LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Zo bouw je een klein zonnesysteem

Sat, 20 Jul 2024 00:00:00 +0000

Afbeelding: een zonnepaneel met laadregelaar en loodzuurbatterij. Foto door Marie Verdeil.

Lezers vertelden me dat ze graag kleinschalige fotovoltaïsche installaties willen bouwen zoals de systemen die Low-tech Magazine’s website en kantoor van stroom voorzien. Alleen weten ze niet waar te beginnen en welke onderdelen te kopen. Deze handleiding brengt al die informatie samen: wat je nodig hebt, hoe alles te bedraden, wat de ontwerp-opties zijn, waar je zonnepanelen plaatst, hoe je stroom splitst en meetinstrumenten installeert. Het gaat in dit artikel over zonne-energiesystemen die batterijen opladen en eenvoudigere configuraties die geen batterij nodig hebben.

Conventionele PV-installaties worden op daken en in velden geïnstalleerd. Ze zetten de gelijkstroom (DC) elektriciteit die zonnepanelen produceren om in wisselstroom (AC) waarop de meeste apparaten werken. ’s Nachts en bij slecht weer vallen ze terug op het electriciteitsnet. Niets van dat in de kleine systemen die we in deze handleiding bouwen. Deze systemen zijn volledig onafhankelijk van het electriciteitsnet, werken zuiver op gelijkstroom, en voorzien geen hele huishoudens of steden van elektriciteit, maar eerder een kamer, een verzameling toestellen, of een specifiek toestel. Kleinschalige zonne-installaties als deze zijn een extreme vorm van gedecentraliseerde energievoorziening.

Het meeste werk bij het bouwen van een klein zonnesysteem is het kiezen van de juiste onderdelen en het bouwen van de structuur voor het zonnepaneel. De bedrading is redelijk eenvoudig, tenzij je een uitgebreid controlepaneel wil. Je hebt ook weinig gereedschap nodig: een striptang, een paar schroevendraaiers (ook kleintjes) en een houtzaag zijn onmisbaar. Een soldeerbout, een tang en een multimeter zijn handig, maar niet noodzakelijk.

Voor je begint: veiligheid

Bij gelijkstroom met lage spanning bestaat er geen risico op een fatale elektrische schok. Dat geldt zeker voor systemen die op 12 volt (V) werken. Afhankelijk van de elektrische geleiding van je lichaam (en andere factoren) mag er tot 20-50V door je lichaam stromen vooraleer je het met je leven bekoopt.¹

Toch hebben laagspanning zonne-energieysystemen ook risico’s. De grootste gevaren zijn pijnlijke elektrische schokken (niet dodelijk), brand, ontplofte batterijen en schade aan onderdelen. Als je je aan een paar simpele regels houdt, hoef je je geen zorgen om te maken. In al mijn zonne-energie-experimenten de voorbije zeven jaar heb ik nooit brand veroorzaakt of een schok gevoeld (maar wel een paar onderdelen kapot gemaakt).

Raak elektrische onderdelen nooit aan met natte handen.
Raak nooit het ontblootte stuk van een positieve en negatieve draad tegelijkertijd aan. Je wordt deel van het elektrische circuit en krijgt een elektrische schok. Het is geen enkel probleem om één draad aan te raken. Hetzelfde geldt voor batterij-uitgangen: één aanraken kan, twee tegelijk niet.
Verbind een positieve draad nooit met een negatieve draad. Dat veroorzaakt kortsluiting wat kan leiden tot een elektrische schok, schade aan onderdelen, brand of een ontplofte batterij. Gebruik verschillende kleuren voor positieve en negatieve draden en houd je daaraan.
Stop altijd een zekering in je zonnesysteem.
Zorg ervoor dat je kabels dik genoeg zijn.
Verbind een zonnepaneel nooit rechtstreeks met een batterij. Gebruik een laadregelaar tussenin.
Plaats een loodzuurbatterij nooit in een afgesloten container.

Voor je begint: laagspanning of hoogspanning?

Elektrisch vermogen (uitgedrukt in watt) staat gelijk aan stroom (in ampère) vermenigvuldigd met spanning (uitgedrukt in volt). Elektrisch vermogen (W) kan dus refereren naar een lage spanning (V) met een hoge stroom (A) of een hoge spanning met een lage stroom. Conventionele zonne-installaties voor thuisgebruik hebben altijd een transformator die de lage spanning (gelijkstroom) van een zonnepaneel omzet in de hogere spanning (wisselstroom) die door meeste apparaten gebruikt wordt. Je kan hetzelfde doen voor een klein zonnesysteem, maar het is beter om de transformator weg te laten en rechtstreeks met gelijkstroom en laagspanning aan de slag te gaan.²³ Dat is ook het type elektrische installaties dat je in auto’s, vrachtwagens, zeilboten, caravans en kampeerwagens vindt.

Vermogen (watt) = V (volt) x A (ampère)

De transformator weglaten heeft veel voordelen. In de eerste plaats maakt het de zonne-installatie goedkoper, want transformators zijn duur. Ten tweede verhoogt het de energie-efficiëntie van het hele systeem. Laagspanningsgelijkstroom omzetten naar hoogspanningswisselstroom kan tot 50 procent energieverlies met zich meebrengen in kleine zonnesystemen.

