Voorwoord
Voor u ligt mijn eindwerk secundair onderwijs. Het gaat over het verschil in
rendement tussen een zonnepaneel dat statisch wordt opgesteld en een
zonnepaneel dat dynamisch wordt opgesteld. Dit eindwerk werd geschreven
om mijn laatste jaar Industriële Wetenschappen af te werken. Het onderzoek
werd tijdens het schooljaar 2022-2023 uitgevoerd en beschreven.
Persoonlijk koos ik voor een onderwerp dat over energie gaat, gezien dit steeds
meer en meer wordt besproken in de politiek en economie. Het onderwerp
energie komt niet zo vaak voor in de studie ‘Industriële Wetenschappen’.
Daarom koos ik voor een eindwerk waar het rendement van zonnepanelen
verbetert. Door middel van een draaiende beweging wordt het zonnepaneel
altijd loodrecht naar de zon gericht, wat zorgt voor een hoger rendement.
Om de draaiende beweging elektrisch te maken leerde ik tijdens dit project
programmeren. Dit heeft mij een veel breder zicht gegeven op elektronica en
hoe dit werkt. Er werd ook gewerkt met tekenprogramma’s zoals Altium
designer en Solid Edge.
Ik zou hierbij mijn leerkrachten willen bedanken voor de ondersteuning die zij
hebben geboden bij dit onderzoek.
In het kader van mijn onderzoeksproject, kon ik rekenen op de professionele
ondersteuning van mijn begeleider, Benny Knockaert. Ook Niels Elslander wil ik
bedanken voor zijn continue steun en uitleg over het mechanische gedeelte
van mijn eindwerk. Hij was altijd bereikbaar om mijn vragen te beantwoorden.
Mijn ouders hebben een deel van dit project gefinancierd waardoor ik verder
kon werken met het ontwerp. Ook het VTI van Poperinge deed de kosten wat
dalen. Hiervoor ben ik hen zeer dankbaar.
Tot slot wil ik mijn familie bedanken omdat zij er altijd waren als het moeilijk
ging. Ze lieten me rustig verder werken wanneer dit het meest nodig was.
Toelating tot bruikleen
"De auteur geeft de toelating deze geïntegreerde proef voor
consultatie beschikbaar te stellen en delen van de geïntegreerde
proef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt
onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met
betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij
het aanhalen van resultaten uit deze geïntegreerde proef."
"The author gives permission to make this integrated project
available for consultation and to copy parts of this integrated project
for personal use. In the case of any other use,
the limitations of the copyright must be respected, about the
obligation to state expressly the source when quoting results from
this integrated project."
Bram Selosse, 06/10/2022, Poperinge
Inhoudsopgave
.............................................................................................................................................................. - 0 Voorwoord ........................................................................................................................................... - 0 Toelating tot bruikleen ......................................................................................................................... - 1 Inhoudsopgave ..................................................................................................................................... - 2 De zonnevolger .................................................................................................................................... - 7 Afkortingen en Symbolen ..................................................................................................................... - 8 Lijst met gebruikte afbeeldingen ......................................................................................................... - 9 Inleiding .............................................................................................................................................. - 13 1.
2.
3.
Doelstelling ................................................................................................................................. - 17 1.1.
Algemene doelstelling ........................................................................................................ - 17 -
1.2.
Elektrische doelstelling ...................................................................................................... - 17 -
1.3.
Elektronische doelstelling .................................................................................................. - 17 -
Het zonnepaneel ........................................................................................................................ - 17 2.1.
Werking van het zonnepaneel ........................................................................................... - 17 -
2.2.
Verschillende soorten zonnepanelen ................................................................................ - 18 -
2.2.1.
Polykristallijn .............................................................................................................. - 18 -
2.2.2.
Monokristallijn ........................................................................................................... - 18 -
2.2.3.
CIGS-paneel (dunne film) ........................................................................................... - 18 -
2.2.4.
Amorf (dunne film) ..................................................................................................... - 18 -
1.1.1.
Nog even een samenvatting: ..................................................................................... - 19 -
Mechanisch gedeelte van een draaiend systeem ...................................................................... - 21 3.1.
Berekening ......................................................................................................................... - 21 -
3.1.1.
Y – as........................................................................................................................... - 21 -
3.1.2.
X – as .......................................................................................................................... - 27 -
4.
Kostprijs ...................................................................................................................................... - 35 -
5.
Test opstelling ............................................................................................................................ - 37 5.1.
Solid Edge ........................................................................................................................... - 37 -
5.1.1.
Solid Edge ................................................................................................................... - 37 -
5.1.2.
Dynamische opstelling ............................................................................................... - 39 -
5.1.3.
Problemen met het ontwerp ..................................................................................... - 41 -
5.2.
De zonnepanelen ............................................................................................................... - 42 -
5.2.1.
De specificaties (elektrisch):....................................................................................... - 42 -
5.2.2.
De specificaties (algemeen): ...................................................................................... - 42 -
5.2.3.
Nog enkele opmerkingen over het zonnepaneel:...................................................... - 43 -
5.3.
Servomotoren .................................................................................................................... - 43 -
5.3.1.
5.4.
7.
8.
9.
Plaatsbepaling zonnepaneel .............................................................................................. - 44 -
5.4.1.
Kompas ....................................................................................................................... - 44 -
5.4.2.
GPS ............................................................................................................................. - 44 -
5.5.
6.
DS3225MG ................................................................................................................. - 43 -
Printplaat, software............................................................................................................ - 45 -
Belangrijke factoren van het zonnepaneel ................................................................................ - 47 6.1.
Aantal zonuren ................................................................................................................... - 47 -
6.2.
Temperatuur ...................................................................................................................... - 47 -
6.3.
Het type zonnepaneel ........................................................................................................ - 47 -
6.4.
Hellingshoek van het dak ................................................................................................... - 47 -
6.5.
Vermogen paneel in wattpiek ............................................................................................ - 48 -
6.6.
Zonnesterkte ...................................................................................................................... - 48 -
6.7.
Temperatuur coëfficiënt. ................................................................................................... - 48 -
Berekeningen Hoger rendement ............................................................................................... - 49 7.1.
Dynamische opstelling ....................................................................................................... - 50 -
7.2.
Statische opstelling ............................................................................................................ - 50 -
7.2.1.
Y – hoek (Elevation) .................................................................................................... - 51 -
7.2.2.
X – hoek, (Azimut) ...................................................................................................... - 52 -
7.2.3.
Totaalrendement statische opstelling ....................................................................... - 53 -
Berekeningen plaats zon ............................................................................................................ - 55 8.1.
Beweging van de zon.......................................................................................................... - 55 -
8.2.
Ideale zonnepaneel ............................................................................................................ - 57 -
Stuurprint ................................................................................................................................... - 59 9.1.
Programmeren ................................................................................................................... - 59 -
1.
Beweging van de servomotoren ........................................................................................ - 59 -
2.
Tabel uitlezen en veranderen naar waarden in functie van de tijd ................................... - 59 -
3.
De tijd uitmeten ................................................................................................................. - 59 -
4.
De stroom meten die het paneel maximaal kan leveren ................................................... - 59 -
5.
De spanning meten die het paneel maximaal kan generen .............................................. - 59 -
6.
Een waarde van het totale vermogen berekenen en opslaan ........................................... - 60 -
7.
De stroom/spanning piek van het paneel vinden .............................................................. - 60 -
9.2.
Extra uitleg over de schema’s ............................................................................................ - 61 -
9.2.1.
Extra uitleg ................................................................................................................. - 61 -
9.2.2.
IC2 servo aansturing ................................................................................................... - 65 -
9.2.3.
DCF77 ......................................................................................................................... - 65 -
9.2.4.
SD-kaart ...................................................................................................................... - 66 -
9.2.5.
Voeding ...................................................................................................................... - 67 -
9.2.6.
Load regulator ............................................................................................................ - 69 -
9.2.7.
Analoge interface ....................................................................................................... - 71 -
9.2.8.
Controller ................................................................................................................... - 74 -
9.2.9.
Keys ............................................................................................................................ - 76 -
9.2.10.
Beeper ........................................................................................................................ - 77 -
9.2.11.
Temperatuursensor LM75.......................................................................................... - 77 -
9.2.12.
Bidirectionele level shifter ......................................................................................... - 78 -
10.
Besluit ..................................................................................................................................... - 79 -
11.
Bijlagen Algemene Vakken ..................................................................................................... - 81 -
11.1.
Français .............................................................................................................................. - 81 -
11.2.
English ................................................................................................................................ - 83 -
12.
Problemen .............................................................................................................................. - 85 -
12.1.
Berekeningen ..................................................................................................................... - 85 -
12.1.1.
Kostprijs voor een draaiend systeem ......................................................................... - 85 -
12.1.2.
Berekeningen hoger rendement ................................................................................ - 85 -
12.1.3.
Berekeningen plaats zon ............................................................................................ - 85 -
12.2.
PowerPoint ......................................................................................................................... - 85 -
12.3.
Kostprijsberekeningen ....................................................................................................... - 85 -
12.4.
Programmeren ................................................................................................................... - 85 -
12.5.
Metingen ............................................................................................................................ - 86 -
13.
Bronnen: ................................................................................................................................. - 87 -
13.1.
Video’s ................................................................................................................................ - 87 -
13.2.
Uitleg zonnepanelen .......................................................................................................... - 87 -
13.3.
Berekeningen statische zonnepaneel ................................................................................ - 87 -
13.4.
Berekeningen waar staat de zon ........................................................................................ - 88 -
13.5.
Berekeningen draaiende zonnepaneel .............................................................................. - 88 -
13.6.
Hulpmiddelen ..................................................................................................................... - 89 -
14.
Schema’s................................................................................................................................. - 91 -
15.
Stuurprint ............................................................................................................................... - 95 -
15.1.
Bottom Layer ...................................................................................................................... - 97 -
15.2.
Top Layer ............................................................................................................................ - 98 -
16.
Arduino ................................................................................................................................... - 99 -
16.1.
Beweging van de servomotoren ........................................................................................ - 99 -
16.2.
Tabel uitlezen ...................................................................................................................- 100 -
16.3.
De tijd uitmeten ...............................................................................................................- 100 -
16.4.
De stroom meten .............................................................................................................- 101 -
16.5.
De spanning meten ..........................................................................................................- 101 -
16.6.
Totaal vermogen berekenen ............................................................................................- 101 -
16.7.
De stroom en spanningspiek van het paneel vinden .......................................................- 101 -
17.
Bijlage ...................................................................................................................................- 101 -
17.1.
Kostprijs Y - as ..................................................................................................................- 101 -
17.2.
Kostprijs X – as..................................................................................................................- 105 -
17.3.
Berekeningen waar de zon staat ......................................................................................- 105 -
De zonnevolger
I Introduction
Everyone needs energy. You need energy to go to your work, to put on the light when you can’t
sleep. We have searched for it our entire existence. We have found ways of creating energy, but they
are not always equally clean. In this bundle I will research how we could get more energy out of the
solar panel. A promising way of getting energy. The solar panel generates the most energy when the
sun shines directly on it. I will compare the amount of energy created when it is turned directly to the
sun compared to when it stands static.
II Research
In this bundle we begin with short research on the solar panel. A solar panel is a reasonably complex
device. By learning the basics about it we would get a better picture of how it works. I will also do
mathematical research about where the sun is situated in the sky. Depending on what day it is, the
hour and minute. The sun does not shine all day, this means that we do not work in an ideal
environment.
III Realisation
For the realisation there are 2 test setups. One for a non-directional solar panel, and one for a
directional panel. we then can compare the values of generated energy in one day. There will also be
a control panel that will measure all the values and store them.
Both the Solar panels are the same kind of panel this is so that there is no difference in energy made.
The controller is a more complex part. It’s a separate circuit board that is attached to all the different
components that we need. Such as the clock and the compass.
IV Conclusion
When I put all the values that the controller had saved in graphs and tables, I was able to see the
difference between the static solar panel and the rotating solar panel. So, I made the conclusion that
a rotating solar panel is way more efficient than a static panel.
Afkortingen en Symbolen
A = ampère
AC = Alternating Current
ASCCII = American Standard Code for Information Interchange
AGND = Analoge ground
CIGS = Copper Indium Gallium Selenide
cm = centimeter
DC = direct current
DGND = Digitale ground
Fig. = figuur
g = gram
GIP = geïntegreerde proef
GPS = global positioning system
Hz = hertz
I = stroom
I²C = I kwadraat C
IC = integrated circuit = geïntegreerde schakeling
Kg = kilo
M = het moment
m = massa
mA = milliampère
Nm = newton meter
P = vermogen in watt
PV = PhotoVoltaics
SCL = serial clock
sd kaart = Secure Digital kaart
SDA = serial datoa
UART = universal asynchronous receiver-transmitter
V = Voltage
W = watt
W/m2 = Watt per vierkante meter
Wp = wattpiek
msec = microseconde
𝐼 = het massatraagheidsmoment
𝑚 = meter
𝑚𝑚 = millimeter
𝛼 = de hoekversnelling
𝜔 = hoeksnelheid
Lijst met gebruikte afbeeldingen
Fig.1 Voorbeeld draaiende zonnepaneel.
Fig.2 Voorbeeld draaiende zonnepaneel.
Fig.3 Voorbeeld draaiende zonnepaneel.
Fig.4 Werking van het zonnepaneel.
Fig.5 Soorten panelen.
Fig.6 Voorbeeld monokristallijnen en polykristallijnen zonnepaneel.
Fig.7 Voorbeeld Dunne film paneel.
Fig.8 Voorbeeld Dunne film paneel.
Fig.9 Samenvatting verschillende soorten zonnepanelen.
Fig.10 Uitleg over moment kracht.
Fig.11 Massatraagheidsmomenten voor een blokvormig voorwerp.
Fig.12 Getekend beeld van het gebruikte zonnepaneel.
Fig.13 Opstelling om de wrijving van de y as te meten.
Fig.14 Opstelling om de wrijving van de y as te meten.
Fig.15 Eerste test om wrijving van de y as te meten.
Fig.16 Tweede test om wrijving van de y as te meten.
Fig.17 Massatraagheidsmoment van een balk rond zijn x as.
Fig.18 Extra tekeningen van het gebruikte ontwerp voor verduidelijking.
Fig.19 Extra tekeningen van het gebruikte ontwerp voor verduidelijking.
Fig.20 Verduidelijking over stelling van Steiner.
Fig.21 Extra tekeningen van het gebruikte ontwerp voor verduidelijking.
Fig.22 Opstelling om de wrijving van de x as te meten.
Fig.23 Opstelling om de wrijving van de x as te meten.
Fig.24 Eerste test om wrijving van de x as te meten.
Fig.25 Tweede test om wrijving van de x as te meten.
Fig.26 Derde test om wrijving van de x as te meten.
Fig.27 Tabel om gemiddelde kost per kilo centimeter te berekenen van een servomotor
Fig.28 statisch ontwerp foto 1
Fig.29 statisch ontwerp foto 2
Fig.30 statisch ontwerp foto 3
Fig.31 dynamisch ontwerp foto 1
Fig.32 dynamisch ontwerp foto 2
Fig.33 dynamisch ontwerp foto 3
Fig.34 gekochte zonnepaneel
Fig.35 gekochte servomotor voor de x as en Y as
Fig.36 gekochte kompas
Fig.37 gekochte GPS
Fig.38 tabel van Hespul
Fig.39 gemiddelde zonne-energie op het aardoppervlak
Fig.40 verduidelijking berekening rendement y hoek
Fig.41 functie over rendement y hoek
Fig.42 grafiek over positie y hoek
Fig.43 verduidelijking berekening rendement x hoek
Fig.44 functie over rendement x hoek
Fig.45 grafiek over positie x hoek
Fig.46 grafiek over rendement x en y hoek
Fig.47 grafiek over vermogen x en y hoek
Fig.48 website die eerst werd gebruikt
Fig.49 tabel van de waarden die uit website 2 werden gehaald
Fig.50 ruwe tekening over hoe het verschil in vermogen van beide panelen zou worden bepaald
Fig.51 Ground en stroomlijnen
Fig.52 Output configuratie van een IC
Fig.53 pull up en pull down weerstanden
Fig.54 een Low pass filter
Fig.55 de versterkende opamp
Fig.56 opamp als buffer
Fig.57 foto van een filter door 2 condensatoren
Fig.58 opamp die wordt gevoed
Fig.59 I²C SDA en SCL-signaal
Fig.60 schema van de servo aansturing
Fig.61 EXOR-poort uitgangen
Fig.61’ schema van DCF77
Fig.62 schema van de SD-kaart
Fig.63 de eigenschap van een doorslagdiode uitgebeeld
Fig.64 schema van de ideale diode
Fig.65 schema van een seriestabilisatie
Fig.66 schema van de voeding
Fig.67 schema waarmee de eigenschap van de opamp wordt verduidelijkt
Fig.68 schema van de Load regulator (1 zonnepaneel)
Fig.69 een verduidelijking over de referentie spanningen die worden gebruikt om te kalibreren
Fig.70 schema van de analoge naar digitale converter
Fig.71 schema van de spanningsdeler
Fig.72 een ESP32 controller
Fig.73 extra uitleg over de ESP32
Fig.74 schema ven de ESP32 samen met zijn aansturing
Fig.75 extra uitleg over de Smith trigger
Fig.76 schema van de keys
Fig.77 schema van de beeper
Fig.78 schema van de temperatuurcensor
Fig.79 schema van de Bidirectionele level shifter
Fig.80 Schema: LOAD regulator
Fig.81 Schema: POWER en IO
Fig.82 Schema: ANALOG
Fig.83 Schema: Controller
Fig.84 Stuurprint: all layers
Fig.85 Stuurprint: 3D
Fig.86 Stuurprint: Bottom Layer
Fig.87 Stuurprint: Top Layer
Fig.88 programma van de beweging van de servomotoren
Fig.89 programma om de tabel uit te lezen
Fig.90 programma om de tijd uit te meten
Fig.91 programma om de stroom te meten
Fig.92 programma om de spanning te meten
Fig.93 programma om het totaal vermogen te berekenen
Fig.94 programma om de stroom en de spanningspiek van het paneel te vinden
Fig.95 tabel om gemiddelde breedte van een zonnepaneel te berekenen
Fig.96 functie van de breedte van het zonnepaneel
Fig.97 uitleg over de bovenstaande functie
Fig.98 functie van de breedte van het zonnepaneel als het paneel minder dan 27,199kg weegt
Fig.99 functie van de breedte van het zonnepaneel als het paneel meer dan 27,199kg weegt
Fig.100 kostprijs voor de servomotor als men het gewicht van het paneel ingeeft
Fig.101 wiskundige berekeningen over de functie van de zon pagina 1 en 2
Fig.102 wiskundige berekeningen over de functie van de zon pagina 3, 4, 5 en 6
Fig.103 wiskundige berekeningen over de functie van de zon pagina 7, 8, 9 en 10
Fig.104 wiskundige berekeningen over de functie van de zon pagina 11, 12, 13 en 14
Fig.105 wiskundige berekeningen over de functie van de zon pagina 15 en 16
Inleiding
In dit eindwerk zal alles worden onderzocht over een draaiend
zonnepaneel. Er zal voornamelijk onderzocht worden hoeveel extra
winst er kan gemaakt worden met een draaibeweging. Er werd
gekozen om de draaibeweging volledig te berekenen, zodat het
dynamische zonnepaneel via deze berekeningen steeds weet waar de
zon staat. Deze berekeningen zullen uitgebreid onderzocht worden.
