatting verbruik van een pedelec
Tour
Mountain
Urban
Totaal
Lage schatting
5,24 ∙ 13,1
= 68,6 𝑊ℎ
10,97 ∙ 0,9 = 9,9 𝑊ℎ
10,42 ∙ 4,75
= 49,5 𝑊ℎ
128 𝑊ℎ
Gemiddeld
6,75 ∙ 13,1
= 88,4 𝑊ℎ
16,32 ∙ 0,9
= 14,7 𝑊ℎ
13,27 ∙ 4,75 = 63 𝑊ℎ
166,1 𝑊ℎ
Hoge schatting
7,74 ∙ 13,1
= 101,4 𝑊ℎ
30 ∙ 0,9 = 27 𝑊ℎ
17,73 ∙ 4,75
= 84,2 𝑊ℎ
212,6 𝑊ℎ
Indien gerekend wordt met een gemiddeld verbruik van 166,1 Wh voor een pedelec, kan het verbruik
23 % lager uitvallen (128 Wh) of 28 % hoger uitvallen (212,6 Wh) afhankelijk van het verbruik van de
fiets.
In de volgende paragraaf tracht men theoretisch de actieradius te berekenen door rekening te
houden met de fysische parameters die van invloed zijn op het verbruik.
55
5.2.2 Methode voor het berekenen van de actieradius [32]
Er wordt aangetoond hoe de actieradius volgens vooraf gekozen parameters bepaald kan worden.
Meer uitgebreide informatie vindt u terug in de literatuur.
Om een fiets voort te bewegen is er een vermogen nodig. Dit totale vermogen bestaat uit twee
componenten. Enerzijds het vermogen geleverd door de fietser, anderzijds het vermogen geleverd
door de motor. Het totale vermogen (𝑃𝑡𝑜𝑡 ) dat in een specifieke situatie nodig is kan opgedeeld
worden in het rolvermogen (𝑃𝑟𝑜𝑙 ), het luchtvermogen (𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ), het klimvermogen (𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 ), en het
versnellingsvermogen (𝑃𝑎 ).
𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑟𝑜𝑙 + 𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 + 𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 + 𝑃𝑎
Het rol-, lucht-, klim- en versnellingsvermogen dienen om resp. de rolweerstandskracht (𝐹𝑟𝑜𝑙 ),
luchtweerstandskracht (𝐹𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ), klimweerstandskracht (𝐹𝑘𝑙𝑖𝑚 ) en versnellingskracht (𝐹𝑎 ) te
overwinnen. De verschillende vermogens worden als volgt berekent:

𝑃𝑟𝑜𝑙 = 𝐹𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑣 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝐺 ∙ 𝑣 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣
 𝐶𝑟𝑜𝑙 : de rolcoëfficient []
 𝐺: het gewicht [𝑁]
 𝑚: massa fiets, fietser en bagage [𝑘𝑔]
2
 𝑔: valversnelling [𝑚 ⁄𝑠]
 𝑣: snelheid [𝑚⁄𝑠]

𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 𝐹𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ 𝑣 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ (𝑣 ± 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 )2 ∙ 𝑣
𝑘𝑔
 𝜌: soortelijke massa van lucht [ ⁄ 3 ]
𝑚
 S: frontaal oppervlak [𝑚2 ]
 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 : luchtweerstand coëfficiënt []
 𝑣: snelheid [𝑚⁄𝑠]
 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 : windsnelheid [𝑚⁄𝑠]

𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 = 𝐹𝑘𝑙𝑖𝑚 ∙ 𝑣 = sin(ℎ) ∙ 𝐺 ∙ 𝑣 = sin(ℎ) ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣
 ℎ: helling [𝑟𝑎𝑑]
 𝐺: het gewicht [𝑁]
56

𝑃𝑎 = 𝐹𝑎 ∙ 𝑣 = 𝑚 ∙ 𝑎 ∙ 𝑣
 𝑚: massa fiets, fietser en bagage [𝑘𝑔]
2
 𝑎: versnelling [𝑚 ⁄𝑠]
Volgende (gemiddelde) waarden worden genomen:








2
𝑔 = 9,81 𝑚 ⁄𝑠
𝑚 = 𝑚𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠 + 𝑚𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠𝑒𝑟 + 𝑚𝑏𝑎𝑔𝑎𝑔𝑒 , afhankelijk van gekozen fiets en fietser
𝑘𝑔
𝜌 = 1,24 ⁄ 3
𝑚
2
𝑆 = 0,575 𝑚
𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 1
ℎ = 0 𝑟𝑎𝑑, de helling wordt verwaarloosd als invloed en het klimvermogen dus ook.
2
𝑎 = 0 𝑚 ⁄𝑠, de versnelling wordt verwaarloosd. Het vermogen nodig voor de versnelling bij
het starten gaat slechts een minieme invloed uitoefenen op het gemiddelde vermogen van
het totale traject.
Er wordt vooropgesteld dat de gemiddelde pendelaar 30 minuten tot maximaal 60 minuten
voor één rit zal rijden. Gemiddeld genomen 45 minuten. Om aan de veilige kant te rekenen,
wordt 5 minuten speling genomen. Er wordt dus gerekend met 50 minuten per rit.
Voor de pedelec worden gemiddelde waarden gekozen uit de literatuur. Voor de speed pedelec
wordt de Stromer ST2 beschouwd.
Pedelec
Schatting waarden:


𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑎𝑙 ≈ 110 𝑘𝑔
𝐶𝑟𝑜𝑙 = 0,0060
Zonder tegenwind
𝑘𝑚
ℎ

𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 = 0

𝑣 = 25

Om 50 minuten te rijden naar het werk aan 25 km/h, heb je een actieradius van 20,83 km
nodig. Dit wordt in § 6.1 doorgerekend in het totaal verbruik. Dit komt dan overeen met de
gemiddelde afstand per pedelec in het laadstation. Zodat in realiteit wel verder kan gereden
worden, maar door slechts een deel van de pedelecs.
𝑘𝑚
ℎ
= 6,94
𝑚
𝑠
 𝑃𝑟𝑜𝑙 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣 = 0,0060 ∙ 110 ∙ 9,81 ∙ 6,94 = 44,9 𝑊
57
 𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ (𝑣 ± 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 )2 ∙ 𝑣 = 0,5 ∙ 1,24 ∙ 0,575 ∙ 1 ∙ (6,94)2 ∙
6,94 = 119,2 𝑊
 𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 = 0 𝑊
 𝑃𝑎 = 0 𝑊
 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 44,9 + 119,2 = 164,1 𝑊
De fietser levert een vermogen tussen 100 en 200 W. Aangezien een werknemer liefst niet zwaar
bezweet aankomt op het werk wordt slechts 100 W vermogen van de pendelaar verwacht.
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 164,1 − 100 = 64,1 𝑊
De actieradius wordt als volgt berekend:
𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒𝑟𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠 [𝑘𝑚] =
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ]
∙ 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 [𝑘𝑚/ℎ]
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 [𝑊]
De nodige capaciteit is dan:
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ] =
20,83 𝑘𝑚 ∙ 64,1 𝑊
= 53,4 𝑊ℎ
25 𝑘𝑚/ℎ
Met continu gemiddelde tegenwind
𝑘𝑚
ℎ
𝑘𝑚
22,5
=
ℎ
𝑚
,
𝑠
𝑚
6,25
𝑠

𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 = 18

𝑣=

Om 50 minuten te rijden naar het werk aan 22,5 km/h, heb je een actieradius van 18,75 km
nodig. Dit wordt in § 6.1 doorgerekend in het totaal verbruik. Dit komt dan overeen met de
gemiddelde afstand per pedelec in het laadstation. Zodat in realiteit wel verder kan gereden
worden, maar door slechts een deel van de pedelecs.
=5
gemiddelde windsnelheid België.
 𝑃𝑟𝑜𝑙 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣 = 0,0060 ∙ 110 ∙ 9,81 ∙ 6,25 = 40,5 𝑊
58
 𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ (𝑣 ± 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 )2 ∙ 𝑣 = 0,5 ∙ 1,24 ∙ 0,575 ∙ 1 ∙ (6,25 + 5)2 ∙
6,25 = 282 𝑊
 𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 = 0 𝑊
 𝑃𝑎 = 0 𝑊
 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 40,5 + 282 = 322,5 𝑊
Het geleverde vermogen door de fietser wordt opnieuw op 100 W geschat.
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 322,5 − 100 = 222,5 𝑊
De actieradius wordt als volgt berekend:
𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒𝑟𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠 [𝑘𝑚] =
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ]
∙ 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 [𝑘𝑚/ℎ]
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 [𝑊]
De nodige capaciteit is dan:
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ] =
18,75 𝑘𝑚 ∙ 222,5 𝑊
= 185,4 𝑊ℎ
22,5 𝑘𝑚/ℎ
De vooropgestelde hoeveelheid energie van 185,4 Wh/rit in is dus ruim voldoende vergeleken met
de methode uit § 5.2.1. Men kan er vanuit gaan dat met de deze methode ook een voldoende
capaciteit kan bepaald worden voor de speed pedelec.
De pedelec heeft vandaag de dag over het algemeen minimaal 300 Wh batterij capaciteit, wat meer
dan voldoende is om een dergelijke rit af te leggen. Men gaat er vanuit dat de pendelaar thuis zijn
batterij oplaadt voor de terug rit.
59
Speed pedelec (Stromer ST2)


𝑚 ≈ 110 𝑘𝑔
𝐶𝑟𝑜𝑙 = 0,0049
Zonder tegenwind
𝑘𝑚
ℎ

𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 = 0

𝑣 = 42

Om 50 minuten te rijden naar het werk aan 42 km/h, heb je een actieradius van 35 km nodig.
𝑘𝑚
ℎ
𝑚
= 11,67 𝑠 , de gemiddelde snelheid wordt op 42 km/h geschat.
 𝑃𝑟𝑜𝑙 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣 = 0,0049 ∙ 110 ∙ 9,81 ∙ 11,67 = 61,7 𝑊
 𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ (𝑣 ± 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 )2 ∙ 𝑣 = 0,5 ∙ 1,24 ∙ 0,575 ∙ 1 ∙ (11,67)2 ∙
11,67 = 566,6 𝑊
 𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 = 0 𝑊
 𝑃𝑎 = 0 𝑊
 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 61,7 + 566,6 = 628,3 𝑊
De fietser levert een vermogen van 100 W.
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 628,3 − 100 = 528,3 𝑊
De actieradius wordt als volgt berekend:
𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒𝑟𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠 [𝑘𝑚] =
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ]
∙ 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 [𝑘𝑚/ℎ]
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 [𝑊]
De nodige capaciteit is dan:
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ] =
60
35 𝑘𝑚 ∙ 528,3 𝑊
= 440,3 𝑊ℎ
42 𝑘𝑚/ℎ
Met continu gemiddelde tegenwind
𝑘𝑚
ℎ
𝑚
, gemiddelde windsnelheid België.
𝑠
𝑚
10,28 𝑠 , de snelheid wordt 5 km/h lager ingeschat

𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 = 18

𝑣 = 37

zonder tegenwind.
Om 50 minuten te rijden naar het werk aan 37 km/h, heb je een actieradius van 30,83 km
nodig.
𝑘𝑚
ℎ
=
=5
ten opzichte van de situatie
 𝑃𝑟𝑜𝑙 = 𝐶𝑟𝑜𝑙 ∙ 𝑚 ∙ 𝑔 ∙ 𝑣 = 0,0049 ∙ 110 ∙ 9,81 ∙ 10,28 = 54,4 𝑊
 𝑃𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 = 0,5 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝐶𝑙𝑢𝑐ℎ𝑡 ∙ (𝑣 ± 𝑣𝑤𝑖𝑛𝑑 )2 ∙ 𝑣 = 0,5 ∙ 1,24 ∙ 0,575 ∙ 1 ∙
(10,28 + 5)2 ∙ 10,28 = 855,7 𝑊
 𝑃𝑘𝑙𝑖𝑚 = 0 𝑊
 𝑃𝑎 = 0 𝑊
 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 54,4 + 855,7 = 910,1 𝑊
De fietser levert een vermogen van 100 W.
𝑃𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 910,1 − 100 = 810,1 𝑊
De actieradius wordt als volgt berekend:
𝑎𝑐𝑡𝑖𝑒𝑟𝑎𝑑𝑖𝑢𝑠 [𝑘𝑚] =
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ]
∙ 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 [𝑘𝑚/ℎ]
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 [𝑊]
De nodige capaciteit is dan:
𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑖𝑡 [𝑊ℎ] =
30,83 𝑘𝑚 ∙ 810,1 𝑊
= 675 𝑊ℎ
37 𝑘𝑚/ℎ
De hoge capaciteit van de Stromer ST2 is voldoende in dergelijke omstandigheden, de Bosch accu’s
zijn bijvoorbeeld maximaal 500 Wh wat te weinig is voor deze toepassing. Bij sterkere tegenwind zal
al snel de volledige accu (814 Wh) of meer nodig zijn om 30,83 km te kunnen afleggen. De
berekening zoals gemaakt bij de gewone pedelec in § 5.2.1 kan niet worden herhaald voor de speed
61
pedelec. Het gemiddeld verbruik per traject van de speed pedelecs stemt namelijk niet overeen met
dat van een gewone pedelec.
De speed pedelec is het meest interessant voor de iets grotere afstanden vanaf bv. 20 km (enkele
rit). In het laadstation worden daarom best speed pedelecs voorzien van het Stromer type met een
grote batterijcapaciteit van meer dan 675 Wh (bv 814 Wh bij Stromer ST2).
62
DEEL 2: Ontwerp van het laadstation
In deel 2 worden de verschillende hoofdtopics van het laadstation per onderwerp besproken. Zo
komt eerst de dimensionering van de elektrische componenten aan bod. Vervolgens de elektrische
beveiliging van het systeem. Omdat niet is overgegaan tot de effectieve uitbouw van de container,
wordt het mechanisch ontwerp slechts in grote lijnen besproken. De laatste twee hoofdstukken
bevatten het oplaadsysteem en de mogelijkheden voor een ontleensysteem.
6.
Dimensionering van de elektrische installatie
De batterij en de zonnepanelen zijn de twee voornaamste componenten die correct
gedimensioneerd moeten worden voor de opwekking en de opslag van de benodigde energie.
Andere componenten zoals de PV-invertor, de batterij-invertor en de beveiliging van het systeem
worden ook besproken. Het netsysteem werd beschreven in paragraaf 4.5. Een Excelfile is
opgebouwd om een correcte dimensionering te bepalen. Een bijkomend voordeel van de Excelfile is
de mogelijkheid parameters te wijzigen en snel hun effect op de dimensionering te kunnen bepalen.
Indien men de hieronder besproken dimensionering wil controleren of eventueel
aanpassen/uitbreiden, kan men de parameters wijzigen in de Excel-file. Vijf pedelecs en vijf speed
pedelecs doen dienst als verbruikers.
Figuur 28: Elektrisch schema van de componenten
63
Figuur 29: Excel-file voor dimensionering laadstation
6.1 Verbruik
Het aantal en het type fiets zijn de eerste parameters die ingesteld worden. Het autonoom
laadstation heeft als doel duurzaam transport te promoten. Dit gebeurt door gebruik te maken van
twee types fietsen: gewone pedelecs en de speedvariant. De benodigde energie dient als basis om de
batterijen, omvormers en panelen correct te kunnen dimensioneren.
Figuur 30: Elektrisch schema verbruik
64
In onderstaande tabel zijn enkele gegevens van de in deze dimensionering gebruikte fietsen terug te
vinden:
Tabel 5: Specificaties fietsen
Eenheid
Pedelec
Speed pedelec
Batterijcapaciteit [Wh]
400
814
Voorzien verbruik
[Wh/rit/fiets]8
Max. snelheid [km/h]
185,4
675
25
45
Max. laadvermogen [W]
144
250
Aantal
5
5
Het totaal aantal fietsen werd vastgelegd op 10 stuks, 5 van elk type. In § 5.2.2 werd de nodige
energie bepaald voor een rit van 50 minuten. Dit is opnieuw aangegeven in de tabel onder te
voorzien verbruik per rit per fiets. Voor de pedelec werd met gemiddelde waarden gerekend, voor de
speed pedelec werd een Stromer ST2 voorgesteld omwille van de kwaliteit (volledig geïntegreerde
batterij, lampen, etc.), grote accucapaciteit (814 Wh) en hoge snelheden (45 km/h) van het Zwitserse
merk. Indien men andere fietsen wil gebruiken kan men de parameters bij ‘Verbruik’ in de Excel-file
aanpassen en zo de invloed op de dimensionering verkrijgen.
De grootste uitdaging voor het laadstation is de overbrugging van de winter. De energieopbrengst
van de zonnepanelen is tijdens de winter immers het laagst. Omdat batterijen een zeer duur gegeven
zijn, is het best het verbruik af te stemmen op de productie. Dit wordt besproken in hoofdstuk 9.
Het totale verbruik per jaar berekenen we dan als volgt voor de gekozen fietsen:
Voorzien verbruik voor 5 normale pedelecs per dag:
𝐸𝑝𝑒𝑑,𝑡𝑜𝑡.𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟,𝑑𝑎𝑔 = 5 ∙ 185,4
8
𝑊ℎ
𝑊ℎ
= 927
𝑑𝑎𝑔
𝑑𝑎𝑔
De voorziene energie van het laadstation per fiets per rit bij gemiddelde tegenwind.
Pedelec: rit van 18,75 km aan 22,5 km/h. Speed pedelec: rit van 30,8 km aan 37 km/h. 100 W geleverd door de
fietser § 5.2.2.
65
Voorzien verbruik voor 5 speed pedelecs per dag:
𝐸𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑,𝑡𝑜𝑡.𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟,𝑑𝑎𝑔 = 5 ∙ 675
𝑊ℎ
𝑊ℎ
= 3375
𝑑𝑎𝑔
𝑑𝑎𝑔
Totaal voorzien verbruik per dag:
𝐸𝑡𝑜𝑡.𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟,𝑑𝑎𝑔 = 927 + 3375 = 4302
𝑊ℎ
𝑑𝑎𝑔
Om deze waarde om te rekenen naar een verbruik per jaar wordt de volgende redenering gevolgd:
5 werkdagen per week resulteert in 260 laaddagen per jaar. Dit in de veronderstelling dat er
gedurende het jaar geen onderbreking is van de bedrijfsvoering, m.a.w. verlofdagen, ziektedagen en
bouwverlof etc. niet meegerekend.
Het totaal te voorzien verbruik per jaar voor de fietsen wordt dan als volgt berekend:
4302
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟,𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠,𝑚𝑖𝑛 =
𝑊ℎ
∙ 260 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑘𝑊ℎ
𝑑𝑎𝑔
= 1118
1000
𝑗𝑎𝑎𝑟
De benodigde capaciteit voor 2 lampen van 35W (die 1 uur per dag licht geven, wanneer de
pendelaar zijn fiets stalt of ophaalt):
1𝑢𝑢𝑟 260 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑘𝑊ℎ
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟,𝑙𝑎𝑚𝑝 = 2 ∙ 35𝑊 ∙ (
)∙
= 18,2
𝑑𝑎𝑔
1000
𝑗𝑎𝑎𝑟
Het verbruik van de stuurkring en de Sunny Island moet ook ingerekend worden:
Eigenverbruik stuurkring (zie datasheets componenten en hoofdstuk 9):
𝑃𝑠𝑡𝑢𝑢𝑟𝑘𝑟𝑖𝑛𝑔 = 𝑃𝑃𝐿𝐶 + 𝑃𝑘𝑊ℎ 𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒𝑟𝑠 + 𝑃𝑟𝑒𝑙𝑎𝑖𝑠 = 12 𝑊 + 10 ∙ 0,4 𝑊 + 10 ∙ 0,216 𝑊 = 18,16 𝑊
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟,𝑠𝑡𝑢𝑢𝑟𝑘𝑟𝑖𝑛𝑔
66
𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑢𝑟𝑒𝑛 365 𝑗𝑎𝑎𝑟
𝑘𝑊ℎ
= 18,16 𝑊 ∙ 24
∙
= 159
𝑑𝑎𝑔
1000
𝑗𝑎𝑎𝑟
Het eigenverbruik van de Sunny Island (zie datasheet: 18 W eigenverbruik zonder last; ’s nachts (van
20u tot 5u) in standby 6,8 W):
𝐸𝑆𝑢𝑛𝑛𝑦 𝐼𝑠𝑙𝑎𝑛𝑑
𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑢𝑟𝑒𝑛 365 𝑗𝑎𝑎𝑟
𝑢𝑟𝑒𝑛 365 𝑗𝑎𝑎𝑟
= 18 𝑊 ∙ 15
∙
+ 6,8 𝑊 ∙ 9
∙
= 120,9 𝑘𝑊ℎ
𝑑𝑎𝑔
1000
𝑑𝑎𝑔
1000
Het totaal te voorzien verbruik van het laadstation:
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟 = 1118 + 18,2 + 159 + 120,9 = 1416,1 𝑘𝑊ℎ
Bovenstaande waarden is het verbruik voor een volledig jaar, dit omdat installaties op jaarverbruik
gedimensioneerd worden.
Een groter verbruik dan deze waarop is gedimensioneerd, is mogelijk tijdens de maanden met
stabielere productie van zonne-energie. Met andere woorden tijdens de maanden die minder dagen
autonomie nodig hebben. De concrete berekening van het mogelijke verbruik per maand wordt
behandeld in hoofdstuk 9.
De installatie levert zeer veel energie in de zomermaanden, dit kan toch deels benuttigd worden in
het laadstation door de fietsen meer energie te leveren. Het oplaadsysteem van het laadstation is zo
ontworpen dat de energie enkel geleverd wordt indien dit mogelijk is en dus met behoud van de
betrouwbaarheid van de energievoorziening in het laadstation.
67
6.2 Instraling
Om de benodigde energie voor het laadstation te kunnen voorzien wordt de instraling bestudeerd.
De instralingswaarden voor verschillende Europese locaties vindt men terug in [35].
Tabel 6: Instralingswaarden voor Gent [35]
Maand H ( 36°)
H ( 69°)
𝜃𝑂𝑝𝑡
[Wh/m2/dag] [Wh/m2/dag] [°]
Jan
1220
1360
66
H ( 𝜃𝑂𝑝𝑡 )
𝜏𝑑 ( 69°)
[Wh/m2/dag] [Zonnepiekuren/dag]
1370
1,36
Feb
1970
2060
58
2090
2,06
Mar
3540
3400
48
3590
3,40
Apr
5020
4380
35
5030
4,38
Mei
5080
4020
21
5190
4,02
Jun
5210
3950
14
5440
3,95
Jul
5150
3990
17
5330
3,99
Aug
4640
3870
30
4670
3,87
Sep
3980
3700
43
4000
3,70
Okt
2680
2740
55
2800
2,74
Nov
1420
1540
63
1550
1,54
Dec
1100
1270
69
1270
1,27
Jaar
3420
3030
36
3030
3,03
Voor Gent is de optimale hoek per maand (de hoek waarvoor de opbrengst het grootst is) bepaald. In
de maand december is deze hoek voor de zonnepanelen 69°, zie Tabel 6. De zonnepanelen zullen dus
in het ontwerp in deze hoek worden geplaatst. Dit om in de maand met de minste instraling,
december, zoveel mogelijk energie uit de zon halen. De totale instraling (Gd) per dag voor de maand
december is 1270
𝑊ℎ⁄
𝑚2
.
𝑑𝑎𝑔
In Tabel 6 staan naast de instralingswaarden en zonnepiekuren voor de maand december ook deze
voor de andere maanden. Het gemiddeld aantal zonnepiekuren voor een volledig jaar is 3,03 uur per
dag. Dit is meer dan dubbel zoveel dan in de maand december. Men kan eventueel extra verbruikers
inschakelen aan de hand van het ontleensysteem om de energie zo optimaal mogelijk te gebruiken.
Extra verbruikers kan men bijvoorbeeld inschakelen door stopcontacten te voorzien die enkel werken
bij een teveel aan energie. In hoofdstuk 9 wordt besproken hoe de grote hoeveel energie die over is