Hoogwaardige omvormers (“inverters”) kunnen meer dan 90% efficiënt zijn wanneer ze hun capaciteit volledig benutten. Wanneer de elektrische lading echter ver onder de maximumcapaciteit ligt van de transformator (wat vaak het geval is met kleine zonnesystemen), dan daalt de efficiëntie snel. Bovendien is er vaak extra energieverlies (5-15%) in het omzetten van AC naar DC omdat vele moderne toestellen intern op laagspanning werken. Dat energieverlies vindt plaats in de AC/DC-adapter van het toestel.

Hoogspanningswisselstroom (220-240V in Europa, 110V in de VS) is het resultaat van meer dan een eeuw gecentraliseerde energieproductie.² Elektriciteitscentrales die op fossiele brandstoffen draaien worden energie-efficiënter naarmate ze groter worden. In die zin is het logisch een aantal grotere centrales te bouwen en de energie te verdelen over een regio. Omdat energieverlies door weerstand evenredig is met het kwadraat van de stroom, zijn hoge spanningen de sleutel tot energie-efficiënte stroomoverdracht over langere afstanden.

Zonne-energie maakt deze aanpak overbodig. In tegenstelling tot een fossiele energiecentrale of een windmolen, hangt de efficiëntie van een zonnepaneel niet af van het formaat. Omdat de energie van zonnepanelen ter plekke gebruikt kan worden, is het bovendien niet nodig om zonne-energie om te zetten in hoogspanning en deze over grote afstanden te transporteren.

Je kan energieverliezen vermijden en een energie-efficiënter systeem creëren door een apparaat dat op gelijkstroom werkt rechtstreeks te koppelen aan een zonnepaneel. Praktisch gezien kan je hetzelfde toestel dan met een kleiner zonnepaneel van stroom voorzien, omdat er geen energieverlies is. Dit veronderstelt wel dat je toestellen met een laag voltage gebruikt. Je kan er bij gebrek aan alternatieven uiteraard voor kiezen af en toe een omvormer in te pluggen om een bepaald toestel te doen werken. Koop in dat geval geen te krachtige omvormer, want die moet op volle kracht draaien om efficiënt te zijn. Ik heb nog geen omvormers gevonden onder de 150 watt.

Voor je begint: heb je echt een batterij nodig?

De zon schijnt niet altijd. Vooral ’s nachts niet. Voeg je een batterij en een laadregelaar toe aan je zonnesysteem, dan kan je de verzamelde zonne-energie ook na zonsondergang gebruiken. Helaas zijn batterijen duur, kost de productie ervan veel energie, en hebben ze een korte levensduur.⁴ Batterijen zijn verantwoordelijk voor 80-90% van de totale kosten en geïnvesteerde energie over de gehele levensduur van een off-grid zonnesysteem.⁵ Ze introduceren ook laad- en ontlaadverliezen, die moeten worden gecompenseerd door grotere zonnepanelen. Voor loodzuurbatterijen, de meest kostenefficiënte optie, kunnen deze verliezen oplopen tot 20-30%.

Batterijen zijn verantwoordelijk voor 80-90% van de totale kosten en geïnvesteerde energie over de gehele levensduur van een off-grid zonnesysteem.

Deze handleiding is geen argument tegen energieopslag, die voor sommige toestellen zeker handig is. Maar vaak is het mogelijk een fotovoltaïsch zonnesysteem te bouwen zonder energieopslag. Zulke ‘directe’ zonnesystemen zijn goedkoper, sneller en eenvoudiger te maken. Met directe zonnestroom kan je overdag een waaier aan apparaten gebruiken, zelfs krachtige toestellen. Voorbeelden zijn elektrisch gereedschap en werkplaatsgereedschap, geluidssystemen en ventilatoren. Andere toestellen, zoals koelkasten, kooktoestellen en verwarmingssystemen, kunnen directe zonnestroom in combinatie met warmte- of koudeopslag gebruiken als goedkoop en duurzaam alternatief voor batterijen.⁶

Een deel van het geld dat je aan batterijen uitspaart, kan je uitgeven aan grotere zonnepanelen, waarmee je de stroomvoorziening vergroot bij minder optimaal weer. Een direct zonnesysteem kan dus perfect werken bij bewolkt weer, ook al werkt het niet tussen zonsondergang en zonsopgang. Deze aanpak werkt ook bijzonder goed voor het opladen van apparaten met batterijen, zoals smartphones, tablets, laptops, fietsverlichting, draagbaar elektrisch gereedschap en powerbanks. Je kan deze apparaten enkel overdag opladen, maar je kan ze na zonsondergang blijven gebruiken tot de batterij leeg is.