Op het internet kunt u al een aantal voorbeelden van zonnevolgers
terugvinden. Het principe wordt namelijk al gebruikt. Hieronder
worden enkele voorbeelden gegeven met links naar de websites
waar je deze kan terugvinden. We kunnen bij één van deze projecten
duidelijk zien dat zij dit deden met een sensor. Dit is een groot
verschil met mijn ontwerp.
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
•
Fig.2: https://phys.org/news/2011-01-solar-panels-track-sun-efficiency.html
•
Vertrouwbaarheid website fig.2:
https://en.wikipedia.org/wiki/Phys.org#:~:text=Phys.org%20is%20one%20of,Isle%20
of%20Man%2C%20United%20Kingdom.
•
Fig.3: https://www.instructables.com/Dual-Axis-300W-IOT-Solar-Tracker/
1. Doelstelling
1.1. Algemene doelstelling
Het algemeen doel van deze GIP is te weten komen hoeveel energie men extra uit een
zonnepaneel kan halen door deze op een draaiende installatie te zetten. Hiervoor worden
twee testopstellingen gemaakt waarmee je de totaal opgewekte energie kan vergelijken. Voor
de berekeningen worden er ideale parameters gebruikt.
1.2. Elektrische doelstelling
Het elektrische doel is het meten van de waarden en het bekabelen van de servomotoren
zodat het zonnepaneel gericht kan worden op de zon.
1.3. Elektronische doelstelling
De elektronische doelstelling bestaat erin het draaiende zonnepaneel te besturen met een
printplaat. Deze zal door middel van berekeningen steeds naar de zon gericht zijn. Door middel
van de printplaat zullen we dan de opgewekte energie kunnen vergelijken.
2. Het zonnepaneel
Zonnepanelen worden de dag van vandaag bijna overal gebruikt. U ziet ze op zeer veel
daken. Zonnepanelen zijn ook noodzakelijk voor ruimtevaart. Zonder zonnepanelen zou het
ISS-station weinig energie hebben. Er zijn nog talloze mogelijkheden voor zonnepanelen.
2.1. Werking van het zonnepaneel
Het zonnepaneel, ook PV-paneel genoemd, werkt vooral door de pv cellen (of zonnecellen).
De PV komt van fotovoltaïsch (in het Engels PhotoVoltaics). Dit is de omzetting van licht
naar elektriciteit door middel van halfgeleidermateriaal met een p-n overgang. Dit noemt
men ook een fotodiode. Wanneer het licht van de zon het zonnepaneel raakt, staat een
foton zijn energie af aan een elektron. Dit komt doordat het elektron negatief geladen is.
Doordat het elektron nu positieve energie bezit, begint dit vrij te bewegen en wordt het
aangetrokken door het elektrisch veld van de p-n overgang. Hier laten de elektronen
positief geladen materiaal achter waardoor de ene kant positiever wordt dan de andere
kant. Als men deze kanten met elkaar verbindt stroomt er elektriciteit.
Fig. 4
2.2. Verschillende soorten zonnepanelen
2.2.1. Polykristallijn
In polykristallijnen zonnepanelen zitten er meerdere kristallen (poly) in de zonnecellen.
De cellen vertonen hierdoor een soort schervenpatroon. Omdat deze scherven minder
goed op elkaar aansluiten ligt het rendement wat lager vergeleken met Monokristallijn.
Het rendement bedraagt 12 tot 16%. Polykristallijn is goedkoper vergeleken met
Monokristallijn en wordt vaak gebruikt voor grotere oppervlaktes.
2.2.2. Monokristallijn
Monokristallijn bestaat uit één kristal (mono). Hierdoor is hij egaal zwart en zijn de
elektroden geordend. Momenteel brengen Monokristallijnen zonnepanelen het meeste
rendement per vierkante meter. Dit bedraagt 16 tot 20%. Hierdoor kosten deze meer.
2.2.3. CIGS-paneel (dunne film)
Een dunne film zonnepaneel is een paneel dat niet uit silicium wordt gemaakt maar wel
uit een compositie van dunne metaallagen of dunne filmen. De dunne filmen vormen
een halfgeleider waardoor deze energie kan opwekken. Deze manier van werken heeft
natuurlijk ook nadelen. Momenteel ligt het rendement van deze CIGS-cellen (Copper,
Indium, Gallium, Selenide) nog iets lager vergeleken met een kristallijnen silicium paneel.
Het rendement bedraagt 13 tot 15%. Aan de andere kant zijn deze panelen dan weer
beter voor het milieu.
2.2.4. Amorf (dunne film)
Het amorfe paneel is een versie van de dunne film panelen. Amorf is vaak volledig zwart
en is één van de goedkoopst geprijsde panelen. Rendement van een amorf zonnepaneel
ligt vaak tussen 6 en 10%. Het verschil tussen het amorf en het CIGS-paneel is dat een
amorf zonnepaneel gemaakt wordt uit silicium poeder. Hierdoor kan het buigzaam zijn.
Amorfe panelen presteren vooral goed in diffuus of zwak licht.
Fig. 6
Fig. 5
Fig. 7
Dunne film
(Amorf of CIGS-paneel)
Fig. 8
Dunne film
(Amorf of CIGS-paneel)
1.1.1. Nog even een samenvatting:
Fig. 9
3. Mechanisch gedeelte van een draaiend systeem
Wanneer er een draaiend systeem wordt gemaakt is er een draaibeweging nodig, waarmee het
zonnepaneel op 1 graad precies kan draaien. Deze draaibeweging zal elektrisch worden aangestuurd.
Om de draaibeweging te bekomen zullen er hoogstwaarschijnlijk servomotoren gebruikt worden.
Hoe groter het zonnepaneel hoe groter het gewicht. Als er wordt gewerkt met een zeer groot
systeem zou het misschien kunnen dat het goedkoper is om bijvoorbeeld met een hydraulisch
draaisysteem te werken of met motoren.
Omdat het zonnepaneel niet snel moet draaien zou er door middel van tandwielen een zeer groot
koppel kunnen worden gemaakt. Een overbrenging waarbij de motor snel draait maar niet krachtig is
naar een zeer trage beweging met een zeer groot koppel. Maar omdat deze opstelling dan maar 1
toer per dag mag draaien zou je zeer veel tandwielen nodig hebben, waardoor de kost enorm
oploopt. Voor zeer grote systemen zou dit zeker voordelig zijn.
Als het gewicht van het zonnepaneel echter onder de 25 kg ligt is het makkelijker en goedkoper dit
met servomotoren te doen. Het is ook makkelijker aan te sturen en kleiner om mee te werken.
3.1. Berekening
De sterkte van een servomotor wordt uitgedrukt in Kg per centimeter of Kg per meter. In de
berekeningen wordt er echter gewerkt met Newton per meter. Op het internet kun je dit makkelijk
converteren. https://www.convertunits.com/from/kg-cm/to/N-m .
Omdat de hoekversnelling zeer klein is zal de wrijving een grote rol spelen in hoeveel koppel de
servomotor nodig heeft. Omdat de wrijving berekenen te moeilijk en te uitgebreid is voor dit
verslag, zal het praktisch bepaald worden. Er wordt gebruik gemaakt van een dynamometer
waarmee het wrijvingskoppel bepaald wordt. Hiervoor moeten de servomotoren loskoppeld
worden, zodat men met een touwtje en de dynamometer de wrijving kan meten. De wrijving zal
apart voor de x-as en de y-as bepaald worden.
3.1.1. Y – as
Wanneer het paneel een draaibeweging maakt met een afstand wordt er een moment
gevormd. Dus hoe groter de afstand van de servomotor tot het zonnepaneel hoe meer koppel
de servomotor moet geven.
Grote afstand
Afstand = 0
Fig. 10
= servomotor
Voor deze afstand van de servomotor tot het zonnepaneel zou men dus best 0 cm nemen. Hierdoor
is het koppel zo klein mogelijk. Ook wordt de motor in het midden van de kortste kant van het
zonnepaneel geplaatst. Ook de snelheid waarmee het zonnepaneel draait is bepalend voor de
hoeveelheid koppel. Hoe sneller de beweging hoe meer koppel je nodig hebt.
Om te berekenen hoeveel koppel de servomotor van de y-as nodig heeft moet je het
massatraagheidsmoment berekenen en de hoekversnelling.
𝑀 =𝛼⋅𝐼
Waar 𝐼 het massatraagheidsmoment is en 𝛼 de hoekversnelling.
De formules van 𝐼 voor een balk zijn
Fig. 11
De servomotor werd geplaatst in het midden van de korte kant. Hierdoor is er zo weinig mogelijk
afstand tot het uiteinde van het paneel. Voor ons geval geldt dus dat
𝐼=
𝑚 ∗ (𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 2 + 𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 )
12
Het zonnepaneel dat gebruikt wordt weegt 0,715kg. En heeft als afmeting 290x240x18mm.
Breedte
Zonnepaneel
dikte
Fig. 12
In dit geval zal 𝐼 dus gelijk zijn aan
𝐼=
0,715 ∗ (182 + 2402 )
12
𝐼 = 3451,3 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2
𝐼 = 0,0034513 𝑘𝑔 ∗ 𝑚2
De hoeksnelheid zal zeer klein zijn. In het ergste geval moet het paneel in 12 uur tijd 180 graden
draaien. Dus
2𝜋
180 ⋅ 360
𝜔=
𝑟𝑎𝑑/𝑠
12 ⋅ 60 ⋅ 60
𝜔 = 7,27 ∗ 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Om de hoekversnelling te berekenen gebruiken we de formule.
𝛼=
𝜔𝑡1 − 𝜔𝑡0
𝛥𝑡
𝛼=
7,27 ∗ 10−5 − 0
1
Dan is 𝛼 = 7,27 ∗ 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠 2
Dit geldt alleen als de snelheid waarmee het zonnepaneel moet draaien in 1 sec wordt bereikt. In
theorie zou deze snelheid oneindig snel moeten zijn. Maar dit kan niet. Eigenlijk moet deze snelheid
vooral groter zijn dan de snelheid waarmee de zon beweegt.
Alfa zal dus in principe variëren met de sterkte van de servomotor en de reactietijd.
Uiteindelijk is
𝑀 =𝛼∗I
𝑀 = 7,27 ∗ 10−5 ∗ 0,0034513 𝑁𝑚
𝑴 = 𝟎, 𝟐𝟓𝟏 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 𝑵𝒎
Als de breedte, dikte en het gewicht van het zonnepaneel variabelen zijn, dan zie je terug dat
𝑀 = 7,27 ∗ 10−5 ∗
𝑚 ∗ (𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 2 + 𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 )
∗ 10−6 𝑁𝑚
12
(Breedte en dikte in millimeter)
3.1.1.1. Wrijving Y-as
De proefopstelling om het wrijvende koppel van de Y-as te meten werd vervaardigd uit twee
draaipunten. Het eerste draaipunt werd exact nagemaakt zoals in mijn opstelling. Het tweede
draaipunt (waar de servomotor zit) ligt los op een plat oppervlak. Hierdoor is de wrijving daar
minimaal. Het rechter draaipunt vervangt dus eigenlijk de servomotor, wanneer het linker
draaipunt gelijk blijft aan de normale omstandigheden. Er wordt dan met de dynamometer (het
blauwe toestel op de foto’s) gemeten hoeveel kracht er nodig is om de opstelling te doen
draaien. Met deze kracht kan dan het koppel worden berekend. Want een koppel is een afstand
en een kracht
Fig. 13
Fig. 14
Fig. 15
Fig. 16
Er werd tweemaal een test uitgevoerd.
Omdat de opstelling het niet toeliet om 360 graden rond te draaien werd er ongeveer 120
graden gedraaid. Dit werd bij elke piek herhaald. Bij test 1 (of run 3) ziet u dus dat dit 10 maal
gedaan werd.
Door de metingen ondervinden we dat er ongeveer 0,3 Newton nodig is om de x-as in beweging
te brengen. Als het koppel dan berekend wordt, met de afstand waarop het meettoestel
bevestigd werd tegenover het draaipunt dan is
M wrijving Y-as = 120 x 0,3 = 36Nmm.
3.1.1.2. Totale berekening Y-as
Het totale koppel dat nodig zal zijn om het systeem te laten draaien is dus,
Mtotaal = Mwrijving + Mmassa = 36 x 10-3 + 0,251 x 10-6Nm
Mtotaal = 0,036000251Nm
Er kan dus aangenomen worden dat de wrijving een veel grotere factor is dan het koppel van
het massatraagheidsmoment. Dit komt omdat het systeem zeer traag draait. Door deze
berekeningen kan geconstateerd worden dat de motoren om een zonnepaneel draaibaar te
maken niet zoveel geld kosten.
3.1.2. X – as
De x-as zal steeds gebouwd worden met lagers of rollende elementen waarop het zonnepaneel kan
rusten. Dit betekent dat het gewicht niet zal rusten op de servomotor. De motor moet dus alleen de
wrijvingskracht en het massatraagheidsmoment overwinnen.
Er wordt terug 𝑀 = 𝛼 ⋅ 𝐼 gebruikt
De hoekversnelling is hier zeer traag: In de Noord- en Zuidpool zou de x-as 360 graden moeten
draaien in 1 dag. Als men maar 90 graden van de y-as servomotor gebruikt, zou de x-as op de
evenaar heel plots 180 graden moeten draaien. Dit komt omdat de zon hier helemaal over de
installatie draait. Als er 180 graden gebruikt wordt voor de y-as servomotor dan moet de x- as deze
plotse beweging niet doen. Hierdoor wordt de druk op de x-as servomotor een stuk kleiner.
Als de y-as 90 graden kan draaien dan moet de x-as in een korte tijd 180 graden draaien. Dus de y-as
moet 180° kunnen draaien om te zorgen dat de x-as minder belast wordt.
Op de Noord en Zuidpool draait de x-as het snelst en moet 360 graden draaien in 24 uur. Dit is terug
dezelfde snelheid zoals de Y-as. (180 graden in 12 uur).
Hierdoor zijn de berekeningen van de hoekversnelling voor de x-as exact hetzelfde als voor de y-as.
De hoeksnelheid zal zeer klein zijn. In het ergste geval moet het paneel ongeveer in 12 uur 180 graden
draaien. Dus
2𝜋
180 ⋅ 360
𝜔=
𝑟𝑎𝑑/𝑠
12 ⋅ 60 ⋅ 60
𝜔 = 7,27 ∗ 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Om de hoekversnelling te berekenen gebruiken we de formule.
𝛼=
𝜔𝑡1 − 𝜔𝑡0
𝛥𝑡
𝛼=
7,27 ∗ 10−5 − 0
1
Dan is 𝛼 = 7,27 ∗ 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠 2
Dit geldt alleen als de snelheid waarmee het zonnepaneel moet draaien in 1 sec wordt bereikt. In
theorie zou deze snelheid oneindig snel moeten zijn. Maar dit kan niet. Eigenlijk moet deze snelheid
vooral groter zijn dan de snelheid waarmee de zon beweegt.
De hoekversnelling is dus terug 7,27 ∗ 10−5 𝑟𝑎𝑑/𝑠 2
Om het massatraagheidsmoment te berekenen wordt dit voor de x-as een klein beetje
ingewikkelder. We hebben de massa nodig, de breedte en de dikte van alle aparte delen waaruit het
draaisysteem is gemaakt. Voor deze aparte delen moeten we dan onafhankelijk van elkaar het
massatraagheidsmoment berekenen.
𝑚 ∗ (𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 2 + 𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 )
𝐼=
12
Fig. 17
Dit zijn 3 deeltjes, het zonnepaneel, de draaiplaat (waar alles op staat) en de 2 zijstukken.