in de zomer deels kan benut worden aan de hand van een oplaadsysteem met PLC.
68
De instralingswaarde dient te worden omgerekend naar het concept van zonnepiekuren (τd)
aangezien deze het vaakst wordt gehanteerd in de PV-industrie -en literatuur. De grootte van τd is
gelijk aan de equivalente hoeveelheid energie van het aantal uren zonlicht op een dag die instralen
met een irradiantie gelijk aan 𝐺𝑠𝑡𝑐 [22] [7]. 𝐺𝑠𝑡𝑐 = 1000
𝜏𝑑 =
𝐺𝑑
𝐺𝑠𝑡𝑐
𝑊𝑝
𝑚2
.
𝑊ℎ⁄
𝑚2 ∙ 1000
𝑘𝑊ℎ⁄
𝑘𝑊𝑝
ℎ
𝑧𝑜𝑛𝑛𝑒𝑝𝑖𝑒𝑘𝑢𝑟𝑒𝑛
𝑑𝑎𝑔
𝑚𝑒𝑡
=[
]
]=[
]=[
𝑊𝑝
𝑑𝑎𝑔
𝑑𝑎𝑔
𝑑𝑎𝑔
2 ∙ 1000
[ 𝑚
]
1270
𝑧𝑜𝑛𝑛𝑒𝑝𝑖𝑒𝑘𝑢𝑟𝑒𝑛
𝜏𝑑 =
= 1,27
= 1,27 [
1000
𝑑𝑎𝑔
69
𝑘𝑊ℎ⁄
𝑘𝑊𝑝
]
𝑑𝑎𝑔
6.3 PV-paneel voor productie van elektriciteit
Figuur 31: Elektrisch schema PV-paneel
In § 4.2 werden de verschillende technologieën besproken. Daaruit blijkt dat monokristallijne,
polykristallijne en dunne film de meest commercieel gebruikte panelen zijn. Als eerste stap wordt het
totaal benodigde vermogen in Wattpiek berekend. Hieruit kan het benodigde aantal panelen worden
bepaald. In [22], [7] en [36] wordt het concept van energie-equivalentie beschreven voor de
dimensionering van de zonnepanelen:
𝑃𝑃𝑉 = 𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟 ∙
(1 + 𝑆𝐹)
365 ∙ 𝜂 ∙ 𝜏𝑑
SF is hier de Safety Factor, een zekere overdimensionering als veiligheidsmarge. Deze wordt in de
literatuur meestal op 5% genomen. 𝜂 is het rendement van de installatie. Dit is een combinatie van
verschillende factoren en wordt besproken in § 4.5.3. Het berekende rendement van het gehele ACkoppeling systeem is 77,07 %, zie § 4.5.3.
Het jaarverbruik 𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟 wordt omgerekend naar een verbruik per dag door het getal te delen door het
aantal dagen per jaar. Bij het dag verbruik wordt er dus met een zekere veiligheidsmarge gerekend
en gedeeld door het rendement van de installatie. Om van het verbruik per dag(kWh/dag) over te
gaan naar een bepaald piekvermogen moet er dus gedeeld worden door
het aantal zonnepiekuren τp per dag. Men berekent:
70
𝑃𝑃𝑉 =
(1 + 0,05)
1416,1 𝑘𝑊ℎ
∙
= 4163 𝑊𝑝
𝑧𝑜𝑛𝑛𝑒𝑝𝑖𝑒𝑘𝑢𝑟𝑒𝑛
𝑗𝑎𝑎𝑟
(365 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛 ∙ 0,7707 ∙ 1,27
)
𝑑𝑎𝑔
Dit is het totaal benodigde Wattpiek vermogen van de panelen. Afhankelijk van het type
zonnepanelen en welk model er wordt gekozen zal het benodigde aantal panelen sterk verschillen.
De verschillende soorten zonnepanelen werden in § 4.2.2 besproken. In de bijhorende Excel is het
tevens mogelijk zonnepanelen per model en fabrikant te selecteren.
Figuur 32: Standaard 40' zeecontainer
Een standaard 40’ zeecontainer heeft de volgende afmetingen:
Buitenmaat ca.:
𝑳𝒙𝑩𝒙𝑯 = 𝟏𝟐, 𝟐𝟎 𝒙 𝟐, 𝟒𝟒 𝒙 𝟐, 𝟓𝟗 𝒎
Oppervlakte dak:
𝐴 = 12,20 ∙ 2,44 = 29,77 𝑚2
Zonnepanelen: afmetingen, het mogelijk aantal panelen op de container en minimaal Wattpiek per
paneel:
a.
1,559 m x 1,046 m = 1,63 𝑚2 (SunPower)
→ 7 x 2 = 14 panelen
b.
= 297,4 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
𝑊𝑝
→
4163
21
2
= 198,2 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
4163
12
= 346,9 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
𝑊𝑝
1,956 m x 0,992 m = 1,94 𝑚 (Suntech)
→ 6 x 2 = 12 panelen
71
4163
14
2
1,559 m x 0,798 m = 1,24 𝑚 (SunPower)
→ 7 x 3 = 21 panelen
c.
→
→
𝑊𝑝
d.
1,640 m x 0,992 m = 1,63 𝑚2 (Suntech)
→ 7 x 2 = 14 panelen
→
4163
14
𝑊𝑝
= 297,4 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙
Catalogus SunPower (mono-kristallijn):
X-Serie: 335 en 345 Wp (oppervlakte a)
→ OK
E-Serie:
320 en 327 Wp (oppervlakte a)
→ OK
235 en 245 Wp (oppervlakte b)
→ OK
Catalogus suntech:
255 – 260 – 265 Wp, poly-kristallijn (oppervlakte d)
→ NIET OK
310 – 315 – 320 Wp, poly-kristallijn (oppervlakte c)
→ NIET OK
Lange lijst met panelen, mono-kristallijn (oppervlakte c en d)
→ NIET OK
Enkel mono-kristallijne panelen van SunPower kunnen geplaatst worden.
Keuze:
14 panelen van 320 Wp, Sunpower mono-kristallijn
Er wordt verder gerekend met de 14 mono-kristallijne 320 Wp panelen. En dus in totaal:
𝑃𝑝𝑣,𝑝𝑖𝑒𝑘,𝑡𝑜𝑡 = 14 ∙ 320 𝑊𝑝 = 4480 𝑊𝑝 > 4163 Wp
Dit Sunpower paneel bestaat uit 8x12 zonnecellen. Tussen elke 2 rijen van 12 zonnecellen zijn
bypassdiodes geplaatst. Deze zijn dus in de breedte van het paneel geplaatst. De zon werpt zijn
schaduw ook in deze richting bij zonsopgang en ondergang zodat de panelen zolang mogelijk zullen
werken met een beperkte invloed van de schaduw. Schaduw van andere objecten moet uiteraard
zoveel mogelijk beperkt worden (zie § 4.2.1).
De opbrengst van de gekozen panelen bedraagt 196,3 W/m2. Er zijn echter panelen op de markt die
tot 211 W/m2 produceren (mono-kristallijn). Hierdoor kan het benodigde oppervlak (indien gewenst)
verkleind worden. Hoe groter de opbrengst per vierkante meter, hoe duurder uiteraard.
72
6.4 Batterij voor opslag van zonne-energie
Figuur 33: Elektrisch schema batterij
In § 4.3 is reeds de batterijtechnologie besproken. In dit deel wordt bepaald aan welke eisen de
batterij moet voldoen. Enkele eerder besproken waarden zijn hierbij van belang, nl:
DOD= Depth of Discharge, hoe groter deze waarde, hoe dieper de batterij ontladen kan worden. Hoe
dieper de batterij ontladen kan worden, hoe kleiner de benodigde batterijcapaciteit zal zijn. De
Aquion batterijen beschikken volgens de datasheet over een DOD van 100%. [25]
Batterij-omvormers hebben een bepaalde minimale klemspanning nodig. Indien de batterij onder
deze klemspanning daalt, zal de batterij-omvormer zich uitschakelen. Dit heeft tot gevolg dat de
theoretische DOD soms niet volledig benut kan worden.
Naut = gewenste aantal dagen autonomie. Afhankelijk van de locatie wordt in de literatuur voor
offgrid toepassingen standaard 4 à 6 dagen genomen. Vaak is er in de praktijk een grotere waarde
nodig om de bedrijfszekerheid te garanderen. Dit is echter zeer kostelijk, aangezien de
batterijcapaciteit dan aanzienlijk moet worden vergroot. Een goedkoper alternatief is het opnemen
van een externe energiebron in het systeem (dieselgenerator, netkoppeling, etc). Het is echter geen
optie een netkoppeling te maken of een dieselgenerator te installeren wegens de beslissing het
73
project zo duurzaam en ecologisch mogelijk te ontwerpen. Er wordt bekeken in welke mate kan
voldaan worden aan het aantal dagen autonomie die nodig zijn.
In de literatuur wordt vermeld dat 15 dagen autonomie doorgaans voldoende is om met zekerheid
een stroompanne te vermijden. Volgens data van de NASA is oktober de meest kritische maand in
Gent met 10,5 dagen autonomie. [7] [22] [37]
Tabel 7: Aantal dagen autonomie in Gent per maand volgens [37]
Jan
Feb
Ma
Apr
Mei
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dec
5,10 4,05 4,68 4,81 6,47 4,02 4,96 3,85 4,33 10,5 5,45 9,30
Het aantal benodigde dagen autonomie om volledig autonoom te kunnen opereren wordt bepaald
op basis van de instralingsdata per plaats. De metingen van de NASA gaan terug tot juli 1983. In meer
zuidelijk gelegen gebieden zal dit aantal veel lager liggen, aangezien er een meer betrouwbare
stroom van zonne-energie voorhanden is.
Hoe wordt het begrip autonomie gedefinieerd? Op de website van de NASA vindt men meer uitleg:
“Systemen voor energieopslag moeten ontworpen worden om in ondermaatse omstandigheden
voldoende lang te kunnen functioneren. Het bepalen van de parameters voor de
energieberekeningen per regio van op het aardoppervlak is zeer moeilijk, aangezien de
weersomstandigheden en bewolking enorm variëren. De satelliet-observaties van de NASA bieden in
dit geval zeer accurate data om deze parameters te bepalen.
De fractie van de verwachte dagelijkse hoeveelheid energie die het systeem voor energieopslag moet
kunnen leveren op een ondermaatse dag wordt in de literatuur vaak een gelijkwaardige “NO-SUN” of
“BLACK day” genoemd.
De vereiste opslagcapaciteit van de batterijbank neemt toe naarmate het aantal ondermaatse
opeenvolgende dagen (of NO SUN days) stijgt.” [37]
74
Ebatt,nodig = gewenste capaciteit van de batterij.
Er werd beslist om bij het dimensioneren van de batterij rekening te houden met de verliesposten
tussen de batterijklemmen en de verbruiker. Het systeem is ontworpen voor 10,5 dagen zonder
zonne-energie het systeem van energie te voorzien. De energie gaat in deze worst-case
omstandigheden van uitsluitend van de batterij naar de last. De verliesposten zijn dus de
batterij-omvormer en het algemeen verlies (van kabels en dergelijk), besproken in § 4.5.3. Voor het
dimensioneren van de batterij wordt volgende formule gebruikt, [22] en [7]:
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑛𝑜𝑑𝑖𝑔,1 = 𝑁𝑎𝑢𝑡 ∙
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑛𝑜𝑑𝑖𝑔,1 = 10,5 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛 ∙
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟
(η𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ η𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 ∙ 𝐷𝑂𝐷 ∙ 365)
𝑘𝑊ℎ
1416,1 𝑗𝑎𝑎𝑟
𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
0,941 ∙ 0,97 ∙ 100% ∙ 365 𝑗𝑎𝑎𝑟
= 44,6 𝑘𝑊ℎ
Om rekening te houden met een noodsituatie, waarin de volledige batterij energie-inhoud
opgebruikt is na 10,5 dagen, wordt er nog een extra capaciteit bijgerekend. Deze extra capaciteit is
de energie nodig om de stuurkring en het eigenverbruik van de batterij omvormer in stand-by daarna
nog 10 dagen te voeden.
18,16 𝑊 ∙ 24
𝐸𝑛𝑜𝑜𝑑𝑠𝑖𝑡𝑢𝑎𝑡𝑖𝑒 =
𝑢𝑟𝑒𝑛
∙ 10 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛 + 6,8 𝑊 ∙ 24ℎ ∙ 10 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛
𝑑𝑎𝑔
= 6 𝑘𝑊ℎ
1000
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑛𝑜𝑑𝑖𝑔 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑛𝑜𝑑𝑖𝑔,1 + 𝐸𝑛𝑜𝑜𝑑𝑠𝑖𝑡𝑢𝑎𝑡𝑖𝑒 = 50,6 𝑘𝑊ℎ
Figuur 34: Datasheet Aquion S30 [25]
75
Figuur 35: Energie in functie van de stroom van de S20-008F Aquion batterij [38]
In Figuur 35 staat de capaciteit van de S20-008F in functie van de ontlaadstroom. In de datasheet van
de recentere S30-0080 batterij (zie Figuur 34) staat deze grafiek niet meer, waardoor moeilijk te
bepalen is hoeveel energie bij een bepaald vermogen beschikbaar is.