Het onderscheid tussen zonnepanelen met of zonder energieopslag is niet altijd heel duidelijk. Zo kun je bijvoorbeeld een zonnepaneel direct aansluiten op een USB-powerbank (met daartussen een DC-DC converter). Het systeem wordt dan een batterijopslagsysteem op basis van lithium-ion, waarbij gebruik wordt gemaakt van het energiebeheer dat al beschikbaar is in de powerbank. Als je draagbare LED-lampen oplaadt met batterijen, kan een zonnepaneel zonder batterijopslag ook ’s avonds licht bieden – een moderne benadering van de toorts.

Wat je nodig hebt: de onderdelen van een klein fotovoltaïsch systeem

Afbeelding: Een verzameling zelfgemaakte constructies voor zonnepanelen. Foto door Marie Verdeil.

Zonnepanelen zijn het belangrijkste onderdeel van alle systemen die we hier bouwen. Zonnepanelen zijn verkrijgbaar in verschillende spanningen, meestal 12V of 24V, soms 36V, 48V of hoger voor netgekoppelde systemen. Voor kleinschalige systemen is 12V of 24V wat je nodig hebt, vooral om mee te beginnen. Je vindt ook kleine zonnepanelen met spanningen onder de 12V.

Mensen vragen vaak welke zonnepanelen ze moeten kopen, maar veel advies kan ik niet geven. Je kan kiezen tussen mono- en polykristallijne zonnepanelen. De eerste zijn krachtiger en duurder, maar het verschil is klein. Bijna alle zonnepanelen worden in China gemaakt, waar je ze ook koopt.⁷ Een goed advies is om prijzen te vergelijken en er eentje te kopen dat niet uitzonderlijk goedkoop of duur is.

De andere onderdelen zijn afhankelijk van het type installatie dat je wil bouwen. Een zonne-installatie met batterijopslag heeft ook een laadregelaar en een batterij nodig. Voor een batterijloos, direct zonnesysteem is alleen een DC-DC converter nodig (of zelfs niet). Beide systemen hebben ook elektrische kabels, zekeringen en connectoren nodig. Optionele onderdelen zijn aan/uit-knoppen en meetinstrumenten.

Afbeelding: Een laptop die wordt aangedreven door een zonnepaneel, laadregelaar, batterij en omvormer. 1. Zekering. 2. Omvormer. Illustratie door Marie Verdeil.

Afbeelding: Een laptop die wordt aangedreven door een zonnepaneel, laadregelaar en batterij. Geen omvormer. 1. Zekering. 2. Voedingsadapter (12V). Illustratie door Marie Verdeil.

Afbeelding: Een laptop die wordt aangedreven door een zonnepaneel en een DC-DC-converter. Geen laadregelaar, geen accu, geen omvormer. 1. Zekering. 2. DC-DC-omzetter (variabele ingangsspanning, 12V-uitgang). 3. Voedingsadapter (12V). Illustratie door Marie Verdeil.

Afbeelding: Een ventilator aangedreven door een zonnepaneel. Geen DC-DC-omzetter, geen laadregelaar, geen batterij, geen omvormer. 1. Zekering. 2. schottkydiode. 3. Ventilator. Illustratie door Marie Verdeil.

Hoe verbind je zonnepanelen in serie en parallel?

Zonnepanelen kunnen individueel, in serie of parallel gebruikt worden. Wanneer je zonnepanelen parallel aansluit, blijft de uitgangsspanning gelijk, maar verdubbelt de stroomopbrengst. Dat is de meest voorkomende opstelling. Heb je (bijvoorbeeld) 50W aan zonne-energie nodig, dan kan je een zonnepaneel van 50W kopen of een aantal kleinere (2x25W or 5x10W) en die parallel opstellen.

Meerdere kleinere panelen kopen in plaats van één groot paneel is niet de goedkoopste optie, want kleinere zonnepanelen kosten meer per watt piekvermogen. Maar soms is het de enige manier om panelen te plaatsen waar je ze wil hebben. Mijn vensterbank is bijvoorbeeld te smal voor een zonnepaneel van 60W, maar ik kan wel drie zonnepanelen van 20W naast elkaar monteren. Het zou goedkoper en makkelijker zijn om één zonnepaneel van 60W te hebben met een formaat dat overeenkomt met mijn vensterbank, maar dat formaat is niet verkrijgbaar.

Wanneer je zonnepanelen parallel aansluit, blijft de uitgangsspanning gelijk, maar verdubbelt de stroomopbrengst.

Je kan zonnepanelen ook in serie opstellen. De uitgangsspanning verdubbelt, maar de stroomopbrengst blijft hetzelfde. Door zonnepanelen in serie te bedraden, kan je 24V-apparaten van stroom voorzien met 12V-zonnepanelen. Je kan natuurlijk net zo goed een 24V-zonnepaneel kopen. Je kiest best voor zonnepanelen van hetzelfde type, ongeacht of je ze in serie of parallel aansluit.

Je kan zonnepanelen ook serieel én parallel aansluiten. Zo kan je bijvoorbeeld twee groepen van drie 12V-panelen parallel aansluiten en de twee groepen vervolgens in serie met elkaar verbinden. Het resultaat is een 24V-systeem met de gecombineerde stroomopbrengst van drie zonnepanelen. Met batterijen kan je hetzelfde doen voor hetzelfde effect.