𝐼𝑡𝑜𝑡 = 𝐼𝐷𝑅 + 2𝐼𝑧𝑘 + 𝐼𝑧𝑃
3.1.2.1. Massatraagheidsmoment zonnepaneel
De dikte (B) verandert naar mate het zonnepaneel draait. Als de zon juist opkomt zal zijn dikte
veel kleiner zijn dan wanneer het middag is. Want in de ochtend staat het paneel verticaal en in
de middag staat hij horizontaal. Dit is omdat het paneel ten opzichte van de servomotor
horizontaal of verticaal kan staan. Omdat de servomotor zeker sterk genoeg moet zijn, neem je
het grootste mogelijke moment. Dit is wanneer het paneel horizontaal ligt ten opzichte van zijn
draaipunt.
De massa van het zonnepaneel is 0,715kg plus de massa van de houten constructie 0,14146kg,
samen 0,85646kg
De dikte is dus de breedte van het zonnepaneel. Dit is 240mm
De breedte is hier de breedte van het zonnepaneel plus de constructie:
Dit is dus 290 + 10 + 4 = 304mm
breedte
lengte
Fig. 18
𝐼=
𝑚 ∗ (𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 + 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 2 )
12
𝐼𝑧𝑃 =
(0,715 + 0,1446) ∗ (2402 + 3042 )
= 10746,14 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2
12
3.1.2.2. Massatraagheidsmoment draaiplaat
Fig. 19
breedte
lengte
Hier wordt er rekening gehouden met de totale massa van de draaiplaat. Dus ook met de
kogellagers en het plastieken verbindingsstuk. In theorie zou het massatraagheidsmoment
van die kogellagers ook apart berekend moeten worden. Maar omdat dit een kleinere
afstand is zal het gewicht hiervan bij de draaiplaat worden genomen.
𝐼=
𝑚 ∗ (𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 + 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 2 )
12
𝐼𝐷𝑅 =
(0,10941 + 0,10012 + 0,0025) ∗ (3422 + 1002 )
= 2243,35 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2
12
3.1.2.3. Massatraagheidsmoment 2 zijstukken
Om dit massatraagheidsmoment te berekenen moet er rekening gehouden worden met de
stelling van Steiner.
𝐼 = 𝐼𝑧𝑤 + 𝑚 ∗ 𝑑 2
𝐼𝑧𝑤 is het massatraagheidsmoment van het lichaam. Dit is wat er
steeds berekend wordt. (Massatraagheidsmoment rond het
zwaartepunt)
𝑑 is de afstand van het draaipunt tot de afstand van de as door het
zwaartepunt naar de andere bekeken as
Eerst wordt het gewone massatraagheidsmoment berekend.
Fig. 20
Omdat de vorm van het zijstuk te complex
is wordt deze vorm vereenvoudigd in een
rechthoek. Dan kun je terug de eenvoudige
formule gebruiken zonder het ontwerp veel
te veranderen.
𝐼=
𝑚 ∗ (𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 + 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 2 )
12
Fig. 21
breedte
𝐼=
lengte
(0,02) ∗ (652 + 52 )
= 7,0833 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2
12
Als je dan hiermee de formule van Steiner gebruikt dan is
d
𝐼 = 𝐼𝑧𝑤 + 𝑚 ∗ 𝑑 2
𝐼𝑧𝑠 = 7,0833 + 0,02 ∗ 1592 = 512,7 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2
3.1.2.4. Totaal massatraagheidsmoment van de X-as
Als al deze massatraagheidsmomenten samengeteld worden dan komt men aan
𝐼𝑡𝑜𝑡 = 𝐼𝐷𝑅 + 2𝐼𝑧𝑠 + 𝐼𝑧𝑃
𝐼𝑡𝑜𝑡 = 2243,35 + (512,7 ∗ 2) + 10746,14 = 14014 𝑘𝑔 ∗ 𝑚𝑚2 = 0,014014 𝑘𝑔 ∗ 𝑚2
Om het moment van de Y-as te berekenen gebruikt men terug de formule
𝑀=𝛼⋅𝐼
𝑀 = 7,27 ∗ 10−5 ⋅ 0,014014
𝑴 = 𝟏, 𝟎𝟏𝟖𝟖𝟖 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 𝑵𝒎
Als de breedte, dikte en het gewicht van het zonnepaneel variabele zijn, dan zie je dat
𝑀
= 7,27 ∗ 10−5
(𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑧𝑜𝑛𝑛𝑒𝑝𝑎𝑛𝑒𝑒𝑙 + 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ℎ𝑜𝑢𝑡) ∗ ((𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒)2 + (𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 + 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑡𝑒𝑣𝑒𝑔𝑖𝑛𝑔)2 )
∗
12
∗ 10−6
(𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑟𝑎𝑎𝑖𝑝𝑙𝑎𝑎𝑡 + 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑘𝑜𝑔𝑒𝑙𝑙𝑎𝑔𝑒𝑟𝑠) ∗ ((𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 𝑑𝑟𝑎𝑎𝑖𝑠𝑡𝑢𝑘)2 + (𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 𝑑𝑟𝑎𝑎𝑖𝑠𝑡𝑢𝑘)2 )
∗
12
∗ 10−6
(𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑡𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛𝑠𝑡𝑢𝑘) ∗ ((𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 𝑡𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛𝑠𝑡𝑢𝑘)2 + (𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 𝑡𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛𝑠𝑡𝑢𝑘)2 )
∗(
12
+ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑡𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛𝑠𝑡𝑢𝑘 ∗ ℎ𝑒𝑙𝑓𝑡 𝑣𝑎𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 𝑣𝑎𝑛 ℎ𝑒𝑡 𝑑𝑟𝑎𝑎𝑖𝑠𝑡𝑢𝑘) ∗ 2 ∗ 10−6 𝑁𝑚
3.1.2.5. Wrijving X-as
De proefopstelling om het wrijvende koppel van de x-as te meten werd vervaardigd uit een
onderplaat waar 5 boutjes in zitten. 4 boutjes voor stabilisering en 1 bout om het draaipunt te
maken. De middelste bout vervangt dus eigenlijk de servomotor. Er wordt dan met de
dynamometer (het blauwe voorwerp op de foto’s) gemeten hoeveel kracht er nodig is om de
opstelling te doen draaien. Met deze kracht kunnen we dan het koppel berekenen. Want een
koppel is een afstand en een kracht.
Fig. 22
Fig. 23
Fig. 24
Fig. 25
Fig. 26
Er werd 3 maal een test uitgevoerd. Omdat de opstelling het weer niet toeliet om 360 graden
rond te draaien werd er ongeveer 200 graden gedraaid. In test 1 en 2 werd dit 1 maal
uitgevoerd. In test 3, 3 maal.
Door de metingen wordt er ondervonden dat er ongeveer 0,6 Newton nodig is om de x as in
beweging te brengen. Als het koppel dan berekend wordt met de afstand waarop het
meettoestel bevestigden is tegenover het draaipunt
Dan is Mwrijving x-as = 164 x 0,6 = 98,4Nmm.
3.1.2.6. Totale berekening X-as
Het totale koppel dat het systeem nodig heeft om te laten draaien is dus,
Mtotaal = Mwrijving + Mmassa = 98,4 x 10-3 + 1,01888 x 10-6Nm
Mtotaal = 0,09840101888Nm
Je zien nogmaals dat het koppel van de wrijving een veel grotere factor is dan het koppel van het
massatraagheidsmoment.
4. Kostprijs
Met de kostprijs wordt bedoeld hoeveel het zou kosten om het zonnepaneel van 0,715 kg op een
draaiende installatie met servomotoren te plaatsen. Het betreft een ruwe schatting.
Als men op het internet zoekt hoeveel een servomotor kost, vindt men zeer verschillende prijzen
terug. Dus proberen we te zoeken hoeveel een servomotor gemiddeld kost per kg/cm
Fig. 27
Dit zijn enkele servomotoren ad random van het internet. Als je het totale kg/cm dat hier bekeken
werd optelt kom je aan 412 kg/cm. De totale N/cm uit deze tabel is 4040,35 N/cm. De totale
kostprijs van al deze servomotoren zou 383,4 euro zijn. Hiermee kan ongeveer berekend worden
dat een servomotor 0,93 euro kost per kg/cm of 0,0949 euro per N/cm of = 9,489 euro per N/m.
Dit is een geschatte waarde en mag alleen gebruikt worden voor schattingen. Een servomotor van
1,8 kg/cm zou bijvoorbeeld 0,93 * 1,8 = 1,674 euro kosten. Maar in werkelijkheid is dit 8,82 euro.
(Zie tabel)
De opstelling zou dus theoretisch 0,0984 x 9,489 = 0,933 euro kosten voor de Y-as motor en 0,036 x
9,489 = 0,341 euro voor de X-as.
Dit komt op 1,274 euro. Hieruit kan er besloten worden dat het helemaal niet zoveel kost om een
zonnepaneel op een draaiende beweging te plaatsen. Natuurlijk is de kostprijs van het hout en de
printplaat nog een grote factor.
Hout:
Voor onze opstelling werd er hout gebruikt. Het koste ongeveer 12 euro om de opstelling te maken
met een 5mm triplexplaat. Als men met een zwaarder zonnepaneel werkt, zou er een soort metaal
gebruikt worden zodat de installatie beter tegen de weerselementen kan. Deze kost zou dus groter
zijn en waarschijnlijk de grootste van het systeem.
Printplaat:
Deze kost blijft steeds dezelfde, als men een groter zonnepaneel koopt kan men nog steeds
dezelfde software gebruiken. De servomotoren zouden wel een grotere spanning nodig hebben. Als
men grootschalig kijkt, zou deze kost dus minimaal worden.
Om de kostprijs van een zwaarder zonnepaneel zo laag mogelijk te houden zou men waarschijnlijk
met een ander systeem werken. Er zouden verschillende opstellingen kunnen gemaakt worden om
te kijken welke het efficiëntst is. Persoonlijk denk ik dat de kost hiervan redelijk laag zou zijn
vergeleken met de kost van de zonnepanelen. Maar dit zou apart moeten besproken worden in een
ander verslag.
5. Test opstelling
De test opstelling zal voornamelijk gemaakt worden uit 5mm triplex. Dit is gemakkelijk materiaal om
met een lazercutter te bewerken.
5.1. Solid Edge
Als tekenprogramma wordt er gebruik gemaakt van Solid Edge. Met dit programma kan je
gemakkelijk een ontwerp tekenen.
5.1.1. Solid Edge
De vaste opstelling wordt gemaakt uit triplexhout met een dikte van 5mm. Het bestaat uit een
grondplaat waar alles op staat en daarop 2 platen die parallel met elkaar staan. Tussen die
platen wordt een blokvormig voorwerp gestoken waaraan het zonnepaneel gemonteerd
wordt. Als men dan een scharnierpunt maakt in de hoek (van de parallel staande platen) die
zich het dichtste van het zonnepaneel bevindt, dan kan het zonnepaneel 90 graden draaien en
zo naar alle plaatsen in de lucht gericht kan worden.
Fig. 28
Fig. 29
Fig. 30
5.1.2. Dynamische opstelling
De draaibare opstelling wordt zoals eerder vermeld, gemaakt door middel van 2
servomotoren. Deze zorgen ervoor dat het zonnepaneel 360 graden kan draaien en naar elke
plek in de lucht gericht kan worden. Deze opstelling wordt ook gemaakt uit triplexhout van
5mm dikte. De opstelling heeft weer een basisplaat waar alles op staat. Hier wordt tevens de
stuurplaat geplaatst. Zo blijft de opstelling samen en moet men niet steeds de stuurplaat met
de draaiende opstelling verbinden. Boven de stuurplaat rust nog een basisplaat die verhoogd
is zodat deze geen contact heeft met de stuurplaat. Hierop wordt dan het zonnepaneel
geplaatst op kogellagers. Zo kan het gewicht van het zonnepaneel op de basisplaten rusten
en niet op de servomotor. De verhoogde basisplaat is nodig zodat de servomotor
gemonteerd kan worden en het zonnepaneel kan draaien.
Fig. 31
Fig. 32
Fig. 33
5.1.3. Problemen met het ontwerp
Bij het statisch ontwerp waren er weinig problemen. De bouten die gekocht werden waren
iets te lang. Deze werden afgezaagd. De uiteindelijke lengte was 100mm met een diameter
van M10. De moeren die werden gebruikt zijn geen zelf borgende moeren, zo kan men
gemakkelijk de hoek veranderen.
Bij de dynamische opstelling waren er wel enkele problemen. Het tussenstukje om de lagers
vast te houden moest een paar keer opnieuw gemaakt worden omdat de speling tussen de
lagers en het draaivlak niet groot genoeg was. Boven de lagers werd er wat hout weg
gebeiteld, omdat ze oorspronkelijk tegen de plaat boven de lagers wreven. Maar omdat de
tussenstukjes groter werden en de lagers daardoor de bovenste plaat niet meer raakten, was
dit uiteindelijk niet meer nodig.
Om de servomotoren aan de draaiende plaat vast te maken wordt er gebruik gemaakt van de
schroeven die bij de motoren geleverd werden. Die waren echter niet sterk genoeg waardoor
de schroeven steeds kapot draaiden. Er moest ook opgelet worden welke lengte de
schroeven hebben. Als de schroeven te lang zijn botsen ze tegen de servomotor waardoor er
geen draaibeweging meer kan plaatsvinden. Als de schroeven toch te lang zijn kan er gebruik
gemaakt worden van een vijl om ze wat korter te maken. De servomotor voor de x-as werd
aangepast tot een continu draaiende servomotor die 360 graden kan draaien. Dit werd dan
weer aangepast omdat een continue servomotor met een ander soort programmeer-systeem
werkt, waardoor de hoek niet kon geprogrammeerd worden.
Nog enkele opmerkingen voor het dynamisch ontwerp:
Tussen de lagers zitten rondellen die groter zijn dan de binnen diameter van de lagers maar
kleiner zijn dan het ronddraaiend deel van de lagers. Hierdoor zal de lager nooit tegen het
hout wrijven. De lagers moeten redelijk aangespannen worden zodat deze niet kunnen
loskomen wanneer de opstelling draait.
De plaat waar het zonnepaneel op gemonteerd wordt, moet een klein beetje langer zijn dan
de effectieve lengte van het paneel. Dit is nodig opdat de bout die aan de overzijde van de
servomotor komt nog tussen het paneel kan. Er werd hier 4 mm speling voorzien, de dikte
van de kop van de bout.
De servomotor van de Y-as moet zodanig geplaatst worden dat het paneel de 180 graden van
de horizon kan draaien.
Omdat de bedrading van de servomotor uitsteekt. Moeten de gaten van de motoren een
paar millimeter groter zijn. Zo kan de servomotor schuin in het gat geplaatst worden.
In beide ontwerpen ziet men soms kleine hoekige gaten zitten. Deze hebben geen nut en zijn
puur uit creativiteit.
Wanneer de berekeningen van het massadichtheidsmoment werden berekend, moest de
massa van de aparte deeltjes gekend zijn. Het ontwerp was echter al helemaal klaar
waardoor dit niet meer kon. Om te zorgen dat niet alles opnieuw moest gemaakt worden,
werden er enkele stukken gelazerd die dan gewogen werden. Om het hout zo weinig
mogelijk te verspillen, werden alleen de kleinere stukken gelazerd. De andere aparte
gewichten werden dan door middel van het totale gewicht van het draaistuk berekend.
5.2. De zonnepanelen
Op TinyTronics werden er twee gelijke zonnepanelen van 290x240x18mm gekocht, zodat de
metingen steeds vergeleken kunnen worden.
https://www.tinytronics.nl/shop/nl/power/zonne-energie/zonnepanelen/zonnepaneel-18v560ma-290x240x18mm
Fig. 34
5.2.1. De specificaties (elektrisch):
o Maximale uitgangspanning: ~22V (Varieert door de stroom en is afhankelijk van de sterkte
o
o
o
o
o
o
van de zon)
Uitgangsspanning bij optimale belasting: ~17.56V
Maximale stroom bij kortsluiting: ~670mA
Stroom bij optimale belasting: ~560mA
Maximaal vermogen: ~10W
Afmetingen: 290 x 240 x 18mm
Gewicht: 715 gram
5.2.2. De specificaties (algemeen):
o Dit paneel Is spatwaterdicht behalve op de elektrische contacten en op de achterkant.
o Dit kan gemonteerd worden door de gaten op de achterkant van het frame.
o De protectiediode zit ingebouwd
(Let op: klepje gaat mogelijk moeizaam open doordat deze diode in de weg kan zitten!)
o Mogelijkheid voor trekontlasting van de kabel die onder het klepje zit
o Type zonnecellen: monokristallijn
5.2.3. Nog enkele opmerkingen over het zonnepaneel:
o De spanning uit het zonnepaneel is ongeregeld, dus het apparaat moet ook bestand zijn
tegen een lagere spanning. Het moet bestand zijn tegen spanningen tussen de 0V en 22V.
In de meeste gevallen is het handig om een DC-DC converter te gebruiken zodat je
bijvoorbeeld een continue 5V, 12V of 24V uitgang kan creëren, onafhankelijk van de
spanning uit het zonnepaneel.
o Let op: De plus en min contacten zitten aan de achterkant onder het zwarte klepje. Mogelijk
zit de protectiediode in de weg waardoor deze markering niet zichtbaar is. Indien dit het
geval is moet je de kant van de streep op de diode aanhouden als plus en de andere kant dus
als min.