Dit vermogen wordt berekend op 5 speed pedelecs met een laadvermogen van maximaal 250 W en 5
pedelecs met een laadvermogen van 144 W. 9
Men berekent:
𝑃𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠𝑒𝑛 =
5 ∙ 144𝑊 + 5 ∙ 250𝑊
= 2157,7 𝑊
91,3%
Er wordt met een rendement van 91,3% gerekend, dit zijn de verliezen tussen de batterij en de last
bij AC-koppeling (zie § 4.5.3), nl. 𝜂𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 en 𝜂𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 . Deze verliezen zijn te wijten aan
kabelverliezen en een rendementsverlies van de batterij-omvormer.
Daarbij wordt een extra vermogen van 2*35 W + 18,16 W + 18 W geteld, voor de verlichting, het
eigenverbruik van de Sunny Island en de stuurkring van het laadstation.
𝑃𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟,𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠𝑒𝑛 + 106,16 𝑊 = 2263,9 𝑊
De maximale totale stroom onttrokken aan de batterij is dan:
9
Zie datasheets Bosch lader voor pedelec en Stromer ST2 lader, [62] en lader Stromer ST2 Labo Energie
76
𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑡𝑜𝑡,𝑚𝑎𝑥 =
𝑃𝑣𝑒𝑟𝑏𝑟,𝑡𝑜𝑡 2263,9 𝑊
=
= 47,1 𝐴
𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡
48 𝑉
Indien men 2,4 kWh schat per stack, zijn in totaal:
𝑁𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 =
50,6 𝑘𝑊ℎ
= 21,1 → 22 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠
2,4 𝑘𝑊ℎ
De maximale stroom onttrokken per stack wordt dan:
𝐼𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘,𝑚𝑎𝑥 =
𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑡𝑜𝑡,𝑚𝑎𝑥
47,1 𝐴
=
= 2,1 𝐴
𝑁𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠
22 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠
Uit Figuur 35 kan gecontroleerd worden dat bij 2,1 A de capaciteit ongeveer 2,4 kWh is. Er moeten
dus 22 batterijstacks geplaatst worden indien men het volledige jaar wil doorkomen.
De recentere S30 versie van Aquion heeft een grotere capaciteit en zijn spanningsbereik ligt van 40 V
tot 57,6 V. De ondergrens bij 40 V zorgt ervoor dat de meeste omvormers de volledige capaciteit van
de batterijen kunnen benutten. Oudere versies van de Aquion stacks hadden een ondergrens bij 30
V, waardoor een (klein) deel van de batterijcapaciteit niet benut kon worden. Het deel dat niet benut
kan worden is slechts enkele percenten van de nominale batterijcapaciteit, dit vindt men terug in de
datasheet van de S20 batterijstack.
Er worden dus 22 S30-0080 stacks gekozen. De grotere capaciteit van de S30 stacks is immers gering
en niet berekenbaar bij een bepaalde stroom.
De totale capaciteit van de batterijbank is dan:
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑡𝑜𝑡 = 22 ∙ 2,4 = 52,8 𝑘𝑊ℎ
Zonder de energie nodig voor de stuurkring in noodsituaties is de bruikbare energie voor het
laadstation:
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑙𝑎𝑎𝑑𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑡𝑜𝑡 − 𝐸𝑛𝑜𝑜𝑑𝑠𝑖𝑡𝑢𝑎𝑡𝑖𝑒 = 46,8 𝑘𝑊ℎ
Effectief aantal dagen autonomie:
η𝐷𝐶−𝐴𝐶,𝑒𝑢𝑟𝑜 ∙ η𝑣𝑒𝑟𝑙𝑖𝑒𝑧𝑒𝑛 ∙ 𝐷𝑂𝐷 ∙ 365
0,941 ∙ 0,97 ∙ 1 ∙ 365
= 46,8 ∙
𝐸𝑗𝑎𝑎𝑟
1416,1
= 11 𝑑𝑎𝑔𝑒𝑛 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑒
𝑁𝑎𝑢𝑡 = 𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑙𝑎𝑎𝑑𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ∙
77
Na 11 dagen autonomie is er nog energie over voor 10 dagen waarbij enkel de stuurkring en de
Sunny Island in stand-by gevoed worden. De andere verbruikers worden dan afgekoppeld. Dit wordt
uitgelegd in hoofdstuk 9 en in DEEL 3.
Besluit
Men kan besluiten dat het laadstation met dergelijke dimensionering een zeer groot batterijsysteem
vereist (22 batterijen). Voor dit probleem wordt in hoofdstuk 9 een oplossing gezocht.
78
6.5 PV-omvormer
Figuur 36: Elektrisch schema PV-omvormer
De meeste PV-omvormers zijn voor net-gekoppelde toepassingen ontworpen. Het laadstation bevat
naast de PV-omvormer ook een batterij-omvormer. Deze batterij-omvormer voorziet de netspanning
die normaal door het openbaar net geleverd wordt. In principe zouden net-gekoppelde PVomvormers geen problemen mogen ondervinden in offgrid toepassingen.
Net-gekoppelde omvormers moeten voldoen aan de wetten binnen een land. Voor alle landen geldt
dat een omvormer moet afschakelen indien de netspanning wegvalt. Dit om te voorkomen dat de
omvormer stroom zou terug leveren wanneer er aan het openbaar net hogerop wordt gewerkt.
In sommige omvormers zit nog een verouderde techniek die naast de spanning en frequentie ook de
net-impedantie meet. In offgrid toepassingen ligt de netimpedantie echter hoger waardoor de
omvormer niet wil starten. Recente omvormers maken gebruik van betere technieken waardoor het
ook niet meer verplicht is de net-impedantie te meten.
Figuur 37: Sunny Boy 2.5
79
Er wordt een omvormer uit de catalogus van SMA gekozen. De omvormers van SMA kunnen speciaal
voor offgrid toepassingen ingesteld worden. Bij andere fabrikanten wordt vaak gezegd dat het niet
mogelijk is de omvormer offgrid te gebruiken, terwijl dit echter niet altijd een probleem hoeft te
vormen. Toch wordt er een omvormer van SMA gekozen, omdat deze zeker zal werken.
De PV-omvormer moet het vermogen kunnen leveren die de fietsbatterijen vragen. Het maximaal te
leveren vermogen is 2263,9 W, zie §6.4. Uit de recentste catalogus van SMA heeft de Sunny Boy 2.5
een maximaal AC uitgangsvermogen van 2500 W.
Een tweede voorwaarde die moet voldaan zijn is het DC-ingangsvermogen. Dit is het vermogen van
de panelen. Deze voorwaarde wordt uitgedrukt met de vermogen ratio. De vermogen ratio drukt de
over-dimensionering van de omvormer uit. Deze ratio moet tussen de 80-120% liggen. In streken met
lagere instraling zoals in Noord-Europa, wordt eerder voor een onder-dimensionering
gekozen(<100%). Dit omdat kleinere omvormers een hoger rendement halen bij lage instraling.
Voor de Sunny Boy 2.5 is de vermogen-ratio:
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 =
𝑃𝐷𝐶,𝑖𝑛𝑣,𝑚𝑎𝑥
2650 𝑊
=
= 59,2 %
𝑃𝑃𝑉
4480 𝑊𝑝
Een vermogen-ratio van 59,2 % is te laag(<80 %). Daarom wordt de iets grotere Sunny Boy 3600 TL
gekozen:
𝑣𝑒𝑟𝑚𝑜𝑔𝑒𝑛 𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜 =
𝑃𝐷𝐶,𝑖𝑛𝑣,𝑚𝑎𝑥
3880 𝑊
=
= 86,6 %
𝑃𝑃𝑉
4160 𝑊𝑝
Een vermogen-ratio van 86,6 % is goed voor bijvoorbeeld België. In woestijnachtige streken zal men
eerder voor een over-dimensionering kiezen, omdat het geleverde vermogen vaak groter is dan de
opgegeven wattpiek (die bij een instraling van 1000W/m2 zijn opgemeten, zoals STC voorschrijft).
Een derde voorwaarde is dat de string-panelen de maximale spanning niet overschrijdt. Dit is de som
van de openklemspanningen van de panelen in serie (2 strings van 7 panelen):
𝑈𝑂𝐶 = 7 ∙ 64,8 V = 453,6 𝑉
De Sunny Boy 3600 TL kan een maximale spanning van 750 V aan.
Besluit:
De Sunny Boy 3600 TL is een goed gekozen omvormer voor het laadstation.
80
6.6 Batterij-omvormer
Figuur 38: Elektrisch schema batterij-omvormer
Naast de PV-omvormer is de batterij-omvormer, meer specifiek de “offgrid inverter”, een tweede
cruciaal onderdeel voor de werking van het laadstation. De batterij-omvormer onderhoudt immers
het net vanuit de batterij waar de zonnepanelen via de PV-omvormer op inkoppelen.
Batterij-omvormers zijn meestal toestellen met uitgebreide functies. Ze zijn niet enkel ontworpen
voor offgrid toepassingen. Ze kunnen voor diverse andere toepassingen gebruikt worden,
bijvoorbeeld als UPS-systeem, back-up voor het net, voor een groter eigen gebruik van de energie
van zonnepanelen, als batterijlader, etc.
De bestudeerde omvormers zijn de Xtender series van Studer en de Sunny Island series van SMA. De
Sunny Island is ontworpen voor een opstelling met batterijen en zonnepanelen. De Xtender heeft
meer diverse functies dan de Sunny Island en is eerder voor diverse industriële toepassingen, maar
kan zeker ook residentieel gebruikt worden.
Het toestel wordt gekozen op basis van zijn functiemogelijkheden, daarnaast ook op basis van de DCspanning en het opgegeven AC-vermogen die kan geleverd worden. De verschillende Sunny Islands
werken allemaal bij 48 V spanning aan DC zijde. De Sunny Island 3.0M heeft een nominaal vermogen
van 2300 W. Van de Studer serie heeft de XTM 4000-48 een nominale DC spanning van 48 V en een
nominaal schijnbaar vermogen van 3500 VA.
Een overzicht van beide omvormers:
Sunny Island 3.0M
Nominale batterij spanning [V] 48
DC spanningsbereik [V]
41 - 63
Nominaal vermogen [W of VA] 2300 W
Rendement, max. [%]
95,5
Europees rendement [%]*
94,1
*Zie § 4.5.3
81
Xtender XTM 4000-48
48
38 - 68
3500 VA
96
?
Merk hierbij op dat de XTM 4000-48 een grotere, duurdere omvormer is dan de Sunny Island 3.0M.
De Sunny Island is kleiner gedimensioneerd en sluit beter op de last aan dan de XTM die met zijn
3500 VA een stuk groter dan de nodige 2263,9 W. Daartegenover staat dat de kleinere Sunny Island
een iets lager maximaal rendement heeft. Het Europees rendement van de Xtender is echter niet
opgegeven. In de datasheet van de Sunny Island staat ook het maximale PV-omvormer vermogen
vermeld dat geconnecteerd mag zijn aan de Sunny Island. Voor de 3.0M is dit 4600 W, wat genoeg is
voor onze toepassing.
Het grootste nadeel van de Sunny Island serie is hun eerder klein spanningsbereik. De XTM 4000-48
heeft een groter spanningsbereik (38 – 68 V) en zal dus de batterij dieper kunnen ontladen zonder uit
te vallen. In realiteit is de kleinere capaciteit door het kleiner spanningsbereik te verwaarlozen, zie
Figuur 39. De XTM heeft net zoals de Sunny Island programmeerbare contacten. De XTM heeft echter
veel meer programmeerbare functies.
Figuur 39: SOC in functie van de spanning [38]
Uiteindelijk wordt voor het laadstation de Sunny Island versie gekozen. De combinatie van beide
batterij-omvormers en een PV-omvormer van SMA is getest in DEEL 3.
82
7.
Elektrische beveiliging
De beveiliging van een autonoom offgrid systeem is uiteraard noodzakelijk.
Het volgend schema ter verduidelijking:
Figuur 40: Elektrisch schema installatie
Op bovenstaand schema is te herkennen:
o
o
o
o