Illustratie: hoe je zonnepanelen in serie (links) en parallel (rechts) aansluit. Illustratie door Marie Verdeil.

Illustratie: hoe je zonnepanelen parallel en in serie kunt aansluiten in hetzelfde circuit. Illustratie door Marie Verdeil.

Hoe bouw je een zonnesysteem met batterij-opslag?

Als je een zonne-energiesysteem met batterijopslag bouwt, heb je een zonnelaadregelaar en een batterij nodig. De meeste off-grid zonne-installaties werken op loodzuurbatterijen. Voor draagbare zonnesystemen met batterijen is lithium-ion de meest praktische optie. In andere gevallen zijn loodzuurbatterijen nog steeds de veiligste en meest betaalbare optie. Ze vragen minder ingewikkelde laadsoftware dan lithium-ionbatterijen. Er zijn veel andere, minder vaak voorkomende batterijtypen, maar daar ga ik hier niet verder op in.

Laadregelaars

Koppel een zonnepaneel nooit rechtstreeks aan een batterij. Wil je zonne-energie voor later bewaren, installeer dan een laadregelaar. Een zonnelaadregelaar reguleert de uitgangsspanning van het zonnepaneel alnaargelang de spanning die de batterij nodig heeft in verschillende oplaadfases. De laadregelaar zorgt ook voor een stabiele 12V output van de batterij en legt het systeem stil wanneer de spanning onder een bepaald niveau zakt. De meeste zonnelaadregelaars hebben een optie-menu om die waarden aan te passen.

Er zijn honderden soorten zonnelaadregelaars. Naar mijn ervaring werken ze allemaal goed voor kleine zonnesystemen. De goedkoopste laadregelaars functioneren prima, maar ze moeten op de juiste spanning werken en voldoende capaciteit hebben). Duurdere laadregelaars (zoals MPPT) zijn niet de moeite waard voor kleinschalige systemen. Als je systeem met lithium-ionbatterijen werkt, heb je een andere, duurdere zonnelaadregelaar nodig. Als je handig bent met elektronica, kan je de regelaar ook zelf bouwen.⁸

Afbeelding: Verschillende soorten zonnelaadregelaars. Foto door Kris De Decker.

Batterijen

Het type batterij dat je nodig hebt voor een kleinschalig zonnesysteem is een gesloten loodzuuraccu. Voor een zonnepaneel van 12V, heb je een 12V batterij nodig. Als je een 24V zonnepaneel gebruikt, heb je een 24V accu nodig. Draag goed zorg voor loodzuurbatterijen, want ze kunnen snel kapot gaan. Het is belangrijk dat hun spanning niet onder een bepaald niveau daalt en dat ze regelmatig volledig opgeladen worden. Bewaar een loodzuuraccu nooit gedurende langere tijd zonder opladen. Houd de batterij aangesloten op een zonnepaneel, zeker als je voor langere tijd op vakantie gaat.

Draag goed zorg voor loodzuurbatterijen, want ze kunnen snel kapot gaan.

Is de laadregelaar aan een zonnepaneel en batterij gekoppeld, dan zal de laadregelaar de accu loskoppelen als de spanning onder een bepaald niveau daalt (meestal 12V). Deze waarde kan je aanpassen in het menu. Je kan tot 11V gaan, ten koste van de levensduur van de batterij. Als je de batterij een langere levensduur wil geven, kan je de waarde ook hoger instellen, bijvoorbeeld op 12,2 of 12,5V. In dit geval zal je aan energieopslagcapaciteit inboeten.

Plaats een loodzuuraccu niet in een gesloten container. Plaats een zekering in de positieve draad tussen de accu en de zonnelaadcontroller, zo dicht mogelijk bij de batterij. Controleer de spanning met een digitale voltmeter. Als je meer wil weten over batterijen, is de Battery University een goed vertrekpunt.

Bedrading

Zonnelaadregelaars verbinden alle andere onderdelen van een zonnesysteem met energieopslag: de batterij, het zonnepaneel en de elektrische apparaten die je van stroom voorziet. Er steken zes draden uit een laadregelaar: twee naar de accu, twee naar het zonnepaneel en twee naar de elektrische belasting. Je moet de componenten altijd in de hieronder beschreven volgorde aansluiten.

Sluit de accu aan op de zonnelaadregelaar (accusymbool)
Sluit het zonnepaneel aan op de zonnelaadregelaar (zonnepaneelsymbool)
Sluit de elektrische belasting aan op de zonnelaadregelaar (lichtsymbool)

Om los te koppelen, ga je in tegengestelde richting te werk:

Ontkoppel de elektrische belasting van de zonnelaadregelaar (lichtsymbool)
Koppel het zonnepaneel los van de zonnelaadregelaar (zonnepaneelsymbool)
Koppel de accu los van de zonnelaadregelaar (accusymbool)

Sluit het zonnepaneel nooit aan op de laadregelaar als deze niet op de accu is aangesloten. Beschouw de batterij en de laadregelaar als één geheel. Voorkom dure fouten door na zonsondergang aan zonnesystemen te werken, of door de zonnepanelen overdag af te dekken.