5.3. Servomotoren
Het draaisysteem zal ontworpen worden met servomotoren. De hoek waarmee een
servomotor draait is meestal beperkt. Hierdoor zal het systeem toch een beetje juist moeten
gericht worden naar de zon. Zodat hij dan de richting kan corrigeren.
Er worden echter servomotoren gebruikt die 360 graden kunnen draaien waardoor dit niet
nodig is. Op TinyTronics werden zonnepanelen gekocht die niet veel wegen, waardoor de
servomotoren niet zeer krachtig moeten zijn. Eén paneel heeft een gewicht van 715g. Er wordt
2 maal dezelfde servo gebruikt.
5.3.1. DS3225MG
Specificaties:
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Gebruiksspanningsbereik: 4.8 - 6.8 V
Werkende snelheid (5.0V): 0.15 sec/60 graad
Werkingssnelheid (6,8V): 0,13 sec/60 graad
Stall koppel (5.0V): 21 kg/cm
Stopkoppel (6.8V): 25kg/cm
Controlesysteem: PWM (de wijziging van de impulsbreedte)
De waaier van de impulsbreedte: 500~2500μsec
Neutrale positie: 1500μsec
Lopende graad: 270° (wanneer 500~2500μsec)
Dode bandbreedte: 3 μsec
Werkende frequentie: 50-330Hz
Roterende richting: Tegen de klok in (wanneer 500~2500μsec)
Fig. 35
5.4. Plaatsbepaling zonnepaneel
5.4.1. Kompas
Om het paneel te richten naar de zon moet men eerst de momentele gerichte status kennen van de
installatie. Hiervoor wordt een kompas gebruikt. Wanneer de installatie aangezet wordt leest het
programma af naar waar hij gericht staat. Dan past het programma de berekeningen aan volgens de
richting. Op TinyTronics is er een kompas module die werkt met een I²C verbinding.
https://www.tinytronics.nl/shop/nl/sensoren/magnetisch-veld/hmc5883l-3-axis-compasmagnetometer-sensor-module-3v-5v-v2
Fig. 36
o Een kompas module om bijv. de richting van een rijdend voertuig te bepalen.
o Werkt met een I²C verbinding.
o Deze variant heeft geen montage gaten en is dus zeer klein.
o Voor meer informatie: Datasheet HMC5883L
Let op: De HMC5883L chip wordt niet meer geproduceerd en kan dus niet als nieuw worden
verkregen. De chip op deze module betreft daarom een "refurbished" variant en is dus niet nieuw.
We raden deze module niet aan voor grootschalig gebruik, omdat de nauwkeurigheid en
duurzaamheid niet kan gegarandeerd worden.
5.4.2. GPS
Het programma moet ook weten waar het zonnepaneel zich ongeveer bevindt op de wereld.
Hiervoor wordt er een gps-module gebruikt. Deze kan je ook kopen op TinyTronics. Er zijn gpsmodules die 45 euro kosten en er zijn er die 13 euro kosten. Omdat mijn ontwerp maar 1 keer moet
aflezen waar het paneel zich bevindt mag dit een goedkope module zijn. De duurdere versies sturen
meerdere keren per seconde hun positie door.
Fig. 37
https://www.tinytronics.nl/shop/nl/communicatie-en-signalen/draadloos/gps/modules/gyneo6mv2-gps-module
De gps-module die werkt met UART (TX en RX) signalen. De bijbehorende gps-antenne wordt
meegeleverd.
Specificaties:
o
o
o
o
Spanningsbereik: 3.3-5V DC
Spanning TX en RX-signalen: 3.3V (let op: gebruik een level converter voor het RX-signaal als
je een 5V microcontroller hebt)
Standaard baudrate: 9600
Maakt gebruik van module die grotendeels compatibel is met de uBlox NEO-6M gps-module.
(Niet origineel uBlox, maar heeft dezelfde NMEA-output als uBlox NEO-6M)
De TinyGPS++ library kan gebruikt worden om de gps-module uit te lezen.
Er werd echter besloten om de gps niet te gebruiken omdat het programma te ingewikkeld zou
worden. Dit kan later terug worden toegevoegd.
5.5. Printplaat, software
Uiteindelijk moet de opgewekte energie gemeten en vergeleken worden. Dit wordt gedaan met
software. De software staat op een printplaat die getekend wordt met Altium en geprogrammeerd
met Arduino 1.8.18. en versie 22 (er werd gewisseld van versie in het midden van het jaar) Er worden
ook extra libraries toegevoegd voor het kompas, de tijdmetingen, de servomotoren, SD kaart etc.
6. Belangrijke factoren van het zonnepaneel
6.1. Aantal zonuren
Het aantal zonuren hangt sterk af van de regio waarin ze geplaatst worden en van het seizoen.
Zonnepanelen wekken ook energie op bij indirect zonlicht. Het ochtendlicht kan ook al energie
opwekken.
6.2. Temperatuur
De temperatuur speelt een belangrijke rol. Ideaal is 25 graden. Als de temperatuur te hoog is warmt
het zonnepaneel zelf op en zal het rendement dalen. Het zonnepaneel zou dus voor nog meer
rendement kunnen gekoeld worden. Maar dit heeft dan ook weer energie nodig.
6.3. Het type zonnepaneel
Zoals eerder besproken bestaan er verschillende soorten zonnepanelen. Monokristallijn brengt meer
op dan polykristallijn. Maar deze zijn dan ook wat duurder. Men moet dus zelf afwegen welk soort
zonnepaneel men gebruikt door te bekijken hoeveel oppervlakte er wordt belegd.
6.4. Hellingshoek van het dak
Het zonnepaneel wordt het best zuidwaarts gericht. Met de tabel van Hespul kan je dit goed zien.
Ook de hoek waarin het zonnepaneel wordt geplaatst is ook een belangrijke factor.
Fig. 38
Je kan in de tabel van Hespul mooi zien dat het meeste rendement behaald wordt met een volledig
zuid gericht zonnepaneel die in een hoek staat van 30 – 40 graden. Het is ook logisch dat de tabel van
Hespul verschilt met de plaats van het zonnepaneel op aarde. Want op de evenaar zal 35 graden
absoluut niet optimaal zijn. Daar draait de zon namelijk over het paneel.
6.5. Vermogen paneel in wattpiek
Wattpiek is de eenheid van het maximale vermogen van een zonnepaneel. Als de omstandigheden
ideaal zijn dan zou een paneel 1000wp per vierkante meter moeten behalen. Het zonnepaneel haalt
echter maar 10 tot 20% waardoor het maar 100 a 200Wp is per vierkante meter. In België ligt de
gemiddelde wattpiek per vierkante meter ook lager. Dit is omdat de lichtintensiteit hier lager is.
Wattpiek kan men vergelijken met de productiviteit van een paneel. Hoe hoger de wattpiek hoe
hoger de productiviteit. Men kan dus de kostprijs beter inschatten door de wattpiek te vergelijken.
De eenheid is gebaseerd op een paar bepaalde omstandigheden.
De sterkte van de instraling: hoeveelheid elektromagnetische straling met een vermogen van
1000W/m2
Het zonnespectrum: De lichtweg door de atmosfeer.
De richting van de invallende zonnestralen: Loodrecht op de zonnecellen.
De temperatuur van de zonnecellen: hoger dan 25graden.
6.6. Zonnesterkte
Een belangrijke factor voor het rendement van een zonnepaneel is natuurlijk de zonnesterkte. De
zonnesterkte is bijvoorbeeld veel groter wanneer het zomer is. De schaduw is zeer negatief voor de
zonnesterkte. Misschien is het beter om die boom weg te kappen om uw rendement te verhogen.
6.7. Temperatuur coëfficiënt.
Zoals eerder vermeld is het negatief voor het rendement wanneer het zonnepaneel zelf te warm
wordt. De temperatuur-coëfficiënt is een percentage waarmee je de afname van het vermogen bij
elke graad dat het paneel warmer wordt dan 25 graden kunt bekijken. Het is dus een weergave
tussen temperatuur en vermogen. Bijvoorbeeld als de temperatuur-coëfficiënt gelijk is aan 0,5% en
het paneel een warmte heeft van 70 graden Celsius. 70 graden is 45 graden meer dan 25 graden. Bij
elke graad hoger dan 25 graden daalt het rendement met 0,5%. Dus 0,5 x 45 = 22,5% dus als het
zonnepaneel 400Wp produceerde, produceert het nu maar 310Wp.
7. Berekeningen Hoger rendement
Het rendementsverschil van een statisch zonnepaneel tegenover een dynamisch zonnepaneel zijn
telkens verschillend afhankelijk van de tijd in het jaar. Want in de winter zal het verschil groter zijn
dan in de zomer. Dit komt omdat het statische paneel in de winter minder energie zal opwekken dan
in de zomer, niet alleen doordat hij minder uren zon ziet maar ook omdat de zon in de winter lager
staat dan in de zomer. Voor het dynamische zonnepaneel maakt dit geen verschil. Of het nu zomer of
winter is het paneel zal steeds loodrecht met de zon staan.
Een dynamisch paneel heeft dus een groter rendementsverschil vergeleken met een statisch paneel
in de winter dan in de zomer.
Wanneer het zonnepaneel de zon volgt (loodrecht) zal hij steeds dezelfde hoeveelheid energie
opwekken. De oppervlakte waar de zon op schijnt blijft steeds even groot. Dit is dan de oppervlakte
van het paneel.
De opgewekte energie per seconde van het statische zonnepaneel zal in de ochtend stijgen tot de
middag en dan weer dalen. Om te berekenen hoeveel energie het statische zonnepaneel genereert,
plaatsen we de hoek waar het paneel op staat in functie van de oppervlakte van de zonnestralen.
Om te beginnen hebben we dus de intensiteit van de zon nodig. Dit kan gevonden worden op
Wikipedia. https://nl.wikipedia.org/wiki/Zonlicht
Fig. 39
Volgens Wikipedia komt er op het aardoppervlak ongeveer 166W/m2. Dit is nadat de atmosfeer de
energie heeft verlaagd.
7.1. Dynamische opstelling
Het draaiende zonnepaneel zal steeds loodrecht op de zon staan waardoor alleen de oppervlakte van
het paneel moet bekeken worden. Dit is dus 0,29 * 0,24 = 0,0696m2
Het zonnepaneel op draaiende opstelling wekt dus maximaal
0,0696 * 166 = 11,5536W
Omdat het rendement van een zonnepaneel lager ligt zal dit veel minder zijn. Het paneel dat gebruikt
wordt is een monokristallijn. Hierdoor is zijn rendement 16 tot 20 procent. Dus de dynamische
opstelling zou 0,2 * 11,5536 = 2,31072 watt/uur moeten kunnen opwekken.
Wanneer er gekeken wordt naar het zonnepaneel dat gekocht werd dan zie je dat P max = 10 watt.
Dit is een stuk hoger dan de berekeningen. Dit komt omdat de wattpiek van een zonnepaneel
berekend wordt met andere waarden. Deze waarden zijn bij standaardcondities zodat men
zonnepanelen met elkaar zou kunnen vergelijken. De uiteindelijke uitkomst wordt dan wattpiek
genoemd.
Als er berekend wordt hoeveel wattpiek het zonnepaneel dat in dit project gebruikt wordt heeft, dan
kan het rendement van het paneel berekend worden.
0,0696 * 1000 = 69,96W
X * 69,96 = 10Wp
X = 14,37 procent, Het paneel dat gekocht werd heeft dus een rendement van 14,37 procent. Er zijn
nog steeds enkele andere variabelen zoals de temperatuur van het paneel waardoor dit
hoogstwaarschijnlijk niet helemaal correct zal zijn. Maar het is een schatting.
Het paneel heeft dus een constante opbrengst van 0,1437 * 11,5536 = 1,66 watt/uur
Op 15/05/2023 schijnt de zon 10 uur. Het dynamische paneel wekt dus 1,66 * 10 = 16.6 watt op.
7.2. Statische opstelling
Om de wattage van een statisch zonnepaneel te berekenen moet men een functie opstellen. Dit is
omdat de wattage van het statisch paneel varieert met de hoek waar het paneel op staat. Omdat de
wereld 3 dimensioneel is zijn er twee hoeken, een horizontale en een verticale hoek. Of de x-hoek en
de y-hoek. Er zullen dus ook 2 functies zijn.
De optimale hoek voor een statisch zonnepaneel is 35 graden. Dit werd eerder bekeken in de tabel
van Hespul. In deze berekeningen wordt er dus van uitgegaan dat de beste hoek steeds 35 graden is.
7.2.1. Y – hoek (Elevation)
Fig. 40
In dit geval is L = 240mm waardoor Ln = cos(55 – x)*0,24.
Er wordt een functie gemaakt in Geogebra
Fig. 41
Het is niet nuttig om te kijken na 135 graden want de zon draait in België nooit boven ons hoofd.
Want de breedtegraad in België is maximaal 51 graden en 51 + 23,5 (maximale verdraaiing) = 74,5
graden. De zon zal dus maximaal 74,5 graden hoog staan in de lucht.
Hier kun je mooi zien dat de zon loodrecht staat op het paneel bij 55 graden. En dat men dan een
lengte heeft van 240mm. Dit stemt overeen met normale lengte van het paneel.
Omdat er moet bekeken worden hoeveel energie het statische zonnepaneel opwekt in 1 dag, moet
de x as in minuten staan. Hiervoor wordt de tabel die in 7 verkregen werd gebruikt.
De effectieve test zou ongeveer midden mei gebeuren. Er wordt dus 15/05/2023 gebruikt om te
kijken waar de zon staat tijdens de dag. Als dit in een Exel grafiek wordt gezet verkrijgen we deze
grafiek. (Er wordt om het half uur een meting genomen). Er werd dus steeds gekeken op welke
horizontale hoek de zon staat op 15/05/2023.
Y-as zonnepositie
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Fig. 42
De x-as wordt uitgedrukt in tijd. Om het half uur werd er een punt gemaakt. De y-as is hier de lengte
van het paneel dat beschenen wordt door de zon.
7.2.2. X – hoek, (Azimut)
Fig. 43
In dit geval is B = 290mm waardoor Bn = cos(90 – x)*0,29.
Er wordt een functie gemaakt in Geogebra
Fig. 44
Hier wordt er hetzelfde gedaan zoals bij de Y hoek. Zo krijg je deze Exel functie.
X-as zonnepositie
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Fig. 45
De x-as wordt uitgedrukt in tijd. Om het half uur werd er een punt gemaakt. De y-as is hier de
breedte van het paneel.
7.2.3. Totaalrendement statische opstelling
Om het totale rendement te berekenen moeten de 2 grafieken vermenigvuldigd worden met elkaar.
Zo bekom je de oppervlakte in functie van de tijd.
Als beide grafieken worden vermenigvuldigd bekomt men
Totaal rendement
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
Hier is de y-as de oppervlakte die beschenen wordt en de x-as de tijd van de dag. Nu moet de y as
nog omgezet worden naar vermogen. Dit doe je door elk oppervlak te vermenigvuldigen met 166
(aantal watt opgewekt per vierkante meter). Zo bekom je de grafiek
Totale vermogen
12
10
8
6
4
2
0
Fig. 47
Als hiervan de integraal wordt berekend, weet je hoeveel watt er werd opgewekt. Omdat er niet echt
een precieze functie kan bepaald worden van deze grafiek gebruik ik de Riemannintegratie. Hierdoor
is de uitkomst wel wat minder precies. De Riemannintegratie wordt berekend door elke waarde te
vermenigvuldigen met 0,5 (want er werd een waarde genomen om het half uur). Als dit allemaal
opgeteld wordt kom, je aan een waarde van 61,7609 watt per 10 uur. Als het rendement dat eerder
werd berekend hier bijgevoegd wordt dan ziet men dat dit maar 0,1437 * 61,7609 = 8,875 watt.
Volgens de berekeningen is een dynamisch zonnepaneel dus ongeveer 16,6/ 8,875 = 1,87 keer meer
rendabel dan een statisch zonnepaneel.
8. Berekeningen plaats zon
8.1. Beweging van de zon
Om het draaiende zonnepaneel te laten draaien zijn er 2 functies nodig. Een functie die aantoont
hoe het paneel horizontaal moet draaien en één die aantoont hoe hij verticaal moet draaien. Beide
functies zullen een uitkomst hebben die in graden staat. De variabelen in de functies zijn:
Welk jaar maand en dag het momenteel is.
Waar op aarde het paneel geplaatst werd. (Gps)
Naar waar het paneel momenteel gericht is. (Kompas)
Als men deze waarden heeft kan het paneel weten naar waar hij gericht moet worden om
loodrecht op de zon te kijken.
https://www.suncalc.org/#/50.8558,2.7269,11/2023.01.15/17:34/1/3
Om de hoek te bepalen kunnen we gebruik maken van een website. Op deze website wordt de
hoek gegeven als men enkele waarden invult.
Fig. 48
Wanneer de waarden van tijd en plaats ingevuld worden, kun je zien dat de Altitude en de Azimuth
eigenlijk de hoek is die het paneel gebruikt. Dit staat omkaderd met geel. De blauwe omkaderingen
zijn de waarden die ingevoerd worden (plaats en momentele tijd).
De Azimuth hoek is 0 graden in het noorden. Als de opstelling geplaatst wordt moet de hoek eerst
gecorrigeerd zijn naar het noorden. Zodat de Azimuth hoek start in het noorden.
Om te weten waar de zon in de horizon staat heeft men functies nodig. Voor mijn project is er een
functie voor de x-as en de y-as. Om deze website te maken zijn er varianten van deze functies
gebruikt. De makers van de website lieten een mail-adres achter waar men informatie kon vragen.