83
22 Aquion S30-0080 batterij stacks (zie datasheet, [25])
14 zonnepanelen: Sunpower 320 Wp mono-kristallijn (zie datasheet, [4])
Batterij-omvormer: Sunny Island 3.0M (zie datasheet, [24])
PV-omvormer: Sunny Boy 3600 TL (zie datasheet, [23])
Beveiligingen:
o Q1: DC automaat voor kabelbeveiliging tussen Batterijen en Sunny Island
o Q2: AC automaat voor kabelbeveiliging tussen Sunny Island en Sunny Boy


o Q3: AC automaat voor kabelbeveiliging tussen Sunny Island en verbruikers
o Een DC lastscheider zit geïntegreerd in de Sunny Boy
o Bij iedere batterij stack zit een geïntegreerde zekering
TN-S net: PE en N zijn verbonden aan AC zijde
Aan DC-zijde van de panelen is geen kabelbeveiliging nodig gezien de in serie geplaatste
panelen slechts een kortsluitstroom kunnen leveren van 8,76 A (zie datasheet, [39])
Personenbeveiliging
Gezien het een kleinschalig TN-S net betreft, schakelen de AC-automaten ook aardfouten uit. Aan DC
zijde is het volgens de IEC 60364 in Europa verplicht dat er bij alle PV-installaties een DC Ground Fault
Interrupter aanwezig is om de veiligheid van het systeem te garanderen. Deze zorgt voor de detectie
en de eliminatie van een aardfout, mocht deze zich voordoen. [40], [41]
De meeste inverters zijn voorzien van dergelijke beveiligingen, dit omdat de IEC 62109
aardfoutbeveiliging eist in alle nieuwe grid-tied inverters. Dit is ook aanwezig in de Sunny Boy, zie
datasheet. [23]
Zonnepanelen zijn toestellen met een beveiligingsklasse II, in principe moeten deze dus niet geaard
worden. In België is het echter verplicht het frame en de draagstructuur van de zonnepanelen te
aarden omdat deze toch onder spanning kunnen komen te staan door de capacitieve koppeling in de
panelen en de omvormer.
Een eerste aardfout aan een DC-geleider leidt niet meteen tot een fout. Pas bij een tweede aardfout
wordt het gevaarlijk, maar de omvormer zal reeds uitgeschakeld zijn dankzij de aanwezige
aardfoutdetectie.
Kabels
Een correcte dimensionering van de kabels is uiteraard tevens van groot belang. Een te kleine
dwarsdoorsnede kan - wanneer de stromen te groot zijn – voor ongewenste opwarming, schade van
de isolatie of zelfs brand zorgen. Om dergelijke ongevallen te voorkomen is het dus wenselijk een
voldoende grote sectie te kiezen, overeenstemmend met de aanbevelingen van het AREI.
84
Figuur 41: Toelaatbare stroomsterkte voor XVB kabels [42]
Kabels en beveiliging aan DC-zijde
De installatie bevat 22 Aquion-batterijen die elk maximaal 17 A kunnen leveren. Deze batterijen zijn
parallel geschakeld. Op de kabel van de batterijen naar de Sunny Island kan dus maximaal 374 A (22 x
17 A) stromen. Omdat de maximale stroom gevraagd door de gebruikers veel lager zal liggen
(2263,9 W/48 V = 47,2 A), wordt de beveiliging en de kabel hierop gedimensioneerd. Er is voor de
plus en de min klem een kabel nodig van 2𝑥4 𝑚𝑚2, zie Figuur 41. De beveiliging moet dan een DC
vermogenschakelaar zijn van 49 A met C-curve.
De kabelsectie voor de kabels tussen Sunny Boy en de zonnepanelen is uiteraard afhankelijk welk
type paneel er gebruikt wordt, en op welke manier de panelen worden geschakeld. Een
serieschakeling zorgt voor een hogere spanning, een parallelschakeling resulteert in een hogere
stroom.
In het laadstation zijn 2 strings van 7 panelen elk op een aparte MPP-tracker geschakeld. De panelen
hebben een piekvermogen van 320 W. De kortsluitstroom van een paneel bedraagt 6,24 A. Dit is ook
de maximale stroom die naar de omvormer kan vloeien per tracker.
85
Figuur 42: Toelaatbare stroomsterkte draden [42]
Er kan dus een kabeldoorsnede van 1,5 𝑚𝑚2 genomen worden voor de 4 kabels van en naar de 2
strings zonnepanelen.
Omdat zonnepanelen slechts een lage kortsluitstroom kunnen leveren zijn kabelbeveiligingen aan
DC-zijde niet nodig, zolang men geen meerdere strings aansluit op 1 MPP-tracker.
Kabels aan AC-zijde
De kabel tussen de verbruikers en de Sunny Island wordt gedimensioneerd op de stroom die door de
Sunny Island geleverd kan worden. De Sunny Island levert een nominaal vermogen van 2300 W en
dus een stroom van 10 A aan AC zijde.
Figuur 43: XVB kabels met meerdere geleiders [42]
86
Uit Figuur 43 kan men aflezen dat een 3 𝑥 1,5 𝑚𝑚2 voldoende is.
De kabel tussen de Sunny Island en Sunny Boy moet de maximale stroom geleverd door de Sunny
Boy aankunnen. De Sunny Boy heeft een nominaal vermogen van 3680 W.
𝐼𝑚𝑎𝑥 =
3680 𝑊
= 16 𝐴
230 𝑉
Voor deze kabel is dus ook een XVB 3 𝑥 1,5 𝑚𝑚2 voldoende.
Aangezien ons systeem een autonoom TN-net is, is het niet verplicht een differentieel te plaatsen. De
foutstromen zijn groot genoeg om de gewone beveiligingen te doen schakelen, aangezien de
foutimpedantie zeer laag is (enkel zeer korte kabels in de foutlus).
De Sunny Island is beveiligd tegen AC-kortsluitstromen en AC-overbelasting. Er worden wel twee
beveiligingen aan AC zijde geplaatst voor enerzijds de kabel naar de verbruikers te beveiligen,
anderzijds de kabel naar de zonnepanelen. Er wordt resp. voor een vermogenschakelaar van 10 A en
een vermogenschakelaar van 16 A gekozen langs AC-zijde. Beide met C-karakteristiek.
87
8.
Mechanisch ontwerp container
De oorspronkelijke opdracht bedraagt ook het mechanische ontwerp van het mobiele laadstation.
Een evidente keuze is, wegens de eis van mobiliteit, alle componenten onder te brengen in een
standaard zeecontainer. Deze is gemakkelijk transporteerbaar in havengebieden en beschikt over
een voldoende groot dakoppervlak om het benodigde aantal zonnepanelen te kunnen installeren.
Zeecontainers worden uitgevoerd in standaard maten. Er zijn 20 ft, 30 ft, 40 ft en 45 ft containers
beschikbaar op de markt. Er wordt gekozen voor een standaard (dry cargo) zeecontainer van 40 ft.
De precieze afmetingen zijn weergegeven in onderstaande tabel:
Tabel 8: Maten zeecontainers [43]
88

De afstand tussen twee fietsframes moet minimaal 65 cm bedragen in een fietsenstalling
zodat de sturen niet in elkaar haken. Bij losstaande beugels biedt een afstand van 80 cm tot 1
meter voldoende comfort, [44]. Voor het laadstation wordt een afstand van 85 cm gekozen.
Tussen de laatste fiets en de deur naar het batterijcompartiment wordt een extra afstand
van 1 meter ingerekend.
De totale lengte voor het fietscompartiment bedraagt dan:
𝐿𝑓𝑖𝑒𝑡𝑠𝑐𝑜𝑚𝑝. = 10 ∙ 0,85 + 1 = 9,5 𝑚
Het compartiment waarin de batterijen en omvormers gestald zijn heeft dan een lengte van:
𝐿𝑏𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑖𝑗𝑐𝑜𝑚𝑝. = 12 − 9,5 = 2,5 𝑚