Hoe bouw je een zonnesysteem zonder batterij-opslag?

Bij het gebruik van directe zonnestroom is er geen batterij of laadregelaar nodig. Het zonnepaneel is rechtstreeks op het gevoede apparaat aangesloten of heeft daartussen een DC-DC-omzetter. Sommige apparaten functioneren perfect met fluctuerende spanningen, zoals ventilatoren, pompen en andere apparaten met een gelijkstroommotor. Afhankelijk van de spanning zal de motor sneller of trager draaien. Ook verwarmingselementen kunnen op verschillende spanningen werken. Andere apparaten – zoals alle elektronica – hebben daarentegen een nauwkeurige en constante ingangsspanning nodig. Een DC-DC (“buck” of “boost”) omzetter is dan essentieel om die stabiele spanningsingang te bieden.

DC-DC-omzetters

Een DC-DC-omzetter is een elektronische module die de ingangsspanning van een zonnepaneel (of andere stroombron) omzet in een stabiele uitgangsspanning voor een apparaat, bijvoorbeeld 5V voor USB-gadgets en 12 tot 20V voor elektrisch gereedschap. “Step down” of “buck”-omzetters verlagen de uitgangsspanning ten opzichte van de ingangsspanning. “Boost” converters verhogen de spanning op een vergelijkbare manier. Een DC-DC-converter brengt energieverlies met zich mee, maar dat verlies is kleiner dan de verliezen van batterijen, omvormers en AC/DC-adapters.

Voor zonnesystemen zonder batterijopslag is het belangrijk te weten dat 12V-zonnepanelen meer dan 12V produceren. In volle zon zal de uitgangsspanning dichter bij 20V liggen. Hetzelfde geldt voor 24V-zonnepanelen, die een uitgangsspanning zullen hebben van ongeveer 32V. De 12V- of 24V-aanduiding refereert simpelweg aan het type accusysteem waarvoor je je zonnepaneel wil gebruiken. Wil je 12V-apparaten rechtstreeks op een zonnepaneel laten werken, dan heb je dus een DC-DC-module nodig die de 20V-instroom omzet in een stabiele 12V-uitstroom. Als je 5V-apparaten wil gebruiken, heb je een module nodig met een constante 5V-uitvoer.

Zorg ervoor dat je de juiste elektronische module hebt. De meest veelzijdige DC-DC converter accepteert een breed scala aan ingangsspanningen en zet deze om naar elke gewenste uitgangsspanning. Dit type DC-DC-converter kan rechtstreeks op een zonnepaneel worden aangesloten en kan alle apparaten van stroom voorzien, ongeacht de spanning waarop ze werken. Met dergelijke modules kan je de uitgangsspanning aanpassen door aan een klein schroefje te draaien of op een knopje te drukken. Sommige buck- en boost-omzetters hebben een klein digitaal scherm waarop de uitgangsspanning wordt weergegeven. Gebruik anders een multimeter om de uitgangsspanning aan te passen.

Andere DC-DC-converters hebben een nauwkeurige spanningsingang nodig en kunnen daarom alleen worden aangesloten op een stabiele spanningsbron, zoals een 12V-accu. Er zijn ook DC-DC-omzetters met een variabele ingangsspanning maar een vaste uitgangsspanning. Deze kunnen rechtstreeks op een zonnepaneel worden aangesloten. Zorg er in dat geval voor dat de uitgangsspanning overeenstemt met het apparaat dat je van stroom wilt voorzien.

Afbeelding: Een verzameling DC-DC-omzetters. Foto door Kris De Decker

Afbeelding: Een 5 watt 12V zonnepaneel met een 12V naar 5V buck-omzetter. Met de connector aan de linkerkant kan je de DC-DC-omzetter makkelijk loskoppelen en het zonnepaneel aan een laadregelaar koppelen. Foto door Kris De Decker

Bedrading

Het aansluiten van een direct zonnesysteem zonder batterijopslag is eenvoudig. Is er geen DC-DC omvormer aanwezig, schroef dan de + en de - van het zonnepaneel op de + en de - van het toestel en zet er een zekering tussen. Voeg eventueel een aan/uitknop toe. Zorg ervoor dat het toestel dat je van stroom voorziet de juist spanning ontvangt.

Als het directe zonne-PV-systeem een DC-DC-omvormer heeft, sluit je de plus en de min van het zonnepaneel aan op de plus en de min van de ingang van de DC-DC-omvormer. Verbind daarna de plus en de min van de uitgang van de DC-DC-converter met de plus en de min van het apparaat. Zet er een zekering tussen.

Bij sommige modules moet je de draden erop solderen, andere modules hebben schroeven of pluggen. Wanneer de DC-DC converter een variabele uitgangsspanning heeft, kan je het zonnepaneel voor verschillende soorten apparaten gebruiken door aan het kleine schroefje te draaien. Het alternatief is een controlepaneel bouwen dat apparaten met verschillende spanningen kan aandrijven.