Er werd een mail gestuurd met de vraag of zij deze functies zouden hebben. Maar hier werd niet op
geantwoord.
Als er geen functies gevonden worden kan er eventueel met tabellen worden gewerkt. Op de
website die eerder vermeld werd kan er een tabel gemaakt worden. Met “print” kan je dan de hoek
van de zon weten voor 1 dag (1 hoek per 15 min). Dit zou dan in een tabel in Exel kunnen geplaatst
worden. Als dit 365 keer herhaald wordt, zijn alle hoeken voor een heel jaar gekend. Het nadeel
van deze manier is natuurlijk dat de plaats geen variabele meer is en dat na een jaar je een nieuwe
tabel moet maken. De waarden tijdens de nacht worden ook niet vermeld. Eén hoek per 15
minuten is ook minder precies.
Gelukkig werd er een andere website gevonden.
https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php#table
Hiermee kan er een tabel gegenereerd worden voor een volledig jaar waar er om de 5 minuten een
hoek verkregen wordt. Er wordt een Elevatie hoek gegeven en een Azimuth hoek of wat de Y hoek
en de X hoek genoemd werd. Deze tabel staat al in Exel en moet men dus niet zelf maken. De tabel
vind je terug in de documentenmap. Als het paneel op een andere plaats gezet wordt moet men
dus wel steeds een andere tabel maken en de oude vervangen.
De tabel ziet er ongeveer zo uit
Fig. 49
Hier staan ongeveer (365 x 24 x 12) X 2= 210240 waarden
8.2. Ideale zonnepaneel
In 5. (Belangrijke factoren van het zonnepaneel) zie je dat er veel factoren zijn die de opgewekte
energie bepalen. Om te zorgen dat de test zo juist mogelijk verloopt, moeten al deze factoren
weggewerkt worden. Door 2 maal dezelfde zonnepaneel te gebruiken en ze op dezelfde plek te
zetten elimineer je bijna alle factoren. Het is enkel nog de zonnesterkte (5.6) die in rekening moet
gebracht worden. Zet het paneel dus niet in de schaduw.
De andere factoren zullen het totale rendement van beide panelen doen dalen. Omdat de totaal
opgewekte energie van beide panelen vergeleken wordt is dit niet erg, zolang beide panelen
dezelfde omgevingsfactoren hebben.
9. Stuurprint
De Stuurprint werd getekend met Altium designer. De stuurprint is de totale printplaat waar alles op
wordt gestuurd, van het programma tot en met de metingen van de hoeveelheid stroom die uit het
paneel komt. Het circuitbord of stuurprint bestaat uit 4 schema’s, een analoog schema, controller,
loadreg, en power IO. Deze worden later beter uitgelegd in 8.2. Deze schema’s worden dan
uitgetekend op een circuitbord die je ook kan vinden in Altium. Het programma dat gemaakt werd
met Arduino wordt ook op de stuurprint gezet.
9.1. Programmeren
Om te programmeren wordt er Arduino gebruikt. Dit is een programma waarmee men gemakkelijk
code kan schrijven. Uiteindelijk wordt dit dan op de microcontroller (ESP32 WROOM-32) gezet die
zich op de stuurprint bevindt.
Er zijn 7 delen in de code
1. Beweging van de servomotoren
In dit deel van het programma probeert men de servomotoren te laten bewegen en komt men
uiteindelijk een variabele uit. Hierin kan men dan de waarden van de tabel stoppen waardoor het
zonnepaneel steeds gericht staat naar de zon. Om dit programma te gebruiken werd er gebruik
gemaakt van de library Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library-master
Het programma vindt men terug op 16.1. Beweging van de servomotoren
2. Tabel uitlezen en veranderen naar waarden in functie van de tijd
Om de tabel uit te lezen wordt eerst het Exelbestand omgezet in 2 CSV-bestanden. Dit is zodat de
waarden steeds gescheiden zijn door een komma en we de x hoek kunnen onderscheiden van de
y hoek. Hierdoor kun je via het weten van de tijd vinden welke hoek men nodig heeft.
Hiervoor gebruikt men de library SD-1.2.4 waarmee je dan waarden kunt lezen van een SDkaartje. Hiermee kan men ook waarden schrijven op de SD-kaart.
Het programma vindt men terug op 16.2. Tabel uitlezen
3. De tijd uitmeten
Om de tijd uit te lezen zijn er verschillende mogelijkheden. Er werd getwijfeld tussen een real
time klok of een DCF - 77 antenne. Uiteindelijk werd er gekozen om met de antenne te werken
omdat deze preciezer is en niet verkeerd kan lopen.
Hiervoor worden er ook weer enkele libraries gebruikt: DCF77, Time, Timezone.
Het programma vindt men terug op 16.3. De tijd uitmeten
4. De stroom meten die het paneel maximaal kan leveren
Hiervoor wordt een schakeling gebruikt.
Het programma vindt men terug op 16.4. De stroom meten
5. De spanning meten die het paneel maximaal kan generen
Hiervoor wordt een schakeling gebruikt
Het programma vindt men terug op 16.5. De spanning meten
6. Een waarde van het totale vermogen berekenen en opslaan
Deze waarden kunnen worden opgeslagen op de SD kaart
Het programma vindt men terug op 16.6. Totaal vermogen berekenen
7. De stroom/spanning piek van het paneel vinden
Er moet een maximumvermogen worden gevonden die het paneel kan generen. Dit wordt
gedaan door een MOSFET steeds meer en meer te laten geleiden. Zo stijgt de belasting die op
het paneel is aangesloten (weerstand van 33 ohm). Hierna kan men de piek van het vermogen
vinden door steeds de stroom en de spanning te meten. Deze waarden kunnen dan worden
opgeslagen in een tabel.
Als het paneel een hele dag buiten heeft gestaan dan kan men van al die waarden een grafiek
maken. De oppervlakte van die grafiek is dan het maximum vermogen dat het paneel kan leveren
op een dag. Van het dynamische paneel zal deze grafiek relatief plat zijn. Van het statische
paneel zal het meer in een boog zijn. Dit is omdat het statische paneel bijvoorbeeld in de
ochtend minder energie zal genereren.
Het programma vindt men terug op 16.7. De stroom en spanningspiek van het paneel vinden
Fig. 50
9.2. Extra uitleg over de schema’s
De schema’s zijn te vinden bij 13. Schema’s.
9.2.1. Extra uitleg
Op veel schema’s staan er tekentjes met 3V3 of AGND bij. Deze tekens
dienen om aan te tonen dat op deze lijn of geleider een spanning staat
van 3,3 Volt of een ground is.
AGND staat voor Analoge Ground, DGND staat voor Digitale Ground.
9.2.1.1. Buffer
Fig. 51
De buffers zijn aparte condensatoren die ervoor zorgen dat een IC geen spanningsval kan hebben. Deze
condensatoren staan steeds zo dicht mogelijk bij de IC zodat de weerstand van de kabels zo klein
mogelijk is. De spanningsval bij een IC wordt veroorzaakt doordat de draadjes die van de voeding naar
de IC gaan, te lang zijn. Hierdoor zijn zij ook aparte weerstanden waardoor er een grote spanningsval
over de draadjes wordt veroorzaakt. Er worden grote condensatoren gebruikt om een grotere buffer
te verkrijgen. Naast deze grotere condensatoren plaatst men ook nog kleinere. Deze dienen om sneller
te reageren bij een spanningsval. Ze verkleinen storingen.
9.2.1.2. Output configuratie van een IC
In elke IC zitten er transistoren die de toestand van de chip bepalen. Er zijn 3 mogelijke toestanden
een 1 een 0 of een HiZ. Als de transistor bij de Vcc geleidt dan komt er een 1 op de uitgang. Een hoge
meting dus. Als de transistor bij de ground geleidt dan wordt de spanning naar laag getrokken. Dit
zorgt voor een logische 0. Als geen
IC
IC
van beide transistoren geleiden dan
heb je een HiZ. Dit is een onbepaalde
toestand. Deze toestand wordt dan
met een pull-up of pull-down
weerstand opgelost. Als beide
transistoren geleiden dan wordt er
kortsluiting gemaakt.
9.2.1.3. Pull-up of pull-down weerstand.
Fig. 52
Een pull up weerstand of pull down weerstand zorgt ervoor dat de ground niet rechtstreeks verbonden
is met de VCC of voeding. Het verschil tussen de pull up en pull down is dat een pull up weerstand
rechtsreeks verbonden is met de voeding. Een pull down is dan weer rechtstreeks verbonden met de
ground. Het verschil hiertussen is de toestand waarin de lijn zich definieert. Een pull up weerstand
zorgt er namelijk voor dat men een
logische 1 krijgt bij normale toestand.
Want een pull up is direct verbonden
met de VCC. Een pull down zorgt
ervoor dat de normale toestand een 0
is. (De weerstand hangt direct aan de
ground.) Een pull up of pull down
weerstand hangt alleen aan input. Het
bepaalt dus steeds de definitie van
Pull-down
Pull-up
een input.
Fig. 53
9.2.1.4. Low pass filter
De low pass filter dient om een lage frequentie door te laten en een hogere frequentie te
blokkeren. Deze schakeling bestaat uit een condensator en een weerstand. Men kan de
grensfrequentie berekenen met de waarden van deze condensator en weerstand.
1
𝑓𝑔 = 2𝜋𝑅𝐶 Hier is R de waarde van de weerstand en C de grootte van de condensator.
Een low pass filter wordt gebruikt om bijvoorbeeld storingen van een gsm of van een radio te
verminderen. Deze signalen zullen echter nooit
helemaal weg gefilterd kunnen worden. Ze
kunnen wel met meerdere low pass filters zeer
klein gemaakt worden. Er bestaan ook nog
andere filters. Bijvoorbeeld de High pass filters,
filters met spoelen in plaats van condensatoren of
een combinatie van R, l en C.
Fig. 54
9.2.1.5. Versterkende opamp
Het woord opamp staat voor operationele amplifier. Een opamp kan voor veel dingen gebruikt
worden. Bijvoorbeeld als versterker, filter, gelijkrichter, etc.
In dit geval versterkt de opamp een signaal van bijvoorbeeld een sensor of in dit geval de
spanning van de weerstand. Een opamp heeft normaal 2 inputs, 1 output en 2 voeding
aansluitingen en eventueel compensatie of stuursignaal. De Vcc supply dient om de opamp
energie te geven. Hierdoor kan de opamp alleen maar versterken tot zover zijn Vcc toelaat.
(Pin 4 en 7). De input offset en output offset dienen om de verliezen die zich in de opamp
bevinden te neutraliseren. Zo komt er geen verkeerd signaal uit de opamp. Uit de output komt
het versterkte signaal. Het signaal kan versterkt worden door middel van de plus en min
klemmen aan een opamp. De spanning tussen deze 2 klemmen moet steeds 0 volt zijn en de
stroom die in deze klemmen vloeit zou ideaal ook 0 ampère zijn. Hier is bijvoorbeeld Uin de
spanning over weerstand 2. Want de spanning over 3 en 4 is 0 volt. De spanning Uout is de
spanning over R2 en R1. Dus Uin maal R1 plus R2 delen door R2 is de Uout.
𝑈𝑜𝑢𝑡 𝐼 × (𝑅1 + 𝑅2)
=
𝑈𝑖𝑛
𝐼 × 𝑅2
𝑈𝑜𝑢𝑡 (𝑅1 + 𝑅2)
=
𝑈𝑖𝑛
𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
𝑈𝑜𝑢𝑡 = 𝑈𝑖𝑛
𝑅2
Fig. 55
9.2.1.6. Opamp als buffer
Bij de opamp is de ingangsimpedantie zeer groot vergeleken met de uitgangsimpedantie.
Hierdoor wordt er niets belast wat zich achter de opamp bevindt. Omdat de
ingangsimpedantie zeer groot is kan er geen stroom vloeien in de opamp. Dit is ook een
eigenschap van de opamp. Hierdoor wordt bijvoorbeeld de low pass filter niet belast. Een
versterkende
opamp
heeft
natuurlijk
ook
deze
eigenschap.
Fig. 56
9.2.1.7. 2 condensatoren voor filtering
Wanneer er een goeie filtering moet gebeuren dan worden er soms 2 condensatoren gebruikt.
Dit zorgt ervoor dat de hoge frequenties sneller worden gefilterd en de functie een steilere
helling heeft. De rode grafiek zou de grafiek zijn mocht er 1 condensator filteren.
De rode en de blauwe grafiek zijn de grafieken die aangeven hoe de filtering gebeurt als er 2
condensatoren worden gebruikt. Hierdoor wordt de helling steiler en wordt er beter gefilterd.
Fig. 57
9.2.1.8. Opamp met buffer
In het schema is er vaak een opamp getekend met een
condensator erbij. Deze opamp is dezelfde opamp die terug kan
gevonden worden in andere delen van het schema. Hij wordt
steeds apart getekend zodat de bron, de ground, en de
condensator als buffer (8.2.1.1.) niet in het ingewikkeldere schema
moet getekend worden. Dit zorgt ervoor dat het schema eenvoudig en
overzichtelijk blijft om te bekijken.
Fig. 58
9.2.1.9. I²C
I²C is een databus die wordt gebruikt om gegevens uit te wisselen tussen IC’s op een pcb. Het
werkt door middel van 2 signaallijnen, een kloksignaal SCL en een gegevenssignaal SDA.
De SCL-lijn bepaalt het tempo waarmee de bits op de SDA-lijn worden gelezen en geschreven.
Deze lijn wordt soms ook de klok genoemd. De SDA-lijn is de signaal lijn. Deze lijn wordt
gebruikt voor het lezen en schrijven van gegevens. De SDA-lijn werkt in 2 richtingen zodat de
controller kan communiceren met de IC maar de IC ook met controller.
Om het signaal te versturen wordt er gestart met een start-bit, dit is bit S. Zo weet de IC dat
er een code zal worden verstuurd. Wanneer de SCL laag is wordt de 1ste bit gelezen en zet de
SDA deze bit gelijk. Zo kunnen alle bits apart geschreven en gelezen worden.
De stop-bit P toont het einde van de communicatie.
Fig. 59
Om te zorgen dat de controller weet naar welke IC hij een signaal moet sturen heeft elke IC
een uniek adres. Dit adres kan de controller bekijken waardoor hij weet welke IC het is. Het
I²C is een protocol met een master en slave. Dit wil zeggen dat de master degene is die vraagt
aan de slave voor een signaal. De slave kan zelf niet zomaar een signaal sturen. De controller
is meestal de master en andere IC’s zijn dan de slaves. Bijvoorbeeld een temperatuur sensor.
9.2.2. IC2 servo aansturing
Voor de servomotoren wordt er een specifieke IC gebruikt. Dit is de IC2 op het power IO schema. Er
wordt een aparte IC gebruikt omdat er zeer veel processing power nodig is om de hoek nauwkeurig te
kunnen regelen. Dit komt omdat er steeds opnieuw en opnieuw iets gemeten moet worden om te
weten waar de servomotor zich bevindt. Condensatoren C7 en C8 dienen als buffer (9.2.1.1.). Dit is
om te zorgen dat de IC niet in energienood geraakt. Om de servomotoren te verbinden met IC2 worden
Connector K3, K4 en K5 gebruikt als input. Als er op de K3 per ongeluk een ground of een stroom wordt
aangesloten. Dan zorgen de weerstanden ervoor dat de stroom gelimiteerd wordt. Want door de
Output configuratie van een IC (9.2.1.2.) zou er een kortsluiting ontstaan.
Er zijn 2 signalen van de servo aansturing die geen connector hebben (PWM14 en PWM15). Deze
output worden gebruikt om een belastingstroom te kunnen regelen. Deze outputs gaan naar het LOAD
regulator schema. Daar wordt de regeling van de stroom gebruikt om een transistor geregeld te laten
geleiden.
Fig. 60
9.2.3. DCF77
Met de DCF77 kan men de tijd die in Frankfurt berekend wordt bekijken en overnemen. Om dit signaal
van de DCF77 uit te lezen wordt er een ontvanger gebruikt. De antenne kan via de connector K7
verbonden worden met de ontvanger. In deze ontvanger zit een EXOR-poort waarmee het signaal kan
geïnverteerd worden. Deze EXOR-poort wordt met condensatoren gebufferd zodat hij geen
spanningsval heeft. De weerstanden R26 en R28 zijn pull-up of pull-down weerstanden. Omdat het
nog niet bekent is wat de outputconfiguratie is van de DCF77, worden beide weerstanden geplaatst
op de schema’s. Wanneer de PCB dan wordt gesoldeerd is het de bedoeling om 1 van deze 2
weerstanden weg te laten. Het kan dat de antenne die aan de connector wordt gehangen een invers
Fig. 61
signaal verstuurd. Met de jumper J1 kan dit signaal dan terug worden geïnverteerd. Wanneer de
jumper poort A naar de ground trekt zal de EXOR-poort het signaal inverteren.
Fig. 61’
9.2.4. SD-kaart
Om de data van de tabel en de data van de metingen op te slaan wordt er gebruik gemaakt van een
SD-kaart. Deze SD-kaart wordt gevoed met 3,3 volt. Deze spanning wordt weer gebufferd zodat er geen
spanningsval kan ontstaan bij de SD-kaart. De SD-kaart werkt met de I²C bus. Wanneer de SD-kaart
niet in de connector zit moeten de lijnen een bepaalde waarde hebben. Weerstanden R22, R23 zijn
hiervoor pull-down weerstanden zodat deze inputs als 0 worden gedefinieerd. Weerstand R12 is een
pull-up weerstand zodat dit signaal een 1 is. Het is hier een pull up weerstand omdat de CS-poort
geïnverteerd is. Deze poort zorgt ervoor dat de IC is geactiveerd. Bij een hoog signaal is het dus inactief.