Oppervlakte 1 S30-0080 stack: 𝐀𝑺𝟑𝟎 = 𝟑𝟑𝟎 𝐦𝐦 𝐱 𝟑𝟏𝟎 𝐦𝐦 = 𝟎, 𝟏𝟎𝟐𝟑 𝒎𝟐

Buitenmaat container:
𝑳𝒙𝑩𝒙𝑯 = 𝟏𝟐, 𝟐𝟎 𝐦 𝒙 𝟐, 𝟒𝟒 𝐦 𝒙 𝟐, 𝟓𝟗 𝒎
In de breedte van de container (2,35 m) kunnen, met telkens 30 mm tussen de batterijen onderling, 6
S30-0080 stacks staan met een breedte van 310 mm. Op Figuur 44 staat een schets van het geheel. In
het compartiment voor de apparatuur staan naast de batterijen ook de PV-omvormer en de iets
grotere batterij omvormer op het vooraanzicht getekend.
Figuur 44: Vooraanzicht en bovenaanzicht zeecontainer
89
Er komen dus 3 rijen van 6 S30-0080 stacks en een rij van 4 S30-0080 stack apart. In de lengte wordt
4 x (330 mm + 30 mm speling) = 1,44 meter bezet door de batterijen.
De stacks zijn 0,935 meter hoog. De container heeft een interne hoogte van 2,39 meter. De
omvormers hebben voldoende plaats om boven de batterijen gemonteerd te worden.
Om de optimale hellingshoek (maand december: 69°) voor de zonnepanelen te bereiken wordt het
benodigde dakoppervlak op deze helling geplaatst met behulp van een aluminium draagstructuur.
Een tweede belangrijk aspect is het veilig afschermen van de vitale componenten en de mogelijkheid
tot het praktisch ontlenen van de elektrische fietsen.
Deze twee gegevens zijn ook opgenomen in het ontwerp. Op het plan is te zien dat er een
compartiment met afscherming is voorzien voor de batterij en omvormers. Deze is afgeschermd met
een deur die enkel toegankelijk is voor technisch bevoegd personeel. Op deze manier wordt de
veiligheid van de gebruiker verhoogd.
Om de fietsen op een praktische manier te kunnen ontlenen wordt er in het ontwerp een poort
voorzien. Op deze manier kunnen de fietsen gemakkelijk in de container worden gestald.
Als eerste mogelijkheid werd er gekeken naar het installeren van een garagepoort. Deze bleek echter
zeer kostelijk te zijn. Winkelrolluiken zijn een stuk goedkoper en even veilig.
De offertes in bijlage C geven een idee van de kostprijs.
Een bijkomend probleem is de isolatie van de container. Lithium-ion batterijen moeten op een
bepaalde temperatuur worden gehouden om correct op te laden (zie Figuur 22 op pagina 35). De
fietsbatterijen zijn allemaal Li-Ion en mogen bijgevolg niet worden opgeladen bij een temperatuur
onder het vriespunt. Tijdens de wintermaanden kan de temperatuur in onze contreien onder het
vriespunt zakken, dus moeten er extra maatregelen worden genomen om de batterijen op de
correcte temperatuur te houden.
Een evidente keuze is de isolatie van de container en de installatie van een verwarmingselement.
Het isoleren van een volledige container is echter een zeer dure aangelegenheid. Daarbovenop is de
warmtevraag dan vrij groot. Dit vermogen zou volledig door de PV-installatie moeten worden
geleverd in de maanden met de laagste instraling. De probleem blijft binnen deze masterproef een
open vraag.
Kastverwarming lijkt dus cruciaal om het realistisch te houden. Er zijn verschillende oplossingen
mogelijk. Enerzijds kan men een systeem ontwerpen om de kastjes op biodiesel te verwarmen.
Anderzijds kan men het verbruik van de verwarming in de totale installatie van het ontwerp
incalculeren via de Excel-file. Vermoedelijk zal dit de installatie buitensporig groot maken en zal dit
zeer inefficiënt zijn gezien het slechts zeer zelden vriest in onze contreien.
90
9.
Oplaadsysteem
In dit ontwerp wordt de basis gelegd voor een ontleensysteem. Een ontleensysteem is noodzakelijk
om het geheel praktisch uit te baten. Er wordt gefocust op een oplaadsysteem. Binnen de
beschikbare tijd was het niet mogelijk om een alomvattend ontleensysteem te ontwerpen.
Uit voorgaande hoofdstukken kan men besluiten dat een dergelijke dimensionering een zeer groot
batterij systeem vereist. Om hiervoor een oplossing te bieden wordt de dimensionering verdiept aan
de hand van een oplaadsysteem. Dit oplaadsysteem vormt de elektrische installatie in essentie om
tot een smart grid. Het verbruik wordt immers afgesteld op de productie en beschikbaarheid van
energie. Daarnaast wordt er een aanzet gegeven voor mogelijk uitbreidingen op dit oplaadsysteem in
het volgende hoofdstuk.
Op Figuur 45 (pagina 92) staat het elektrisch schema van het verbruik. Dit volgt op het elektrisch
schema van Figuur 40 eerder besproken in hoofdstuk 7. Op dit schema kan men 3 verschillende
componenten herkennen per laadpunt, nl: een relais, een kWh-teller en een stopcontact.
De kWh-teller wordt geïmplementeerd om de controle te behouden over de energie die wordt
voorbehouden per stopcontact. Controle over de verbruikte energie is immers belangrijk in het
autonoom concept zoals eerder besproken. De kWh-teller stuurt pulsen naar een PLC die deze inleest
en eventueel het relais schakelt indien nodig. De stuurkring van de PLC herkent men in Figuur 46 op
pagina 93. Het eigenverbruik van de stuurkring wordt gevoed met een DC/DC omvormer vanuit de
batterij. Het elektrisch schema vindt men ook terug in bijlage A.
91
Figuur 45: Elektrisch schema verbruik
92
Figuur 46: Elektrisch schema stuurkring
93
9.1 De kWh-teller
Op Figuur 47 staat de gebruikte kWh-teller afgebeeld.
Figuur 47: kWh-teller [45]
De kWh-teller heeft 2 klemmen voor een puls-signaal. S0- en S0+, op S0+ wordt de positieve
spanning via de PLC aangesloten. In de kWh-teller zit een maakcontact die per Wh 1 puls van 24 V
doorgeeft aan de PLC. Per stopcontact en dus per fiets wordt een kWh-teller voorzien die de energie
opmeet en pulst naar de PLC.
9.2 Het relais
Figuur 48: Relais [46]
Het relais bevat een maakcontact dat sluit wanneer de waarde van kWh-tellers tussen 0 en de
maximale energie ligt. Het contact wordt geschakeld via de outputkaart van de PLC zoals getekend
op Figuur 46. Op Figuur 45, zie pagina 92, vindt men het maakcontact van het relais terug.
94
9.3 Voeding
Alle componenten in de stuurkring worden gevoed met een DC-DC omvormer die aangesloten is op
de Aquion batterijen, zie Figuur 40 en Figuur 46. De DC-DC omvormer van Tracopower kan een
spanning van 18 V tot 75 V van de Aquion batterij naar 24 V brengen voor de stuurkring. Dit
spanningsbereik is dus ruim voldoende voor het spanningsbereik van de Aquion batterijen (40 V –
60 V) te omvatten. Deze omvormer kan 2,5 A leveren, wat voldoende is voor de stuurkring
componenten te voeden, zie datasheets. Zoals eerder aangetoond is het maximaal vermogen van de
stuurkring 18,16 W. Dit komt overeen met 0,76 A.
Figuur 49: Voeding van de stuurkring, Tracopower DC/DC omvormer [47]
9.4 Stuurkring (PLC)
In bijlage B vindt men de volledige PLC programmatie terug. Op Figuur 46 is het elektrisch schema
van de stuurkring afgebeeld.
Via de inputkaart wordt de voeding naar de kWh-tellers gekoppeld. Deze spanning wordt omgezet in
een puls per Wh door een intern schakelcontact. Die puls wordt via de S0- klem gekoppeld aan de
ingangen van de PLC. Eén ingang is voorbehouden voor een maakcontact in de Sunny Island. De
Sunny Island wordt zo ingesteld dat deze een signaal geeft aan de PLC wanneer de batterijen de SOC
naderen waarbij er slechts energie meer is voor 10 dagen de stuurkring te voeden.
Berekening van de SOC waarbij de Sunny Island een signaal moet doorgeven:
𝑆𝑂𝐶 =
𝐸𝑛𝑜𝑜𝑑𝑠𝑖𝑡𝑢𝑎𝑡𝑖𝑒
6 𝑘𝑊ℎ
=
∙ 100% = 11,4 %
𝐸𝑏𝑎𝑡𝑡,𝑡𝑜𝑡
52,8 𝑘𝑊ℎ
Aan de hand van dit systeem wordt voorkomen dat de Sunny Island zichzelf uitschakelt door een te
lage spanning aan DC-zijde. Daarnaast wordt er voldoende energie behouden om de stuurkring 10
dagen te voeden, zodat het systeem binnen deze termijn terug kan opstarten.
95
Er worden 2 functies ingesteld in de Sunny Island om dit te realiseren. Enerzijds wordt het
maakcontact geactiveerd die aan de PLC aangeeft dat de verbruikers afgeschakeld moeten worden.
Anderzijds bevat de Sunny Island een beveiligingssysteem voor de batterijen. Dit beveiligingssysteem
bevat 3 verschillende SOC niveaus.
Het eerste niveau kan men zo instellen dat, indien de batterijen onder de ingestelde SOC ontladen
worden, de Sunny Island zichzelf in stand-by modus brengt tijdens de ingegeven tijdsperiode. Voor
dit ontwerp mag de Sunny Island altijd in stand-by tijdens de nacht. Men kan het eerste niveau
instellen op een SOC van 100% en de Sunny Island laten uitschakelen tussen 20u en 5u. Dit komt
overeen met een tijdsperiode waarin geen verbruikers gevoed moeten worden en wanneer de zon
niet schijnt om de batterijen op te laden.
Het tweede niveau stelt men in op de hierboven berekende SOC van 11,4 %. Bij dit niveau gaat de
Sunny Island in stand-by in dezelfde tijdsperiode (’s nachts). Buiten deze tijdsperiode blijft de Sunny
Island in stand-by, maar start om de 2 uur op om de batterij op te laden. Indien er geen energie
beschikbaar is, blijft de Sunny Island in stand-by modus.
Het derde en laatste niveau is het niveau waaronder de Sunny Island zichzelf uitschakelt. Deze moet
daarna terug manueel opgestart worden. Men stelt dit in dit concept in op 0 %. De Aquion batterijen
kunnen immers volledig ontladen worden.
De PLC is een CPU 1214C DC/DC/DC van Siemens, zie Figuur 50.
Figuur 50: PLC, CPU 1214C DC/DC/DC [48]
Het programma bestaat uit 10 tellers, 1 per fiets die de pulsen van de kWh-teller inleest. De waarde
waarop de PLC een signaal uitstuurt is vastgelegd per maand. Op sommige maanden kan meer
energie uitgestuurd worden dan de energie waarop is gedimensioneerd. Daarom is een Python
programma ontwikkeld om de energie per maand en per fiets te achterhalen.
9.5 Analyse van de dimensionering met Python programmatie
In hoofdstuk 6 is de algemene dimensionering van de elektrische installatie van het laadstation
besproken. De dimensionering is op die manier gemaakt dat de installatie de energie in worst case
omstandigheden kan leveren. Het verbruik van de fietsen kan verhoogd worden in de maanden die
niet worst case zijn. Hoeveel energie per fiets voorzien kan worden, wordt berekend in een analyse
bestand geschreven in Python.
96
Het Python bestand is op die manier geschreven dat deze de dimensionering analyseert. Dit wil
zeggen dat men aan de hand van de input (gewenste installatie) berekent hoeveel fietsen er kunnen
staan per maand en hoeveel energie deze bevatten. Indien men de installatie ingeeft, bekomen uit
de Excel-file, zal men altijd alle fietsen heel het jaar kunnen gebruiken. De Excel-file berekent immers
een installatie die het volledige jaar door werkt.
Met de Python-file kan men bekijken wat de invloed is als men het aantal batterijen of het aantal
zonnepanelen vermindert of vermeerdert. Zo zal een daling van het aantal batterijen er voor zorgen
dat er in de “slechte” maanden in eerste instantie minder energie wordt voorzien per fiets.
In tweede instantie worden één of meerdere fietsen buiten gebruik gesteld. Dit gebeurt pas als het
verbruik van de fietsen gedaald is tot de dimensioneringswaarde uit § 5.2.2. De energie per fiets
daalt niet verder dan de waarde uit § 5.2.2 omdat dit de energie is die voorzien moet worden voor
het comfort van de pendelaar.
De Python-file leest ten eerste per maand de nodige aantal dagen autonomie in, zie Tabel 7 op
pagina 74. De dimensionering gevolgd in hoofdstuk 6 hield rekening met de worst-case aantal nodige
dagen autonomie. Dit was voor de maand oktober met 10,5 nodige dagen autonomie. Dezelfde
berekening wordt hier per maand herhaald, maar met het specifiek aantal nodige dagen autonomie
als input en als output het totaal verbruik. Uit dit totaal verbruik wordt dan afgeleid hoeveel energie
men per fiets kan reserveren. Op deze manier wordt de energie per fiets bepaald die in een totaal
verbruik resulteert dat voldoende aantal dagen autonomie overhoudt voor de desbetreffende
maand. De energie voorzien per fiets zal dus voor alle maanden, op oktober na, vergroot worden.
Ten tweede neemt de Python-file het gemiddeld aantal zonnepiekuren per maand als input om zo de
maandopbrengst te bepalen. De voorbehouden energie per fiets per maand die door de voorgaande
redenering vergroot is, moet immers ook geleverd kunnen worden door de zonnepanelen. Dit wordt
gecontroleerd en indien nodig wordt de energie voorzien per fiets opnieuw verlaagd.
Er zijn verschillende versies van de Python-file, in alle gevallen wordt bij overschot aan energie deze
eerst aangevuld bij de speed pedelecs:
97

VerbruikPerMaandP.py
 Deze file geeft voorrang aan de pedelec. Indien er tekort aan energie is en er moeten
fietsen buiten gebruik worden gesteld, dan worden de speed pedelecs prioritair
buiten gebruik gesteld.

VerbruikPerMaandSP.py
 Deze file geeft voorrang aan de speed pedelec. Indien er tekort aan energie is en er
moeten fietsen buiten gebruik worden gesteld, dan worden de pedelecs prioritair
buiten gebruik gesteld.