Het formaat bepalen van je zonnepaneel, batterij en andere onderdelen

Alle componenten van een zonne-installatie moeten op elkaar afgestemd worden. Dat is veel makkelijker voor een zonnesysteem met directe aandrijving dan een zonnesysteem met batterijopslag.

Zonder batterijen

In een direct zonnesysteem is de keuze van het zonnepaneel niet moeilijk. Je stemt de stroomproductie van het zonnepaneel af op het apparaat dat je wil opladen of van stroom voorzien. Zonnepanelen bereiken echter zelden hun maximale stroomproductie, dus je kiest best een zonnepaneel met een vermogen twee zo groot als het vermogen van het apparaat dat je wil aansluiten. Als je het ook bij bewolkt weer wil laten werken, moet je het paneel nog groter maken. Lichte bewolking heeft weinig effect op de energieproductie, maar zware bewolking kan de productie quasi stilleggen.

Een laptop die je rechtstreeks op een zonnepaneel laat draaien, heeft tijdens het opladen veel meer stroom nodig dan wanneer de batterij volledig is opgeladen (of wanneer deze zonder batterij werkt). Een zonnepaneel kan groot genoeg zijn om een laptop van stroom te voorzien, maar niet om diens batterij op te laden.

Met batterijen

De grootte van het zonnepaneel berekenen voor een PV-installatie met batterij is veel ingewikkelder. In dit geval komt er ook een extra uitdaging bij: het kiezen van het formaat van je batterij. Een zonne-energiesysteem met batterij heeft een groter paneel nodig om extra energie op te slaan voor de nacht en voor periodes van slecht weer. Je moet ook rekening houden met het lokale klimaat. In minder zonnige klimaten met grotere seizoensverschillen - zoals België en Nederland - heb je in de winter veel grotere panelen nodig om de accu’s op te laden. Bovendien bedragen de verliezen bij het laden en ontladen bij loodzuuraccu’s 20-30% en bij lithium-ionbatterijen ongeveer 10%.

Nachtelijke energieopslag

Bij het dimensioneren van een zonnepaneel voor een direct zonnesysteem moet je alleen maar naar het vermogen kijken.⁹ Bij een zonne-installatie met een batterij moet je ook berekenen hoeveel energie je nodig hebt. Het energieverbruik komt overeen met het vermogen vermenigvuldigd met de tijd. Wil je bijvoorbeeld na zonsondergang een verlichtingssysteem van 20 W nog 6 uur laten werken, dan heb je 6 uur x 20 watt vermogen = 120 wattuur energie nodig.

Energie (wattuur) = vermogen (watt) x tijd (uren)

Het juiste formaat vinden van de batterij en het zonnepaneel kan in eerste instantie lastig lijken. Om de grootte van de ene te berekenen, moet je immers de grootte van de andere weten, dus waar begin je? In het algemeen is het best om eerst te bepalen welk batterijformaat je nodig hebt. Als we ons aan bovenstaand voorbeeld houden, heb je een energieopslag nodig van 120 wattuur om de lampen 6 uur te laten branden.

Helaas mag je de batterijen niet volledig ontladen. Loodzuurbatterijen mogen niet onder de 50% van hun maximale capaciteit zakken, en lithium-ionbatterijen niet onder de 15%. Als je 120 wattuur opslagcapaciteit nodig hebt, heb je dus een loodzuuraccu van 240 wattuur nodig (of een lithium-ionbatterij van 138 wattuur). Ten tweede moet je rekening houden met de laad- en ontlaadverliezen, die minstens 20% (of 48 wattuur) aan het totaal toevoegen, wat neerkomt op een loodzuuraccu-opslagcapaciteit van 288 wattuur (10% voor lithium-ionbatterijen, 152 wattuur). Om het juiste formaat batterij te vinden, moet je deze waarde omrekenen naar ampère-uren, omdat de opslagcapaciteit van batterijen op die manier wordt gespecificeerd. Voor een loodzuuraccu van 12 V komt 288 wattuur overeen met een accuopslagcapaciteit van 24 Ampère-uur (Ah) (288/12=24).

Nu je de grootte van de accu kent, kan je het formaat van het zonnepaneel bepalen. Dat moet in ieder geval groot genoeg zijn om de accu bij helder weer op de kortste dag van het jaar volledig op te laden. Dat is een minimumvereiste omdat loodzuuraccu’s regelmatig volledig moeten worden opgeladen. Als je in een bewolkt klimaat woont, kan je het zonnepaneel beter zo groot maken dat de batterij ook bij matige bewolking volledig kan worden opgeladen. Als er overdag ook zonne-energie wordt verbruikt, moet je daar ook rekening mee houden en wordt de totale zonnepaneeloppervlakte opnieuw groter.

In het geval van loodzuurbatterijen begint de berekening met een waarde van slechts de helft van de batterijcapaciteit. Je ontlaadt de batterij immers nooit onder 50%, dus het zonnepaneel moet slechts 50% (of minder) van de opslagcapaciteit bijladen. Een batterij van 288 wattuur volledig opladen vraagt dus 144 wattuur stroom van het zonnepaneel.