Weerstand R14 is geen pull-up of pull-down weerstand. R14 is een weerstand die de stroom beperkt
wanneer het programma per ongeluk P3 als input definieert. Want als P3 input is dan zou er
kortsluiting kunnen ontstaan door de output configuratie van een IC (8.2.1.2.). Wanneer de SD-kaart
niet in de connector zit zou je aan de pinnen kunnen komen. Hierdoor zou je een ontlading kunnen
geven in de vorm van een spanningspiek. De diodes IC3 en IC4 zijn doorslag diodes die op een te hoge
spanning zullen doorslaan. Zo wordt de te hoge spanning afgeleid naar de ground en gaat de controller
niet kapot.
Fig. 62
9.2.5. Voeding
Met dit schema wordt alles gevoed, van de microcontroller tot de servo aansturing. Deze voeding
wordt zelf gevoed met 5 Volt DC. De voeding van 5 Volt hangt aan connector P1. Als je deze bron
verkeerd zou aansluiten dan zorgt diode D3 ervoor dat je niet heel de schakeling kapot maakt. Want
door de diode kan er geen stroom omgekeerd vloeien. Als je bijvoorbeeld een verkeerde bron aansluit
op P1 dan zorgen K1 en K2 ervoor dat de schakeling niet kapotgaat. K1 en K2 zijn resettable fuses, dit
zijn een soort van PTC-weerstanden. Deze soort weerstand stijgt wanneer de temperatuur (van de
weerstand) stijgt. Hierdoor kan hij gebruikt worden als een herstelbare smeltzekering. Als de bron die
aangesloten wordt op P1 geen echte DC-bron is of zelf een AC bron is dan zorgt de condensator C1
ervoor dat het signaal wat wordt afgevlakt. Hierdoor is het meer een DC-spanning.
Als er een spanningspiek zou ontstaan bij de bron dan zorgt
VDR1 ervoor dat deze spanning onschadelijk wordt
gemaakt. VDR staat voor Volt Dependent Resistor, dit is
eigenlijk een weerstand die verandert van waarde
naarmate de spanning over de weerstand verandert. Dit
wordt vaak een varistor of een polyfuse genoemd. De
varistor dient om de schakeling te beschermen tegen
overspanning. De werking van een VDR is gebaseerd op het
concept van de varistor effecten in bepaalde
halfgeleidermaterialen, zoals metaaloxide varistoren.
Hierin zitten zinkoxidekorrels met daartussen dunne
laagjes metaaloxide. Bij hogere spanningen veroorzaakt de
aangelegde elektrische veldsterkte een doorbraak in de
zinkoxidekorrels waardoor er een geleiding wordt
gecreëerd tussen de elektroden van de VDR. Dit zorgt voor
een sterke daling van de weerstand. Hierdoor kan er een
stroom vloeien om de overspanning af te leiden.
Fig. 63
De ideale diode is de schakeling naast de afvlakkende condensator. De ideale diode dient eigenlijk om
te zorgen dat de spanning die wordt geleverd door de bron gelijk blijft voor de verbruiker wanneer
men een diode gebruikt. De diode dient dan weer om te zorgen dat de verbruiker die stroom nodig
heeft geen spanningspieken of storingen kan doorgeven aan de andere schakelingen.
De ideale diode werkt zo. Wanneer diode D2 geleidt zal er een
spanning over C2 en PGND ontstaan. Deze spanning is ongeveer
0,6-0,9 Volt lager dan de spanning bij de ingang. Dit komt door
de spanning die over de diode staat. Dit verlies wordt opgelost
door de MOSFET. Wanneer er stroom langs de diode vloeit zal er
ook stroom vloeien door de weerstand R3 en R4. Deze
weerstanden dienen als een spanningsdeler om te zorgen dat er
een niet te grote spanning over de MOSFET staat. Wanneer de
MOSFET geleidt zal de volledige bronspanning over de
condensator C2 staan waardoor er geen verlies meer is van de
diode. De condensator C2 is een buffer voor de componenten die
deze stroom dan gebruiken. De condensator zorgt dat er geen
spanningsval ontstaat voor de componenten langs de Up lijn.
Fig. 64
Eigenlijk is diode D2 niet nodig omdat er al standaard een diode in T1 zit. Ook de spanningsdeler is niet
echt nodig omdat de spanning niet boven de maximale spanning van de MOSFET komt.
Naast de ideale diode staat R5. Dit is een weerstand die zorgt dat de geleiders tussen alle aardingen
korter zijn. Het is eigenlijk een weerstand zonder weerstand die hier puur staat om het routen
makkelijker te maken. Door deze weerstand van 0 ohm zal bij het teken van de pcb de lijn tussen D5
en C2 rechtstreeks aan elkaar hangen. In de schakeling van de bron zitten ook 2 LED’s. Deze LED’s
duiden aan wanneer er een bepaald deel van de bron werkt. De weerstanden R2 en R1 voor deze LED’s
zorgen ervoor dat de spanning voor de LED verlaagd wordt. Naast deze LED’s staan 4 condensatoren.
Deze condensatoren dienen als een buffer (9.2.1.1.) voor IC1. Ze zorgen ervoor dat er geen
spanningsval ontstaat en dat het regelgedrag van IC1 ondersteund wordt. Boven IC1 staat een diode.
Deze diode dient als bescherming. Wanneer men de connectoren bij P1 namelijk zou kortsluiten dan
zou de spanning aan de ingang 0 Volt zijn. Dit is een lagere spanning dan uitgaande spanning van IC1.
Hierdoor zou IC1 stuk gaan. Diode D1 herleidt deze spanning dus naar de 0 Volt ingangsspanning
waardoor de uitgang niet meer hoger ligt dan de ingang.
Waarom zou de IC1 kapotgaan als er rechts meer spanning is dan links. Om dit te weten wordt IC1
eerst uitgelegd.
Het rechterschema is een seriestabilisatie (net zoals
IC1) die zorgt dat de spanning van 5 Volt wordt
verlaagd naar 3,3 Volt. De transistor (Ut) zorgt
samen met de weerstand (Rb) voor een
spanningsdeler. Hierdoor kan de spanning verlaagd
worden. Maar omdat de transistor zal geleiden
(omdat er stroom vloeit aan zijn base) zal de
spanning over Uout en de ground groter worden. Als
de spanning bij Uout groter wordt dan 5,6 Volt
(doordat de transistor te veel geleidt). Dan zorgt de
opamp ervoor dat er stroom van de base bij de
transistor wordt weggetrokken (hierdoor geleidt de
transistor minder). Dit is een terugkoppelend effect.
Door dit effect blijft de spanning over Uout en de
ground steeds 5,6 Volt. De opamp trekt stroom
Fig. 65
omdat de spanning bij de min-klem groter is dan bij
de plus-klem. Door de zenerdiode D1 wordt de spanning aan de plus-klem op 5,6 Volt gehouden. De
uitgansspanning zal dus steeds 5,6 Volt zijn.
Fig. 66
9.2.6. Load regulator
De load regulator dient om de spanning en de stroom van het zonnepaneel te meten. Hiermee kan een
functie gemaakt worden waarmee je het piekvermogen van het zonnepaneel kan vinden. Dit schema
wordt 2 keer gebruikt omdat er 2 zonnepanelen zijn.
K9 is de connector om het zonnepaneel aan te verbinden. Hierdoor kan er een stroom vloeien en
ontstaat er een spanning tussen de ground, R95, T7 en connector K12. Op connector K12 wordt er een
weerstand gezet. Deze weerstand zorgt ervoor dat het grootste deel van de stroom van het paneel
wordt weggewerkt in warmte. De connector zorgt ervoor dat de weerstand gemakkelijk kan vervangen
worden. Dit moet gebeuren wanneer je een ander soort zonnepaneel gebruikt waardoor de
hoeveelheid stroom groter wordt. Als er stroom moet kunnen vloeien moet de transistor T7 geleiden.
Hier zorgt Load 1 voor (Load 1 is een uitgang van de I²C servo aansturing). De servo aansturing wordt
hier gebruikt om de transistor T7 geleidelijk aan te laten geleiden. De pulsen die de servo aansturing
uitstuurt kan men laten variëren tussen 0,5 en 2 ms. Hierdoor is de stroom die wordt uitgestuurd ook
variabel. Met condensator C61 en C62 worden de pulsen die worden gestuurd afgevlakt. Hierdoor
komt er ongeveer een vaste stroom op transistor T7. Met deze stroom kan er dus gekozen worden
hoeveel de transistor T7 geleidt. Hierdoor wordt het zonnepaneel meer of minder belast.
De weerstanden voor de transistor zijn een spanningsdeler om de spanning die uit de servo aansturing
komt te verlagen. R90 vormt samen met de condensators C61 en C62 een Low pass filter (9.2.1.4.).
Deze low pass filter is handig om de hoge pieken weg te filteren. Onder de transistor staat R95. Deze
weerstand dient om de stroom te kunnen meten. De weerstand op k12 zorgt dat het grote vermogen
weg is. Hierdoor kan weerstand R95 een kleine weerstand zijn. De weerstand R95 heeft een waarde
van 0,05Ω waardoor de spanning die erover wordt gemeten 20 (R = I x U) keer kleiner is dan de stroom
die erdoor vloeit. De spanning over deze weerstand wordt dan door weerstand R91 en C60 gefilterd
met een Low pass filter (9.2.1.4.). Zo vangt dit signaal minder fouten op in de omgeving. De spanning
die over deze weerstand staat wordt met opamp (als niet inverterende versterker) IC18 23 keer
versterkt. Dit doet de opamp omdat R92(22 kΩ) + R94(1 kΩ) = 23kΩ en 23kΩ/R94 = 23 keer versterken.
Het signaal dat uit de opamp komt is dus 23/20 keer de spanning die het zonnepaneel uitstuurt. Want
eerst wordt de spanning door de weerstand 20 keer verzwakt waarna het 23 keer wordt versterkt met
de opamp.
Om de spanning over het zonnepaneel te meten wordt IC17 gebruikt. De spanning wordt eerst
verminderd door de spanningsdeler R85 en R88. Dit is omdat het signaal beter gefilterd wordt met de
Low pass filter (9.2.1.4.) als de spanning lager is. De spanning zou ook te groot zijn voor de
microcontroller. Opamp IC17 is terug een opamp als niet inverterende versterker. Deze keer versterkt
de opamp het signaal maar 2 keer. Dit komt omdat R86 + R89 = 2kΩ en 2kΩ/R89 = 2 keer versterken.
Naast elke opamp staat nog een condensator. Deze condensatoren dienen als Low pass filter (9.2.1.4.).
Ze gebruiken de eigenschappen van de opamp om hier een goeie filtering te maken. Dit wordt op de
volgende pagina aangetoond.
𝑈𝑜𝑢𝑡
𝐼 × (𝑅1 + 𝑅2)
=
𝑈𝑖𝑛
𝐼 × 𝑅2
Uout =
𝑈𝑖𝑛(𝑅1 + 𝑅2)
𝑅2
Als de condensator bij het schema van
de opamp wordt gevoegd dan
Uout =
𝑈𝑖𝑛(𝑅1/𝑋𝑐1 + 𝑅2)
𝑅2
Xc1 =
1
2𝜋𝑓𝐿
Fig. 67
Als de frequentie stijgt dan zal Xc1 dalen. Als Xc1 daalt zal Uout dalen. Als Uout daalt dan heb je een
Low pass filter.
Fig. 68
9.2.7. Analoge interface
Er is een analoog gedeelte nodig om fysische waarden om te zetten naar digitale waarden. Om in dit
geval bijvoorbeeld de stroom en de spanning te meten. Dit zijn reële waarden die worden omgezet
naar digitale waarden. Daar dient de digitaal naar analoge converter (IC12) voor.
De analoge multiplexer (IC11) dient om het signaal dat binnenkomt te selecteren. Als er gewisseld
wordt tussen die signalen dan kunnen er 8 signalen bekeken worden op 1 lijn. Er worden slechts 4
signalen gebruikt om de meetwaarden te versturen.
Dit zijn AN1, AN2, AN3 en AN4. De andere analoge
inputs worden gebruikt voor referentiespanningen.
Bij analoge input X0 stuurt men een vaste spanning
van 0,5 Volt door. Bij X1 stuurt men een vaste
spanning van 2 Volt. Deze spanningswaarden worden
gebruikt voor kalibratie van de multiplexer IC11. Bij
elke start van elke meting neemt de multiplexer eerst
de waarden 0,5 en 2 Volt als basis. Hiermee kan hij
dan nauwkeurig zonder dat hij een extra fout uitstuurt
de waarden van AN1, 2, 3, en 4 doorsturen naar X.
Fig. 69
X7 hangt aan de ground. Dit is om de spanning te
meten die de opamp te veel heeft. Als de ingang aan de ground wordt gehangen, dan kan er in de
analoge converter gezien worden hoeveel spanning de schakeling te veel heeft. Voordat al deze
analoge signalen binnen komen in de multiplexer gaan ze eerst nog door een weerstand. Deze
weerstanden dienen samen met de condensatoren als Low pass filters (9.2.1.4.). Het is nodig het
signaal te filteren van hoge frequenties voordat het de multiplexer binnengaat. Want als de
referentiespanningen niet precies zijn dan zou de correctie ook niet correct zijn. Aan de multiplexer is
er een pen EN, deze pen zorgt ervoor dat de multiplexer actief is of niet actief. De enable aan de
multiplexer hangt aan de ground. Omdat de enable geïnverteerd is zal hij steeds actief zijn doordat hij
aan de massa hangt. Want de massa is normaal een 0 maar door het inverteren wordt dit een 1. Boven
de Enable is een Vcc, deze zorgt voor een voeding aan de multiplexer. C29 zorgt ook voor een buffer
(9.2.1.1.) bij de multiplexer. Dit is zodat er terug geen spanningsval is bij de multiplexer.
Met signalen A, B, en C kan men kiezen welke ingang de multiplexer uitleest. Er zijn dus 8 mogelijke
uitkomsten. Want het aantal combinaties dat gemaakt kan worden met 3 cijfers in binaire code is 8.
Signaal A, B en C worden aangestuurd met de controller. De weerstanden R60, R61, en R62 zijn Pullup (9.2.1.3.) weerstanden en dienen om A, B en C te definiëren als de controller niets zou doen. De
code zou dan 3 keer een 1 zijn waardoor de multiplexer aan de onderste pin staat (X7). Dus als de
controller niets stuurt of hij start op dan zal de multiplexer aan de ground staan. Onder de output pin
van de multiplexer staat een VEE pin en een GND pin. Beide pinnen hangen aan de ground. De VEE is
een speciale ground voor de analoge input. Met de VEE kan men de ground van de analoge signalen
scheiden met de ground van de digitale signalen. Bij de ADC worden de analoge en digitale ground
echter samengenomen waardoor VEE hier dus niet wordt gebruikt.
Het signaal dat dan uiteindelijk wordt gekozen met de multiplexer komt uit X. Dit signaal wordt nog
eens gefilterd door een Low pass filter (9.2.1.4.) zodat het zeker storingsvrij is. Het signaal loopt dan
in de opamp als buffer (9.2.1.6.) IC13 waardoor de low pass filter geen stroom kan trekken en dus niet
belast is. Door de opamp wordt het spanningsverlies dat ontstond door de weerstand R71
gecorrigeerd. Men krijgt dan terug de juiste spanning aan de VIN van de analoge digitaal converter.
Het kan lijken dat weerstand R69 een fout zou maken omdat hier een spanning over staat. Maar de
weerstand wordt niet belast omdat het signaal pas na de weerstand wordt teruggestuurd naar de
opamp waardoor de spanning wordt gecorrigeerd. De weerstand R69 dient om nog een Low pass filter
(9.2.1.4.) te vormen met een condensator die zich in de analoge naar digitale converter bevindt. Zo is
het signaal nog meer gefilterd en kan er geen fout ontstaan tussen de opamp en de VIN. Om te zorgen
dat het regelgedrag dat terug wordt gestuurd naar de opamp geen extra fout maakt, wordt er terug
een Low pass filter (9.2.1.4.) gebruikt. Deze filter wordt gevormd met R63 en C26. Naast weerstand
R63 staat een diode (D16). Deze diode dient als beveiliging mocht er meer dan 2,5 Volt op de VIN
komen. De diode gaat namelijk geleiden als de spanning hoger wordt dan 2,5 Volt waardoor de
spanning dan wordt gestuurd naar de VA of de bron van de analoge convertor.
De analoge convertor verandert het analoog signaal dat hij binnenkrijgt op VIN uiteindelijk in een
digitaal signaal. De controller (master) kan dan die waarde opvragen via SDA en SCL waarna de slave
(IC12 of ADC) hem kan sturen. Als het signaal aan de VIN out of range is dan kan de alert pin een signaal
sturen naar de controller. Hier is R67 een Pull-up (9.2.1.3.) weerstand zodat wanneer de alert pin niets
zegt, de controller weet dat er niets gebeurt en er dus een 1 bij de alert staat. Als de controller per
ongeluk de alert pin als een input definieert dan is R109 een bescherming tegen te veel stroom. De
condensatoren C27 en C28 naast de ADC (IC12) dienen als buffer (9.2.1.1.) voor de analoog naar
digitaal converter. Zo kan de ADC geen spanningsval hebben.