VerbruikPerMaandAlleFietsen.py
 Deze file geeft de totale energie weer die kan verbruikt worden en een mogelijke
verdeling van de energie tussen de fietsen. Hierbij kan het zijn dat voor bepaalde
fietsen minder energie is voorzien dan de berekende waarde uit § 5.2.2. Men kan
hierbij inzicht krijgen in welke omstandigheden de fietsen eventueel toch zouden
kunnen rijden indien ze in de andere python files buiten gebruik werden gesteld.
9.5.1 Voorbeeldsituatie 1: 22 batterijen
De eerste situatie die wordt geanalyseerd is de dimensionering uit hoofdstuk 6. De inputgegevens
worden overgenomen uit de Excel-file. Men krijgt als output een grafiek en enkele waarden mee in
de opdrachtprompt, zie Figuur 51 en Figuur 52.
Figuur 51: Opdrachtprompt bij 22 batterijstacks
Figuur 52: Analyse dimensionering bij 22 batterijstacks
98
In Figuur 51 krijgt men eerst een overzicht van de gebruikte componenten. Daarnaast worden ook
enkele kenmerkende waarden meegegeven. Kenmerkende waarden:



Theoretisch opgebrachte energie van de zon:
Deze waarde geeft aan wat het de panelen gemiddeld moeten opbrengen per jaar. Deze
waarde is theoretisch en gaat er van uit dat alle zonne-energie ook effectief wordt omgezet.
In dit concept is dit echter niet zo door het ontbreken van een netkoppeling. Indien de
batterijen vol zijn en er geen verbruik nodig is, zal de mogelijke zonne-energie immers niet
opgewekt worden. De waarde kan gezien worden als een richtwaarde voor vergelijk tussen
verschillende dimensioneringen.
Theoretisch verbruikte energie per jaar:
Deze waarde geeft het verbruik per jaar aan. Hierbij is enkel rekening gehouden met het
verbruik van de fietsen op de dimensioneringswaarde. De maanden, waar de energie per
fietsbatterij hoger is ingesteld, hoeven immers niet per se volledig verbruikt te worden.
Vanuit die redenering werd er voor gekozen enkel het verbruik in te rekenen van de
dimensionering. Er is wel rekening gehouden met het aantal fietsen die geen energie krijgen.
Theoretisch verloren energie per jaar:
Trekt men van de theoretisch opgebrachte energie het verbruik af, dan krijgt men een idee
van de hoeveelheid energie die verloren gaat per jaar. Opnieuw is dit een richtwaarde zoals
aangegeven in bovenstaande verklaringen. Deze waarde kan vergeleken worden bij
verschillende dimensioneringen. Men kan bijvoorbeeld kijken hoeveel minder/meer energie
verloren gaat indien men minder/meer zonnepanelen plaatst en de invloed op de fietsen
zelf.
Op Figuur 52 ziet men de data geplot per maand. De dimensionering van de Excel-file is
overgenomen. Men ziet dat de Excel-file de dimensionering zo uitvoert dat er geen fietsen buiten
gebruik moeten worden gezet, zoals eerder aangehaald. Er zijn ook 2 minima en 2 maxima getekend
met een horizontale lijn. De 2 minima (pedelec en speed pedelec) stellen de minimale energie voor,
voorzien voor de fietsbatterijen. Het zijn de waarden berekent in § 5.2.2 en gebruikt als minimale
basis voor de fietsen. De 2 maxima zijn de energie-inhoud van de fietsbatterijen zelf, meer energie
kan er immers niet in.
9.5.2 Voorbeeldsituatie 2: 14 batterijen
Stel dat men wil overgaan tot aanschaf van de verschillende componenten in de container, maar men
heeft slechts budget voor 14 in plaats van 22 batterijstacks. Met de Python-file kan men kijken welke
invloed dit heeft op de dimensionering.
99
Figuur 53: Opdrachtprompt bij 14 batterijstacks, voorrang pedelec
Figuur 54: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, voorrang pedelec
Figuur 54 geeft aan dat indien men 8 batterijen minder installeert, men in mei 1 speed pedelec
buiten gebruik stelt, in oktober 3 speed pedelecs en in december 2 speed pedelecs. In de andere
maanden kunnen alle fietsen ontleend worden. De kostprijs van 1 batterijstack is $ 1195.0; zie [49].
Een besparing van $ 9560 ten opzichte van de standaard dimensionering uit hoofdstuk 6. Men kan
besluiten dat de Python-file ook interessant kan zijn om een financiële optimalisatie ten opzichte van
de standaard dimensionering te verkrijgen.
100
Bovenstaande figuren kunnen ook gegenereerd worden a.d.h.v. de Python-file met voorrang aan
speed pedelecs:
Figuur 55: Opdrachtprompt bij 14 batterijstacks, voorrang speed pedelec
Figuur 56: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, voorrang speed pedelec
101
10. Ontleensysteem
Bij een praktisch werkende container hoort ook een ontleensysteem. De gebruikers moeten immers
gemakkelijk een fiets kunnen reserveren via een website of applicatie. Dit is in deze masterproef niet
uitgewerkt. Een korte opsomming van de nodige componenten voor een ontleensysteem:




RFID-tags en decoder
Kastjes voor fietsbatterijen in op te bergen met slot dat geopend kan worden met RFID-tag
Applicatie voor een fiets te ontlenen
Raspberry Pi of andere microcontroller voor de communicatie tussen de applicatie en het
laadstation (PLC)
Naast de praktische redenen voor een ontleensysteem wordt ook nog een tweede reden bestudeerd.
Namelijk door input van de gebruiker op te vragen kan de energie die door de PLC begrensd wordt,
dynamisch gemaakt worden. Zo kan er via seriële communicatie input van de gebruiker
gecommuniceerd worden tussen de PLC en de Raspberry Pi.
Het grootste nadeel van het hiervoor besproken oplaadsysteem (zie hoofdstuk 9), is dat in de kritieke
maanden de pendelaars niet verder kunnen fietsen dan de actieradius van het gedimensioneerd
energieniveau. In realiteit zullen er pendelaars zijn die minder ver fietsen en andere die misschien
verder willen fietsen. Door de energievoorziening per fiets dynamisch te maken, aan de hand van het
ontleensysteem, kan dit probleem opgelost worden.
102
Dit wordt aangetoond op Figuur 57:
Figuur 57: Verbruik van pedelec en speed pedelec in functie van actieradius en gewicht
In § 5.2.2 werd aangetoond dat het gewicht en de actieradius van de gebruiker de parameters zijn
om de nodige energie-inhoud van de batterij te bepalen. Op Figuur 57 kan men de invloed van beide
parameters aflezen. Zo ziet men dat het gewicht slechts weinig invloed heeft op de uiteindelijke
energie-inhoud. Wat hier echter niet in rekening werd gebracht is dat hoe groter het gewicht van een
individu, hoe groter ook het frontaal oppervlak zal zijn. Het frontaal oppervlak zal een grotere invloed
uitoefenen op de energie-inhoud per fiets dan enkel het gewicht zelf. Men kan dit meer nauwkeurig
bepalen als men over data beschikt die het frontaal oppervlak in functie van het gewicht weergeeft.
Via het ontleensysteem moet dus zeker de woonplaats van de pendelaar worden opgevraagd om de
actieradius te bepalen. Naast de woonplaats kan eventueel ook het gewicht opgevraagd worden,
indien dit kan gecorreleerd worden aan een bepaald frontaal oppervlak. Vanuit deze gegevens kan
ingeschat worden welke pendelaar meer en welke minder energie nodig heeft.
Het ontleensysteem moet zo ontworpen zijn dat pendelaars slechts kunnen ontlenen indien
voldoende energie beschikbaar is in het systeem. Door pendelaars hun verbruik beter in te schatten
en niet de standaard gedimensioneerde waarde in te rekenen, zal het gevolg zijn dat een aantal
fietsen eventueel toch weer beschikbaar gesteld kunnen worden die in § 9.5.2 niet meer ontleend
konden worden. Het derde Python analyse bestand (VerbruikPerMaandAlleFietsen.py) visualiseert de
energie indien er geen fietsen buiten gebruik worden gesteld, zie Figuur 58.
103
Figuur 58: Analyse dimensionering bij 14 batterijstacks, zonder fietsen buiten gebruik
Men ziet in de laatste rij van de tabel in Figuur 58, de totale beschikbare energie voor een dag in een
welbepaalde maand. Om te kunnen inschatten hoe ver de fietsen kunnen rijden, is een willekeurige
verdeling van de energie gemaakt over de speed pedelecs en pedelecs. Zo kan men zien dat, in de
maanden waar volgens de andere Python bestanden fietsen buiten gebruik gesteld werden, de
energie per fiets lager ligt dan de gedimensioneerde waarde. Men kan a.d.h.v. Figuur 59 inschatten
hoe ver men met een dergelijke hoeveelheid energie kan rijden bij gemiddelde tegenwind.
104
Figuur 59: Energie in functie van actieradius bij gemiddelde tegenwind (5m/s)
Zo kan men aflezen dat in de maand oktober de pedelec over 85 Wh beschikt, zie Figuur 58. Op
Figuur 59 leest men af dat bij dergelijke hoeveelheid energie en gemiddelde tegenwind men 8,5 km
kan afleggen. Men kan deze grafiek generen voor gelijk welke windsnelheid aan de hand van
volgende Python file:
 CapaciteitVSactieradius.py
105
Genereert men deze zonder tegenwind (0 m/s):
Figuur 60: Energie in functie van actieradius zonder tegenwind
Op Figuur 60 kan men zien dat men zonder tegenwind met 85 Wh meer dan 30 km kan rijden. Een
laatste uitbreiding op het hiervoor besproken oplaadsysteem, is een systeem dat rekening houdt met
de windsnelheid. Dit kan geïntegreerd worden in het ontleensysteem.
Waarom dit precies nuttig is, wordt aangetoond aan de hand van volgende grafieken (Figuur 61 en
Figuur 62) voor de pedelec en de speed pedelec. Ook Figuur 59 en Figuur 60 gaven ons reeds dit
inzicht.
106
Figuur 61: Benodigde energie van de fietsbatterijen in functie van windsnelheid en actieradius (pedelec)
Men ziet op Figuur 61 en Figuur 62 dat windsnelheid een grote invloed heeft op het verbruik van de
elektrisch fietsen.
Figuur 62: Benodigde energie van de fietsbatterijen in functie van windsnelheid en actieradius (speed
pedelec)
107
DEEL 3: Labo opstelling
Het budget om het volledige laadstation in de praktijk te brengen was niet beschikbaar, daarom is
gekozen om met de aanwezige apparatuur in het labo een testopstelling te bouwen. De meeste
componenten waren reeds aanwezig in het labo. De werking van de opstelling is getest met volgende
apparatuur:









PV-omvormers:
o QS 1200 Sunmaster
o Sunny Boy 1.5
Batterij-omvormer:
o Sunny Island 6.0H
o Xtender XTM 2600-48
Zonnepanelen:
o Programmeerbare bron, EAPSI 8720
4 Aquion S20 batterijstacks
PLC S7 1214C DC/DC/DC, Siemens
3 kWh-tellers (zie § 0)
3 relais (zie § 9.2)
3 stopcontacten
1 voeding (zie § 9.3)
In eerste instantie is de QS 1200 Sunmaster PV-omvormer getest. Dit was de enige omvormer
aanwezig in het labo. Er werd bevonden dat deze al wat oudere omvormer niet offgrid werkt. Om
aan de ENS standaard in de norm C10/C11 te voldoen moeten alle PV-omvormers zich uitschakelen
indien zij geen openbaar net detecteren. Dit is een beveiliging zodat zonnepanelen geen energie
zouden leveren aan een net zonder spanning. Er zou een gevaarlijke situatie voor de reparateurs van
het net kunnen ontstaan indien dit niet het geval zou zijn. Oudere omvormers detecteerden dit aan
de hand van de netspanning, frequentie en een wijziging in de netimpedantie. Door de meting van
deze netimpedantie stelt de QS 1200 PV-omvormer echter dat een offgrid systeem een afgekoppeld
openbaar net is. Omwille van deze reden moest gezocht worden naar een offgrid PV-omvormer.
Eén van de weinige PV-omvormers (via AC-koppeling) waar in de handleiding een offgrid werking van
het systeem beschreven is, zijn de omvormers van SMA. De meeste nieuwe omvormers hebben
echter een detectie methode die in offgrid systemen met AC-koppeling kunnen werken. Om zeker te
zijn wordt aangeraden de fabrikant te contacteren of handleidingen te raadplegen. De Sunny Boy
(1.5) werd aangeschaft om de rest van de opstelling te kunnen testen.
De Xtender heeft moeite met de SOC van de Aquion batterijen nauwkeurig te bepalen. Vermoedelijk
werkt dit wel indien de Xtender de batterijen een paar keer kan op -en ontladen. Het probleem bij
een verkeerde SOC is, dat de batterij-omvormer bij het benaderen van 0% SOC, de PLC een signaal
moet geven. De Xtender schatte de SOC veel hoger in dan deze werkelijk was, waardoor 0% SOC niet
op tijd wordt gedetecteerd. Daarnaast schakelde de Xtender de Aquion batterijen te vroeg af terwijl
108
deze nog maar 40% opgeladen waren. De Sunny Island werkt wel met de Aquion batterijen en de
Sunny Boy. Aquion heeft uitgebreide documentatie over de werking van de batterijen met de Sunny
Island. [50]
De programmeerbare bron deed dienst als zonnepaneel. Met de hulp van Jannes Lambrecht kon
deze bron aangesloten worden op de labo opstelling en de gewenste instraling ingegeven worden.
Uit bovenstaande testen werd geconcludeerd dat SMA omvormers en de Aquion batterijen de beste
combinatie zijn. Ook de Sunny Island kan niet perfect de SOC bepalen. Om dit probleem te verhelpen
werd door Aquion een BMS (Battery Management System) ontworpen; [51] en [52]. Aquion raadt
aan dit te installeren bij de Sunny Island om de volledige energie-inhoud van de batterijen te kunnen
benutten.
De Sunny Island verhoogd zijn frequentie naarmate de batterijen hun volle capaciteit naderen. De
Sunny Boy die in offgrid modus ingesteld is, detecteert deze frequentie. De Sunny Boy beperkt het
vermogen gradueel naarmate de frequentie stijgt, zie Figuur 63. Op die manier kan de batterij
opgeladen worden zonder overladen te worden. In de Sunny Island worden de instellingen voor
Aquion batterijen ingegeven. Men kan deze terugvinden in de operations manual van de Aquion
batterijen, [53].
Figuur 63: Output in functie van frequentie van de Sunny Boy in offgrid modus
Ten slotte werd ook het oplaadsysteem, besproken in hoofdstuk 9, getest. Het PLC programma werd
op die manier gefinaliseerd. Zie bijlage B voor het PLC-programma.
109
Figuur 64: Sunny Boy in labo opstelling
Figuur 65: Aquion batterijen in labo opstelling
Figuur 66: Sunny Island in labo opstelling
110
Figuur 67: PLC, kWh tellers, relais en beveiligingen
111
Referenties
[1]
A. Budde, T. Daggers, D. A. Fuchs, D. T. Lewis, N. Manthey, H. Neupert, H. F. Neumann, A.
Roetynck, A. Törpsch en D. W. Vogt, Go pedelec handboek, Utrecht: Go Pedelec
Projectconsortium, 2012.
[2]
S. A. Kalogirou, Solar Energy Engineering: Processes and Systems, Elsevier, 2014.
[3]
SMA, „INSTALLATIE VAN A TOT Z VAN RESIDENTIËLE SYSTEMEN,” 2016.
[4]
Sunpower, „Datasheet E serie 320,” [Online]. Available:
http://nl.sunpowercorp.be/cs/Satellite?blobcol=urldata&blobheadername1=ContentType&blobheadername2=ContentDisposition&blobheadervalue1=application%2Fpdf&blobheadervalue2=inline%3B+filename%
3Dsp_E20_327_320_ds_BE_A4MC4_505813A_web.pdf&blobkey=id&blobtabl.
[5]
S. R. Wenham, M. A. Green, M. E. Watt en R. Corkish, Applied Photovoltaics, Second Edition,
London: Earthscan, 2007, pp. 5 - 7.
[6]
De groene bron, „De verschillende soorten zonnepanelen,” [Online]. Available:
http://degroenebron.nl/verschillen-zonnepanelen/.
[7]
A. McEvoy, T. Markvart en L. Castaner, Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals
and applications, 2011, pp. 79, 708 - 718.
[8]
I. Buchmann, "Battery University," 2016. [Online]. Available:
http://batteryuniversity.com/learn/article/sharing_battery_knowledge.
[9]
MIT Electric Vehicle Team, "A guide to understanding battery specifications," December 2008.
[Online]. Available: http://web.mit.edu/evt/summary_battery_specifications.pdf.
[10] J. Cappelle, „Residentiëleenergieopslag: State-of-the-art”.
[11] Texas Instruments, "Characteristics of Rechargeable Batteries," 2011. [Online]. Available:
http://www.ti.com/lit/an/snva533/snva533.pdf.
[12] Elektropaedia, „Battery life,” Woodbank Communications Ltd, 2005. [Online]. Available:
http://www.mpoweruk.com/life.htm#dod.
[13] D. Spiers, „Batteries in PV Systems,” in Practical Handbook of Photovoltaics, Elsevier, 2012,
pp. 722-776.
[14] THE EUROPEAN PARLIAMENT, „DIRECTIVE 2006/66/EC,” 2006.
112
[15] J. e. al., „A review on the state-of-the-art technologies of electric vehicle, its impact and
prospects,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, nr. 49, pp. 365-385, 2015.
[16] G. Albright, J. Edie en S. Al-Hallaj, „A Comparison of Lead Acid to Lithium-ion in Stationary
Storage Applications,” AllCell Technologies LLC, 2012.
[17] Electropaedia, „Electrochemical Energy,” 2005. [Online]. Available:
http://www.mpoweruk.com/chemical_energy.htm.
[18] I. Buchmann, „Types of lithium-ion,” [Online]. Available:
http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion.
[19] Reuters, [Online]. Available: http://www.reuters.com/article/pa-aquion-energyidUSnBw215093a+100+BSW20150421.
[20] Cradle to Cradle, „Certificering,” [Online]. Available: http://www.c2cplatform.be/node/20.
[21] M. H. Rashid, Power Electronics Handbook Third Edition, Elsevier, 2011, pp. 726 - 738.
[22] B. Herteleer, Berekenen en dimensioneren van autonome fotovoltaïsche installaties voor
kantoren in Afrika, 2011.
[23] SMA, „Datasheet Sunny Boy 3600 TL,” [Online]. Available:
http://files.sma.de/dl/15330/SB5000TL-21-DNL1551-V20web.pdf.
[24] SMA, „Datasheet Sunny Island 3.0M,” [Online]. Available:
http://files.sma.de/dl/17632/SI30M-44M-DNL1617-V20web.pdf.
[25] Aquion, „Datasheet S30-0080”.
[26] „Wegcode,” [Online]. Available: http://www.wegcode.be/actueel/1260voortbewegingstoestellen.
[27] „EN 15194,” [Online]. Available: https://www.nen.nl/NEN-Shop/Norm/NENEN151942009A12011-en.htm.
[28] Egear, januari 2016. [Online]. Available: http://www.egear.be/elektrische-fiets-wetgeving/.
[29] „Bromfietsen,” [Online]. Available:
http://www.belgium.be/nl/mobiliteit/Voertuigen/types/bromfietsen.
[30] Bike Europe, „EU regulations for: e-bike, pedelecs and speed pedelecs,” [Online]. Available:
http://www.raivereniging.nl/ecm/?id=workspace://SpacesStore/4ee4a9c0-3b5a-48f7-9346ce670f4a0e43.
[31] B. Rotthier, „Social benefits and legislative challenges of speed pedelecs,” 2016.
113
[32] D. V. DRIESSCHE, „Realistische voorspelling van de actieradius van een elektrische fiets,” KU
Leuven, 2015.
[33] T. Lewis, C. Edegger and E. Schriefl, "Pedelecs and Renewable Energy," p. 4, 09 juli 2011.
[34] ExtraEnergy, „Pedelec & E-Bike Magazine,” Maart 2016. [Online].
[35] T. Huld en E. D. Dunlop, „PVGIS,” European Commission, Joint Research Centre, [Online].
Available: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php.
[36] D. s. Niels, Dimensioneren van autonome fotovoltaïsche laadstations voor elektrische fietsen
in Europa, 2014.
[37] Atmospheric Science Data Center, "NASA Surface meteorology and Solar Energy," NASA,
[Online]. Available: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/grid.cgi?&num=184142&lat=51&submit=Submit&hgt=100&veg=17&sitelev=&email=
&p=grid_id&p=mnavail1&p=deficit1&p=no_sun1&step=2&lon=3.
[38] Aquion, „Datasheet S20-008F”.
[39] Suntech, "Datasheet Suntech STP255-265-20/Wem".
[40] Sinovoltaics, „Solar inverter certifications,” [Online]. Available:
http://sinovoltaics.com/learning-center/certifications/certifications-solar-inverters/.
[41] FRONIUS International GmbH, „IEC and European Inverter Standards,” [Online]. Available:
https://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/16_panhuber.pdf.
[42] Cebeo, „Installatiekabel,” [Online]. Available:
http://www.cebeo.be/sites/www.cebeo.be/files/4_Installatiekabel.pdf.
[43] Montana, „Container Specifications,” [Online]. Available:
http://www.montanalogix.com/containerspec.html.
[44] Fietsersbond, „Mobiel Vlaanderen,” [Online]. Available:
http://www.mobielvlaanderen.be/vademecums/brochure-fietsenstallingen.pdf.
[45] Schrack, „kWh-teller datasheet”.
[46] Phoenix Contact, „Datasheet relais”.
[47] Tracopower, „Datasheet DC/DC omvormer”.
[48] Siemens, „Datasheet PLC”.
114
[49] altE Store, „Aquion Energy Battery Prices,” [Online]. Available:
https://www.altestore.com/store/aquion-energy-m215/.
[50] Aquion, „Aquion Energy AHI Batteries with the SMA Sunny Island Inverter,” [Online].
Available:
http://cdn2.hubspot.net/hubfs/147472/01_Product_Documentation/Aquion_Energy_AHI_Ba
tteries_with_the_SMA_Sunny_Island_Inverter.pdf?t=1463606499926.
[51] Aquion, „Aquion Energy AHI Batteries with the SMA Sunny Island Inverter ,” [Online].
Available:
http://cdn2.hubspot.net/hubfs/147472/01_Product_Documentation/Aquion_Energy_AHI_Ba
tteries_with_the_SMA_Sunny_Island_Inverter.pdf?t=1463606499926.
[52] Aquion, „Power Electronics State of Charge Readings and Aquion Products,” [Online].
Available:
http://cdn2.hubspot.net/hubfs/147472/01_Product_Documentation/Power_Electronics_Stat
e_of_Charge_Readings_and_Aquion_Products.pdf?t=1463606499926.
[53] Aquion, „Operations Manual,” [Online].
[54] G. Albright, J. Edie and S. Al-Hallaj, "Altenergymag.com," AllCell Technologies LLC, 2012.
[Online]. Available: http://www.altenergymag.com/content.php?post_type=1884.
[55] N. Desmet, Dimensioneren van autonome fotovoltaïsche laadstations voor elektrische fietsen
in Europa, KULeuven, 2014.
[56] Y. Sun, S. Chen, L. Xie, R. Hong en H. Shen, „Investigating the Impact of Shading Effect on the
Characteristics of a Large-Scale Grid-Connected PV Power Plant in Northwest China,”
International Journal of Photoenergy, vol. 2014, 2014.
[57] J. N. Mayer, D. S. Philipps, N. S. Hussein, D. T. Schlegl en C. Senkpiel, „Current and Future Cost
of Photovoltaics,” Agora Energiewende, 2015.
[58] RESDAS, „Information on lead acid batteries,” Energy research Centre of the Netherlands,
2004. [Online]. Available: https://www.ecn.nl/resdas/infleadacid_s.aspx.
[59] Enera, „Comparing deep-cycle flooded batteries to VRLA batteries,” [Online]. Available:
http://www.enera.eu/en/products/batteries/comparing-deep-cycle-flooded-batteries-to-vrlabatteries/.
[60] SMA, „Meetwaarden en parameters Sunny Boy”.
[61] Stromer, „Datasheet ST2”.
115
[62] Bosch, „Manual Bosch Ebikes,” [Online]. Available: https://www.boschebike.com/fileadmin/EBC/downloads/Bedienungsanleitungen/Bedienungsanleitung_Perform
ance_Line_mit_Intuvia_2016_WEU.pdf?_=1461339602.
116
Bijlage A
Bijlage B
Bijlage C
FACULTEIT INDUSTRIELE INGENIEURSWETENSCHAPPEN
TECHNOLOGIECAMPUS GENT
Gebroeders De Smetstraat 1
9000 GENT, België
tel. + 32 92 65 86 10
[email protected]
www.iiw.kuleuven.be