Vervolgens begin je met een willekeurig formaat zonnepaneel en zie je wat dat geeft. In bovenstaand voorbeeld zal een zonnepaneel van 50 watt dat op halve kracht werkt (25 W) in minder dan 6 uur 144 Wh opleveren, wat genoeg is om een batterij volledig op te laden in de regio waar ik woon (Barcelona). Een paneel van 20 W dat op halve kracht draait, zou daarentegen 14,4 uren nodig hebben voor het hetzelfde resultaat. Dat is dus te klein, want zelfs in juni is de dag nooit zo lang.

Energieopslag bij slecht weer

Bovenstaande batterij-opslag is slechts voldoende om de nacht door te komen bij optimaal weer. Maar ze zal de lichten ’s avonds niet aan kunnen houden als het weer overdag tegenwerkt. Om dat op te lossen, vergroot je oftewel de batterij-opslag oftewel de oppervlakte van je zonnepaneel.

De meest efficiënte optie is om meer of grotere zonnepanelen te installeren en de batterij-opslag ongewijzigd te laten. Zonnepanelen zijn namelijk veel goedkoper en minder energie-intensief dan batterijen. Omdat het zonnepaneel groter is, zal de batterij ook onder een wolkenpak volledig opladen. Je hebt dan natuurlijk voldoende ruimte nodig voor grotere (of extra) zonnepanelen, wat niet altijd het geval is.

Wil je energiezekerheid vinden met een uitgebreider batterijsysteem, dan vermenigvuldig je de vereiste batterijcapaciteit met het aantal slecht-weer-dagen waarin je stroom nodig hebt. Heb je bijvoorbeeld een 24 Ah batterij nodig om de lichten een avond te laten branden, dan heb je een 3 x 24 Ah = 72 Ah batterij nodig om drie dagen zonder zonnestroom te compenseren.

Dit is een worst-case scenario en in plaats van opslagcapaciteit toe te voegen, kan je op die momenten ook je energieverbruik verlagen door minder lichten te gebruiken of door ze minder lang te gebruiken. De grootte van je batterij is altijd een compromis tussen energiezekerheid aan de ene kant en kosten (geld en energie) aan de andere kant. Je moet dus bereid zijn om op bepaalde dagen je energievraag aan te passen.¹⁰ Alleen fossiele brandstoffen bieden 100% energiezekerheid, tot ze op zijn natuurlijk.

Nadat je beslist hebt hoeveel extra batterijcapaciteit je nodig hebt, moet je het oppervlak van je zonnepanelen naar verhouding vergroten. Al die batterijen moeten immers opgeladen worden. Bereken zoals hierboven.

Online software

Ik heb al mijn kleinschalige zonne-installaties opgemeten door snelle berekeningen zoals hierboven en door te experimenteren. Maar je kan ook online rekensoftware gebruiken, zoals deze. Na het kiezen van het systeem (“off-grid”) en de lengtegraad, voer je de gegevens in van het geïnstalleerde PV piekvermogen (in Wp), batterijcapaciteit (in Wh), ondergrens waarbij batterij wordt afgekoppeld (in %), energieverbruik (in Wh), de hellingshoek (in graden) en azimut (in graden, de positie van het PV-paneel ten opzichte van de richting pal zuid). Als resultaat krijg je de gemiddelde dagelijkse energieproductie voor alle maanden van het jaar. Je kan dan spelen met de verschillende variabelen om te weten te komen wat je minimaal nodig hebt aan energieproductie en -opslag.

Andere onderdelen kiezen: laadregelaars, DC-DC-omzetters, kabels, connectoren & zekeringen

Eens je het paneel en - indien nodig - de batterij hebt gekozen, kan je alle andere onderdelen kiezen: laadregelaars, DC-DC-omzetters, kabels, connectoren, zekeringen en schakelaars. In dit geval gaat ‘grootte’ of ‘formaat’ niet zozeer over de werkelijke grootte, maar wel over de hoeveelheid vermogen (voltage en stroom) dat een component aan kan.

Laadregelaars en DC-DC-omzetters

Zowel laadregelaars (voor zonne-energiesystemen op batterijen) als DC-DC-omzetters (voor directe zonne-energiesystemen) moeten compatibel zijn met het voltage dat het zonnepaneel produceert. Gebruik je een zonnepaneel van 12V en een batterij van 12V, dan moet je laadregelaar ook op 12V werken. Gebruik je geen batterij voor je 12V zonnepaneel, dan heb je voor de DC-DC-omzetter een input nodig die overeenstemt met de voltage output van je zonnepaneel (19-20V in volle zon).

Produceert je zonnepaneel 3A stroom, dan heb je een DC-DC-omzetter of een laadregelaar nodig die minstens 3A stroom verdraagt.