Fig. 70
9.2.7.1. Spanningsdeler in het analoge schema
Deze sturing wordt gebruikt om de spanning van 3,3 Volt te delen in 2,5 Volt, 2 Volt en 0,5 Volt. Het is
dus een spanningsdeler.
Spoel L1 wordt gebruikt als RCL (Resistor, Capacitor, Inductor) filter en Low pass filter (9.2.1.4.) samen
met de 2 condensatoren. Condensator C43 en C42 zijn ook 2 condensatoren voor filtering (9.2.1.7.).
Samen met de condensatoren C44 en C40 kan er met weerstand R77 terug een Low pass filter
(9.2.1.4.) gevormd worden. De condensatoren zorgen ook voor een afgevlakt signaal. Naast de
condensatoren staat een zenerdiode. Deze diode slaat door bij een spanning van 2,5 Volt. Zo zorgt hij
ervoor dat de spanning over R78, R81 en R83 2,5 Volt is. Hoe wordt de spanning nu gedeeld? R83 =
1kΩ, R81 = 3kΩ, R78 = 1kΩ. Deze weerstanden zijn dus samen 5kΩ. De spanning over alle 3 de
weerstanden is 2,5 Volt. Als weerstand R78 weggenomen wordt dan zal er maar 4kΩ zijn van de 5kΩ.
Dit is een daling van 20 procent, hierdoor daalt de spanning ook met 20 procent. De spanning over R81
+ R83 is dus 2 Volt. Als R78 en R81 weggenomen worden dan is er een daling van 80 procent van de
oorspronkelijke spanning. Over R83 komt er dus 0,5 Volt te staan. Naast deze weerstanden staan
condensatoren C45 en C46. Deze condensatoren dienen als Low pass filter (9.2.1.4.). Omdat de low
pass filters geen stroom mogen trekken, wordt er 3 keer een opamp als buffer (9.2.1.6.) geplaatst.
Naast deze opamps staan condensatoren C38, C39, C41 en weerstanden R74, R76, R80. Deze
weerstanden en condensatoren dienen als Low pass filter (9.2.1.4.). Hier wordt een low pass filter
gebruikt zodat het signaal dat wordt teruggestuurd naar de opamp gedempt wordt en geen
schommeling doorgeeft. De weerstanden onder deze filter dienen om een extra Low pass filter
(9.2.1.4.) te vormen met de condensators C47, C48, C49. Hierdoor zijn de spanningen steeds vrij van
hoge frequenties als ze uit de spanningsdeler vertrekken.
Fig. 71
9.2.8. Controller
De ESP32 microcontroller kan geprogrammeerd en eventueel gevoed worden door middel van een
USB-C. Deze USB-C is beveiligd met een diode D6 en zenderdiodes D10. De diode D6 zorgt ervoor dat
er geen stroom kan vloeien naar de aangesloten computer. Dit zou kunnen gebeuren wanneer de print
gevoed wordt door een externe bron. De TVS-diodes D10 zijn beschermingen tegen Electro Static
Discharge of ESD. De TVS-diode is een soort zenerdiode die sneller reageert vergeleken met een
normale zenerdiode. Het heeft ook een steiler werkgebied en de doorslag spanning is veel beter
gedefinieerd. Hierdoor zijn ze perfect voor ESD-spanningen. Door de diode kan de ESD-spanning
afgeleid worden naar de ground. Met de USB-C (K8) kunnen er verschillende spanningen gestuurd
worden. Om te weten hoeveel spanning hij mag sturen wordt er gebruik gemaakt van de CC1 en CC2
klem. Door weerstanden aan deze klemmen te hangen kan er gedefinieerd worden hoeveel spanning
er mag gestuurd worden. Dit zijn weerstanden R41 en R42. De spanning die de USB-C hier stuurt is 5,1
Volt. De PC communiceert over de USB-poort een protocol. Om een brug te vormen tussen de USB-C
en controller is een protocol converter IC6 gebruikt. Deze IC heeft 4 signalen, RXD, TXD, BOOT (RTS) en
EN (enable, DTR). De RXD-poort wordt gebruikt om signalen van de controller te ontvangen. De TXDpoort wordt gebuikt om signalen zoals het programma, te versturen naar de controller. Tussen de TXD
van IC6 en de microcontroller zit een weerstand. Deze weerstand is een weerstand die de stroom zou
beperken als het programma TXD per ongeluk als output zou definiëren. Als de TXD aan de
microcontroller gedefinieerd is als een output en zich als 0 definieert dan zou er stroom van de IC6
naar de microcontroller kunnen vloeien waardoor er kortsluiting zou ontstaan.
Wanneer het programma met de TXD-lijn verstuurd wordt naar de controller. Moet het boot-signaal
actief zijn zodat de controller weet dat hij een programma gaat ontvangen. Het signaal geeft dus ook
aan wanneer er een programma wordt verstuurd. Met de LED D9 kan men weten wanneer er een
boot- signaal plaatsvindt. Dit signaal kan ook manueel geactiveerd worden door op knop S2 te drukken.
Bij deze knop wordt er een weerstand gebuikt om de kortsluitstroom te beperken. Wanneer men kort
op de knop van BOOT zou drukken zou er heel kort een signaal zijn. Om te zorgen dat dit signaal niet
wordt geregistreerd is er een condensator geplaatst over de BOOT lijn. Omdat de BT-poort
geïnverteerd is, wordt een laag signaal een actief signaal of een 1. Het enable signaal dient om de
controller te resetten. Als er een nieuw programma wordt geschreven naar de controller moet het
vorige programma eerst verwijderd worden met het EN signaal. Dit signaal kan waargenomen worden
met de LED D8. Het kan ook manueel geactiveerd worden door op knop S1 te drukken. Er staat terug
een weerstand bij deze knop om de kortsluitstoom te beperken. Om te zorgen dat de protocol
converter geen spanningsval krijgt zijn condensatoren C17 en C18 gebruikt als buffer (8.2.1.1.) over de
IC. Om op deze manier te kunnen werken moet de controller al voorzien zijn van een programma dat
weet wanneer het BOOT-signaal of het EN-signaal actief is. Dat programma wordt de bootloader
genoemd. Bij aankoop van de controller staat dit programma er al op. De bootloader controleert de
‘EN’ en ‘BOOT’ inputs en ontvangt het programma via de Rx-pin. Via de Tx-pin worden data
teruggestuurd voor foutcontrole en diagnose.
Naast IC6 staat een kleine IC. Deze IC is de chip waar de 6 inverting schmitt triggers in zitten. 4 van
deze triggers worden gebruikt voor de mechanische drukknoppen. De 2 overblijvende schmitt triggers
hangen aan de ground zodat ze gedefinieerd zijn. De condensator naast deze IC is terug een buffer
(8.2.1.1.) om een spanningsval te vermijden.
De ESP32 of de microcontroller is de chip die het programma uitvoert.
Wanneer er voor het eerst een programma op deze chip wordt gezet
dan kan de LED D7 worden gebruikt om te weten of de
microcontroller werkt. De meeste test programma’s stellen IO2 in
voor bijvoorbeeld een flikkerende LED. Met deze LED kan je dus weten
of de chip goed gesoldeerd is en of er kan geprogrammeerd worden.
Bij de microcontroller staan 2 condensatoren die dienen als buffer
(8.2.1.1.) om spanningsval te vermijden, dit zijn C14 en C15. Aan
sommige inputs van de microcontroller hangen weerstanden. Dit zijn
Pull-up (9.2.1.3.) weerstanden. Ze zorgen ervoor dat het signaal
gedefinieerd is wanneer de lijn niet actief is.
Fig. 72
Hier zijn nog enkele functies van de ESP 32
Extra uitleg over de ESP32 kan gevonden worden op https://en.wikipedia.org/wiki/ESP32 .
Fig. 73
Fig. 74
9.2.9. Keys
De keys dienen om mechanische knoppen op aan te sluiten. Wanneer je een mechanische knop
gebruikt, ontstaat er een contact die een stroom stuurt waardoor hij een 1 geeft. Maar omdat dit een
mechanisch contact is, wisselt het tussen verbinden en niet verbinden (dit wordt denderen genoemd).
Hierdoor is er niet meteen een positief signaal als men op de knop drukt. Het signaal wisselt dus
kortstondig tussen aan, uit, aan, uit. De keys zorgen ervoor dat deze nevenwerking wordt weggewerkt.
Aan de connector P3 kunnen er 4 knoppen
worden aangesloten. Elke knop heeft een apart
schema, dit kun je duidelijk zien. R54 in het
onderste schema links zorgt ervoor dat de
condensator C24 kan worden opgeladen. Als er op
knop S2 wordt gedrukt dan wordt S2 aan de
ground geschakeld. Hierdoor ontlaadt de
condensator C24 zeer snel. Maar doordat het
signaal dendert wordt S2 terug positief voor een
zeer korte tijd. De condensator C24 laadt dan
terug op. De Smith trigger zorgt ervoor dat het
signaal pas wordt doorgestuurd als de
condensator een bepaalde waarde kan bereiken.
Hierdoor zal bij het denderen geen signaal worden
doorgestuurd omdat de condensator bij het
denderen nooit helemaal kan opladen. De Smith trigger inverteert het signaal. Waardoor een positieve
condensator (1 geïnverteerd dus 0) een niet ingedrukte knop is (0). Als er op de knop wordt gedrukt
dan zal de LED D14 aangaan doordat het signaal positief is. R58 dient om de stroom in de LED te
beperken zodat deze niet kapot springt.
Fig. 76
Fig. 75
9.2.10. Beeper
De beeper, LS1 is een element dat geluid kan maken.
Wanneer de MOSFET geleidt, kan er een stroom vloeien naar de ground waardoor de beeper geluid
geeft. Om de MOSFET te doen geleiden, wordt er een spanning op de gate gestuurd. Dit signaal komt
van de microcontroller. R53 onder de MOSFET dient als weerstand die de gate met de source verbindt.
zodat de MOSFET niet aanschakelt door de pull up
weerstand van de ESP32. Er zit namelijk een pull up
weerstand over de transistor van de Vcc (Dit is bij elke
digitale uitgang van de controller) zie: Output configuratie
van een IC (9.2.1.2.). Door die weerstand zou de MOSFET
een spanning krijgen waardoor het een geluid zou geven. De
weerstand R53 zorgt dat deze spanning te klein wordt om de
MOSFET te laten geleiden en werkt dit geluid dus weg. De
diode over de beeper dient om spanningen over de beeper
weg te leiden naar de bron. De beeper kan bewegen
waardoor er storingen kunnen ontstaan en hij spanning kan
maken. Als diode D11 hier niet zou staan dan zouden deze
Fig. 77
spanningen de MOSFET kapot maken.
9.2.11. Temperatuursensor LM75
De temperatuursensor dient om temperatuur van de print te meten. Condensator C21 dient als buffer
(9.2.1.1.) voor de temperatuursensor. Zo krijgt hij geen spanningsval door de te lange geleiders naar
de voeding van de temperatuursensor. De sensor werkt met I²C waardoor hij gemakkelijk kan
communiceren met de microcontroller. Hij kan makkelijk temperaturen meten van -55°C tot 125°C en
heeft een nauwkeurigheid van ongeveer 0,25°C. A0, A1, A2, dienen om meerdere temperatuur
sensoren aan 1 esp te verbinden. Met deze 3 ingangen kan men de laatste 3 bits van het adres
veranderen waardoor er 8 verschillende temperatuur sensoren aan 1 controller verbonden kunnen
worden.
Fig. 78
9.2.12. Bidirectionele level shifter
Connector K11 wordt gebruikt om een lcd-scherm op aan te sluiten. Dit scherm kan gebruikt worden
om bijvoorbeeld de waarden van de temperatuur op te zetten. Het LCD wordt gevoed met 5 Volt. Maar
het signaal van de processor is slechts 3,3 Volt. Hiervoor zijn 2 level-shifters nodig om deze
communicatie te volbrengen.
Een level shifter bestaat uit 2 Pull-up (9.2.1.3.) weerstanden en een N-channel MOSFET. De pull up
weerstanden zorgen ervoor dat als er niets gebeurt beide ingangen en uitgangen een logische 1
aangeven. Wanneer er een logische 0 wordt verstuurd uit de controller dan is de spanning over de
drain source 3,3 Volt waardoor de MOSFET gaat geleiden. Dan kan de 5 Volt langs de MOSFET naar de
ground bij de controller lopen. Hierdoor is het signaal bij de LCD een logische 0. Wanneer er een
logische 0 uit de LCD wordt verstuurd dan kan de 3,3 Volt van de controller langs de diode die over de
MOSFET staat, geleiden. Dus dan is het signaal ook langs de controller een logische 0. Wanneer er een
logische 1 bij de controller of de LCD staat dan is er uiteraard ook een logische 1 aan de andere kant.
De pull up weerstanden zorgen ervoor dat beide elementen gedefinieerd zijn als een logische 1.
Fig. 79
10. Besluit
De vraag of er meer energie kan opgewekt worden met draaibare zonnepanelen werd in dit
eindwerk onderzocht en succesvol beantwoord. Een draaibaar zonnepaneel kan duidelijk meer
energie opwekken dan hetzelfde paneel op een statische constructie.
Theoretisch werd berekend dat een dynamisch zonnepaneel tot 87 procent rendabeler is dan een
statisch zonnepaneel.
Het praktisch onderzoek dat bij dit eindwerk hoort kon wegens tijdsgebrek nog niet afgewerkt
worden en zal later verdergezet worden.
Tijdens het onderzoek kwam het besef dat het opstellen van de functie die de beweging van de zon
in de ruimte beschrijft helemaal niet eenvoudig is. Daarom werd er voor de uitwerking van dit
eindwerk naar een eenvoudigere manier gezocht om deze input op te lossen.
11. Bijlagen Algemene Vakken
11.1.
Français
1. C’est quoi?
Faire tourner un panneau solaire.
2. Décrivez votre épreuve intégrée en français.
Mon travail de fin d'études porte sur le panneau solaire. Les panneaux solaires sont l'un des
éléments les plus utilisés pour produire de l'énergie de manière gracieuse. Mais comment
obtenir plus d'énergie du panneau solaire ? Dans ma thèse, je place un panneau solaire sur
des axes de rotation afin qu'il soit toujours perpendiculaire au soleil. Comme le soleil est
alors moins réparti sur le panneau, il génère également plus d'énergie. Mon GIP traite
principalement de la manière de placer un panneau solaire sur un axe pivotant et de la
question de savoir s'il serait rentable de le faire.
Pour déterminer combien d'énergie supplémentaire on peut générer en faisant tourner un
panneau, 2 montages ont été réalisés. tous deux avec le même panneau solaire. 1 montage
statique, avec lequel on génère alors une quantité d'énergie ordinaire comme tout panneau
solaire. Et 1 panneau solaire dynamique. Le panneau dynamique est utilisé pour voir
combien d'énergie on génère avec un mouvement de rotation. Lorsque nous comparons ces
2 dispositions entre elles, nous pouvons alors calculer la différence de rendement effectif.
Grâce à ce projet, j'ai appris à programmer et à travailler avec un programme de dessin pour
dessiner des circuits imprimés. Pour finir, de nombreuses compétences ont été améliorées
et formées.
3. Vous faites une liste de 20 mots (français/néerlandais) qui ont quelque chose
à voir avec votre épreuve intégrée.
Zonnepaneel
panneau solaire
servomotor
servomoteur
monokristallijn
monocristallin
polykristallijn
polycristallin
thermisch
thermique
printplaat
circuit imprimé
Componenten
Composants
kompas
boussole
wattpiek
pic de watt
rendement
efficacité
microcontroller
microcontrôleur
programmeren
programmation informatique
hellingshoek
angle d'inclinaison
Massatraagheidsmoment
moment d'inertie
Hoekversnelling
accélération angulaire
Wrijving
friction
test opstelling
dispositif de test
Kostprijs
Coût
Vermogen
Puissance
Zonnesterkte
force solaire
11.2.
English
1. What is a solar panel ?
Running a solar panel.
2. Describe your integrated test in English.
My diploma work is about the solar panel. Solar panels are one of the most used elements to
produce energy in a graceful way. But how do you get more energy from the solar panel? In
my thesis, I place a solar panel on rotating axes so that it is always perpendicular to the sun.
As the sun is then less distributed over the panel, it generates more energy. My GIP is mainly
about how to place a solar panel on a rotating axis and whether it would be profitable to do
so. I also discuss how my installation is put together and what types of solar panels there
are. To find out how much extra energy can be generated by rotating a panel, 2 set-ups were
carried out. Both with the same solar panel so that there is no difference in the amount of
energy generated. 1 static set-up, with which an ordinary amount of energy is generated like
any solar panel. And 1 dynamic solar panel. The dynamic panel is used to see how much
energy is generated with a rotational movement. When we compare these 2 arrangements
with each other, we can then calculate the difference in effective efficiency. Through this
project, I learned how to program and work with a drawing program to design printed circuit
boards. In the end, many skills were improved and trained.
3. You make a list of 20 words (French/Dutch) that have something to do with
your integrated test.
Zonnepaneel
solar panel
Servomotor
Servomotor
Monokristallijn
Monocrystalline
Polykristallijn
Polycrystalline
Thermisch
Thermal
Printplaat
printed circuit board
Componenten
Components
Kompas
Compass
Wattpiek
Watt peak
Microcontroller
Microcontroller
Programmeren
computer programming
Hellingshoek
angle of inclination
Massatraagheidsmoment
moment of inertia
Hoekversnelling
angular acceleration
Wrijving
Friction
test opstelling
test device
Kostprijs
Cost
Vermogen
Power
Zonnesterkte
solar power
12. Problemen
12.1.
Berekeningen
12.1.1. Kostprijs voor een draaiend systeem
Om te berekenen hoeveel koppel de servomotoren nodig hadden werd aangenomen dat de
wrijving zeer klein zou zijn. Omdat de hoekversnelling echter zo klein is werd de wrijving de
grotere kracht. Dit moest nog in rekening gebracht worden.
Bij de berekening van het massatraagheidsmoment werd een fout gemaakt. De breedte en
lengte werden vermenigvuldigd in plaats van opgeteld. Dit zorgde ervoor dat de momenten
berekend met de hoekversnelling veel te groot waren.
12.1.2. Berekeningen hoger rendement
Ook het rendement berekenen van het statische zonnepaneel was moeilijk. Omdat er een x-as
en y-as is, is de oppervlakte waar de zon op schijnt eigenlijk een vierhoek, geen rechthoek. Dit
werd opgelost door eerst 2 functies te zoeken van de x en y-as. daarna werden deze 2 functies
vermenigvuldigd waardoor je een oppervlakte van een steeds varierende vierhoek bekomt.
12.1.3. Berekeningen plaats zon
Om te berekenen waar de zon staat op elk moment van de dag waren er het meeste
problemen. Eerst trachtte ik deze berekeningen zelf op te lossen. Na enkele dagen kwam het
besef dat dit te ingewikkeld is. Toch werd er al een heleboel berekend. Deze vindt u terug in de
bijlage: ‘Berekeningen plaats zon onafgewerkt’. Uiteindelijk leek dit verloren tijd, niet nuttig
voor het eindwerk, toch leerde ik hier een heleboel mee. Bijvoorbeeld hoe complex de
bewegingen eigenlijk zijn en hoe ingewikkeld wiskundige functies kunnen worden.
Dankzij Vincent Vergalle die een mail stuurde naar Koen Malfait werden er toch enkele
websites gevonden waarmee je een tabel kan genereren van 1 dag. Wanneer er tijdens het
project gezocht werd naar zo’n websites werd er echter niets gevonden, waarschijnlijk omdat
deze websites te ver in google stonden.
12.2.
PowerPoint
De PowerPoint duurde oorspronkelijk 25 minuten. Dit bleek te lang, waardoor er heel wat dingen
werden weggelaten. De berekeningen werden niet meer volledig uitgelegd, behalve de variabelen.
Er moest meer tijd gespendeerd worden aan uitleg over het ontwerp dat gemaakt werd.
12.3.
Kostprijsberekeningen
Om de kostprijs te berekenen in functie van het gewicht van het zonnepaneel waren er enkele
problemen. Wanneer er gestart was met de berekeningen werd de kostprijs veel te vroeg
besproken. Dit zorgde ervoor dat wanneer er een klein foutje in de berekeningen zat de getekende
functies helemaal opnieuw bewerkt moesten worden. Hierdoor werd er een apart deel gemaakt in
het verslag voor de kostprijsberekeningen. Uiteindelijk moesten de functie 3 maal hertekend
worden.
12.4.
Programmeren
Om alle codes te programmeren was er heel veel tijd nodig. Dit was de eerste keer dat ik werkte
met Arduino of enige andere code. Tijdens het programmeren moesten er vele libraries toegevoegd
worden aan Arduino. Deze libraries moest ik dan ook weer verstaan.
Tijdens het programmeren van de servomotoren besefte ik dat er geen continue servomotor kan
gebruikt worden omdat men deze niet kan programmeren op hoek maar enkel op snelheid.
Hierdoor moest de servomotor van de x-as vervangen worden. Ook de servomotor van de Y-as
moest vervangen worden omdat die niet werkte.
12.5.
Metingen
Het oorspronkelijke idee om via een batterij gekoppeld aan de zonnepanelen, te meten hoeveel
energie er opgewekt wordt, bleek onmogelijk. Wanneer een batterij oplaadt gebeurt dit volgens
een bepaalde vaste spanning. Omdat de spanning en stroom die het zonnepaneel genereert
variabel is, kunnen deze waarden niet met elkaar vergeleken worden. Men moet eerst het
maximale vermogen die het paneel kan leveren zoeken door een weerstandswaarde steeds te doen
stijgen zodat de belasting groter en groter wordt.
13. Bronnen:
13.1.
Video’s
Wikipedia. (19 apr 2017 00:39). ENERGIE- Hoe halen we zoveel mogelijk energie uit de zon? [Video].
Geraadpleegd op 30 september 2022 Geraadpleegd van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:ENERGIE_Hoe_halen_we_zoveel_mogelijk_energie_uit_de_zon-.webm
13.2.
Uitleg zonnepanelen
Wikipedia. (22 december 2022). Zonnepaneel. Geraadpleegd op 30 september 2022, van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnepaneel
Wikipedia. (10 mei 2023). Wattpiek. Geraadpleegd op 3 oktober 2022, van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Wattpiek
Wisselo Duurzame Energie. (z.d.). PV-panelen weetjes. Geraadpleegd op 3 oktober 2022, van
http://wisselo-duurzameenergie.nl/zonnepanelen/pv-panelen-weetjes/
Zonnepanelen-Xtra. (2021). Amorf. Geraadpleegd op 5 mei 2023, van https://www.zonnepanelenxtra.nl/amorf/
Woonbewust. (2023). Soorten zonnepanelen. Geraadpleegd op 3 oktober 2022, van
https://woonbewust.nl/soortenzonnepanelen#:~:text=CIGS%20cellen%20hebben%20in%20het,op%20verschillende%20golflengtes
%20licht%20reageren.
Zonnepanelen.net. (2023). CIGS-zonnepanelen. Geraadpleegd op 20 oktober 2022, van
https://www.zonnepanelen.net/cigs-zonnepanelen/
Warmerhuis. (2023). Dunne film zonnepanelen. Geraadpleegd op 18 oktober 2022, van
https://warmerhuis.be/dunne-film-zonnepanelen
Borgo Elektriciteit. (z.d.). Zonnepanelen installeren. Geraadpleegd op 10 november 2022, van
https://www.borgo-elektriciteit.be/elektricien-diensten/zonnepanelen-installeren
Nova-Eco. (2023). Amorf zonnepanelen. Geraadpleegd op 11 november 2022, van
https://www.nova-eco.nl/projecten/zonnepanelen/amorf-zonnepanelen/
Zonnepanelenkopen.be. (z.d.). Soorten zonnepanelen. Geraadpleegd op 30 november 2022, van
https://www.zonnepanelenkopen.be/zonnepanelen-systeem/soortenzonnepanelen/#monokristallijn
Zonnepanelen-info.nl. (2023). De temperatuur-coëfficiënt: waarom wordt het steeds belangrijker?
Geraadpleegd op 30 november 2022, van https://www.zonnepanelen-info.nl/blog/de-temperatuurcoefficient-waarom-wordt-het-steedsbelangrijker/#:~:text=De%20temperatuur%2Dco%C3%ABffici%C3%ABnt%2C%20ook%20wel,Watt%2
0per%20vierkante%20meter%20zonnepaneel.
13.3.
Berekeningen statische zonnepaneel
Bolt Energie. (2023). Tarief. Geraadpleegd op 4 januari 2023, van
https://www.boltenergie.be/nl/tarief?lead_source=Google%20CPC&gclid=Cj0KCQjw7KqZBhCBARIsA
I-
fTKInLjWFyCHBZ5BSsT0ccqgJ81nBfaez7t2tSBwZsrHem0RL8RkUFg0aAusfEALw_wcB&utm_mdm_par
dot=cpc&source_type=Pull&source_type=Pull&simulation_so=Google%20CPC%20Generic&utm_src
_pardot=google
Luminus. (2023). Rendement. Geraadpleegd op 4 januari 2023, van
https://www.luminus.be/nl/prive/energiebesparen/zonnepanelen/rendement/#:~:text=In%20Belgi%C3%AB%20kan%20je%20per,te%20delen
%20door%20365%20dagen.
Zonnepanelen-gids.be. (2023). Opbrengst zonnepanelen. Geraadpleegd op 10 januari 2023, van
https://www.zonnepanelen-gids.be/prijs-zonnepanelen/opbrengst-zonnepanelen/
Zonnepanelen-info.be. (2023). Zonnepanelen rendement. Geraadpleegd op 20 februari 2023, van
https://www.zonnepanelen-info.be/zonnepanelen-rendement/
Boekhouden in Excel. (2023). Terugverdientijd zonnepanelen. Geraadpleegd op 20 februari 2023,
van https://www.boekhoudeninexcel.nl/product/hypotheek-en-wonen/terugverdientijdzonnepanelen/
ConvertUnits. (z.d.). Convert kg-cm to N-m. Geraadpleegd op 5 maart 2023, van
https://www.convertunits.com/from/kg-cm/to/N-m
Smart Circulair. (2019). Twente installaties: Zonnepanelen berekening, voorbeeld en uitleg.
Geraadpleegd op 5 maart 2023, van https://www.smartcirculair.com/wpcontent/uploads/2019/06/Twente-installaties-Zonnepanelen-berekening-voorbeeld-en-uitleg.pdf
13.4.
Berekeningen waar staat de zon
SunCalc. (z.d.). SunCalc - sunrise, sunset, shadow length, solar eclipse, sun position, sun phase, sun
height, sun calculator, solar eclipse, altitude, photovoltaic system, photovoltaic. Geraadpleegd op 5
mei 2023, van https://www.suncalc.org/#/50.8558,2.7269,11/2023.01.15/17:34/1/3
SunEarthTools. (4 mei 2004). Sun position. Geraadpleegd op 6 april 2023, van
https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php#table
13.5.
Berekeningen draaiende zonnepaneel
NEMO Kennislink. (z.d.). Hoe hoog komt de zon vandaag? Geraadpleegd op 6 april 2023, van
https://www.nemokennislink.nl/publicaties/hoe-hoog-komt-de-zon-vandaag/
Wikipedia. (2022, 20 oktober). Ecliptica (astronomie). Geraadpleegd op 8 april 2023, van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Ecliptica_(astronomie)
Wikipedia. (2019, 15 juni). Bestand:Earth-lighting-summer-solstice NL.png. Geraadpleegd op 5 mei
2023, van https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/Earth-lighting-summersolstice_NL.png
Wikiwijs. (z.d.). Atlasvaardigheden: Basisbosatlas. Geraadpleegd op 10 april 2023, van
https://maken.wikiwijs.nl/74289/atlasvaardigheden_basisbosatlas#!page-1838523
Hemel.waarnemen.com. (20/05/2023). Waarom is de zon 's morgens en 's avonds roder dan
overdag? Geraadpleegd op 10 april 2023, van http://hemel.waarnemen.com/FAQ/Zon/005.html
Wiskunde Interactief. (z.d.). De goniometrische functies: sinus. Geraadpleegd op 10 april 2023, van
https://wiskunde-interactief.be/0fu_5gon_sinustransf.htm
GeoGebra. (z.d.). Zon en schaduw. Geraadpleegd op 12 april 2023, van
https://www.geogebra.org/m/PBG8tVE9#:~:text=helling%20%3D%2023%2C5%C2%B0%3A%20De%2
0zon%20staat%20loodrecht%20op,5%C2%B0%20ZB%20(%3D%20steenbokskeerkring)
Wikipedia. (2022, 11 april). Tropisch jaar. In Wikipedia. Geraadpleegd op 15 april 2023, van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Tropisch_jaar
Wikipedia. (2022, 18 maart). Schrikkeljaar. In Wikipedia. Geraadpleegd op 17 april 2023, van
https://nl.wikipedia.org/wiki/Schrikkeljaar
Wadgidsenweb.nl. (18 november 2021). Zon op en onder Wadden. Geraadpleegd op 20 april 2023,
van https://www.wadgidsenweb.nl/zon-en-maan-wadden/839-zon-op-en-onder-wadden.html
Designerdata.nl. (z.d.). Bereken het massatraagheidsmoment van een rechthoekige vorm.
Geraadpleegd op 5 mei 2023, Van
https://designerdata.nl/calculatoren/massatraagheidsmoment/rechthoekige-vorm
13.6.
Hulpmiddelen
Mike Janssens. (z.d.). Voorbeeld eindwerk. Geraadpleegd op 5 september 2022, van
https://www.scribd.com/document/39823715/voorbeeld-eindwerk
Laisa Niemegeerts. (2018-2019). Eindwerk 6de middelbaar euthanasie. Geraadpleegd op 5
september 2022, https://knoowy.be/doc/42532/Eindwerk-6de-middelbaar-euthanasie
14. Schema’s
Fig. 80
Fig. 81
Fig. 82
Fig. 83
15. Stuurprint
Fig. 84
Fig. 85
15.1.
Bottom Layer
Fig. 86
15.2.
Top Layer
Fig. 87
16. Arduino
16.1.
Beweging van de servomotoren
Fig. 88
16.2.
Tabel uitlezen
Dit wordt later onderzocht.
16.3.
Fig. 89
De tijd uitmeten
Fig. 90
16.4.
De stroom meten
Dit wordt later onderzocht.
16.5.
De spanning meten
Dit wordt later onderzocht.
16.6.
Fig. 92
Totaal vermogen berekenen
Dit wordt later onderzocht.
16.7.
Fig. 91
Fig. 93
De stroom en spanningspiek van het paneel vinden
Dit wordt later onderzocht.
Fig. 94
17. Bijlage
In deze bijlage vindt u enkele bestanden terug die niet werden gebruik in de uiteindelijke bundel. Dit
waren doodlopende wegen of onnuttige onderzoeken.
17.1.
Kostprijs Y - as
Bij de berekeningen van de Y – as zagen we dat als de breedte, dikte en het gewicht van het
zonnepaneel variabele zijn dat:
𝑀 = 7,27 ∗ 10−5 ∗
𝑚 ∗ (𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 2 + 𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 2 )
∗ 10−6 𝑁𝑚
12
Om de kostprijs van een paneel met massa m te bepalen moet de dikte en de breedte in verhouding
worden geplaatst met de massa van het paneel.
Als je even op het internet de gegevens van enkele zonnepanelen bekijkt, hoeveel ze wegen en
meten. Dan zie je dat.
Fig. 95
Als je de totale breedte en de dikte in verhouding plaatst met het totale gewicht dan 𝑏𝑟𝑒𝑒𝑑𝑡𝑒 =
7284 ∕ 150,9 = 48,27 ∗ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 = 333⁄150,9 = 2,206 ∗ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
Hierdoor wordt
𝑀 = 7,27 ∗
𝑚 ∗ ((2,206𝑚)2 + (48,27𝑚)2 )
∗ 10−11 𝑁𝑚
12
Als deze functie wordt uitgetekend zien we dit
Fig. 96
De y as is het aantal newton meter die nodig is om het zonnepaneel van x kg te laten
draaien.
De x-as is het gewicht van het paneel in kg.
Fig. 97
De grafieken die je hier bekomt zijn niet helemaal correct. Want als je een zonnepaneel van
bijvoorbeeld 60 kg neemt dan zou de dikte oplopen tot 2,206*60 = 132,36mm. In realiteit
zou het paneel nooit zo dik worden. De maximale dikte van een zonnepaneel zou misschien
60 mm zijn.
De breedte van het paneel staat steeds in verhouding met de grote van het paneel. Hier
moet men dus geen rekening houden dat het te groot wordt.
2,2060𝑥 = 60
𝑥 = 27,199
We mogen de momentele functies dus alleen tot 27,199kg geloven. Na dit gewicht neemt
men best een andere functie met als breedte 60mm.
Fig. 98
Als er een paneel is die minder weegt dan 27,199kg dan moet men kijken op functie 1 om te
weten hoeveel koppel men nodig heeft. Als het paneel meer weegt dan 27,199kg dan kijkt
men naar functie 2 om het koppel af te lezen.
nu vervang je het koppel door de kostprijs van een servo. Zoals eerder vermeld kost een
servo ongeveer 0,93 euro per kg/cm. Kg/cm naar Nm is maal 9,81 en delen door 100. Dus dit
wordt dan 0,091233 euro per Nm. De y as moet men dus 10,96 keer uitrekken.
Dus als ik nu een zonnepaneel heb van 400 kg dan kan ik meteen zien in de grafiek dat dit me
ongeveer 0,09 euro zal kosten om de servomotor voor de y – as te kopen.
Fig. 99
Fig. 100
17.2.
Kostprijs X – as
Om de kostprijs van de x as in verhouding te zetten met het gewicht van het zonnepaneel was er te
weinig tijd. Dit zou ook redelijk complex worden omdat we hier met meerdere massatraagheden
zitten. Deze berekeningen zouden ook alleen relevant zijn voor systemen die op dezelfde manier het
paneel draaien zoals ik dit deed. Bij duurdere en zwaardere panelen zal er hoogstwaarschijnlijk
geopteerd worden voor een ander soort systeem. Hierdoor zijn deze berekeningen wat nutteloos en
besloot ik om dit weg te laten uit mijn eindwerk.
17.3.
Berekeningen waar de zon staat
De functie berekenen van waar de zon staat was oorspronkelijk een hoofdonderzoek van het
eindwerk. Tijdens het zoeken naar deze berekeningen kwam het besef dat dit veel ingewikkelder is
dan gedacht. Hier vindt u kladbladen terug van wat er toen werd geprobeerd.
Fig. 101
Fig. 102
Fig. 103
Fig. 104
Fig. 105