Net zo belangrijk is dat beide componenten de hoeveelheid stroom (A) verdragen en daarvoor moet je weten hoeveel stroom je zonnepaneel produceert. Die informatie vindt je op de achterzijde van je paneel (of je meet het met een multimeter). Produceert je zonnepaneel bijvoorbeeld 3A stroom, dan heb je een DC-DC-omzetter of laadregelaar nodig die minstens 3A stroom verdraagt. Met twee van deze panelen parallel geschakeld, moeten je onderdelen 6A stroom aankunnen. De goedkoopste DC-DC-omzetters kunnen slechts 2 tot 5A aan en de goedkoopste zonnelaadregelaars maximum 5A. De prijs van beide componenten stijgt snel al naargelang hun stroomcapaciteit verhoogt.

Kabels

Elektrische bedrading is te koop in vele diameters. Zorg ervoor dat de kabels dik genoeg zijn voor de stroom die erdoor moet vloeien om een elektrische brand te vermijden. Elektrische laagspanningssystemen hebben kabels met een grotere diameter nodig dan hoogspanningssystemen, omdat er meer stroom doorheen vloeit. Het maken van de juiste keuze kan verwarrend zijn want er zijn verschillende standaarden, en geen enkele ervan is gemakkelijk te begrijpen.

De makkelijkste oplossing is om alle componenten te bedraden met een kabel met relatief grote diameter, zoals 20AWG (maximaal 11A) of 18AWG (max 16A). Kiezen voor een dikkere kabel bespaart kosten en werk als je je zonnesysteem later wil uitbreiden. Het enige nadeel van de dikkere kabel is dat deze duurder is. Een goedkope oplossing is om oude elektrische kabels te gebruiken van afgedankte toestellen. Je kan ze open snijden om de positieve en negatieve draad te ontbloten.

Zekeringen

De zekering is een essentieel veiligheidsonderdeel dat de elektrische stroom in het circuit onderbreekt als er iets fout gaat. Je kan een zonne-installatie bouwen zonder zekeringen, maar dan riskeer je een elektrische brand of schade aan onderdelen bij kortsluiting. Een zekering moet een maximum stroomcapaciteit hebben die net iets hoger ligt dan de piekstroom in je systeem. Bij kortsluiting stijgt de stroom en brandt de zekering door. Eens je het probleem hebt opgelost, kan je de zekering vervangen.

Een zekering moet een maximum stroomcapaciteit hebben die net iets hoger ligt dan de piekstroom in je systeem.

Als de maximale stroom in het systeem 5A is, zorg dan voor een zekering van 6A of 7A. Het zonnepaneel en de accu bepalen de maximale stroomproductie van het systeem. Maar let op: in een zonnesysteem op batterijen kan de stroom tussen de batterij en de elektrische belasting een stuk hoger liggen dan tussen het zonnepaneel en de batterij. Dit gebeurt wanneer je een toestel met hoog stroomverbruik aan je batterij verbindt (met of zonder de laadregelaar ertussen). In dat geval heb je dikkere kabels en zwaardere zekeringen nodig tussen de batterij en het apparaat dat je aandrijft.

Een zekering moet zo dicht mogelijk bij de energiebron liggen (het zonnepaneel of de batterij). Extra zekeringen kunnen ook toestellen beschermen tegen problemen met DC-DC-omzetters. Er zijn twee soorten zekeringen: de ouderwetse, die bestaat uit een kleine, glazen tube in een zekeringhouder, of de nieuwere soort: plastic kaartjes die iets makkelijker te vervangen zijn. Een stroomonderbreker kan een alternatief zijn voor een zekering.

Afbeelding: Twee soorten zekeringen en zekeringhouders. Foto door Kris De Decker

Connectoren

Je hebt connectoren nodig om twee kabels te verbinden, bijvoorbeeld wanneer je een zekering aan je circuit toevoegt. Er zijn verschillende soorten. Soms moet je kabels in een connector schroeven, andere plugs werken zonder schroevendraaier. Je kunt de draden ook aan elkaar solderen.¹¹ Connectoren hebben vaak een maximale stroomcapaciteit van 10A of 20A, waardoor ze geschikt zijn voor de meeste kleinschalige zonne-energiesystemen.

Afbeelding: Verschillende soorten connectoren. Foto door Kris De Decker.

Schakelaars

Schakelaars zorgen ervoor dat je je elektrisch circuit kan openen en sluiten. Ze zijn handig wanneer je stroom splitst om die naar bepaalde toestellen te sturen (maar niet naar anderen). Een eenvoudige schakelaar heeft één ingang een één uitgang (’enkelpolige’ schakelaar). Deze wordt, net als een zekering, in de positieve draad geplaatst. Aan-uitschakelaars die oplichten wanneer ze actief zijn, zijn iets ingewikkelder om aan te sluiten.¹²

Afbeelding: Verschillende soorten schakelaars. Foto door Kris De Decker.

Hoe bouw je een draagstructuur?

Het is verstandig je zonnepaneel op een draagstructuur te bevestigen. Dat maakt het gebruiksvriendelijker en biedt bescherming aan een object dat 30 jaar of meer moet meegaan. Commercieel beschikbare structuren voor zonnepanelen zijn vaak duurder dan de panelen zelf. Dat is een eerste reden om er zelf een te bouwen. Een andere reden is dat het je toelaat om de structuur volledig op maat te maken van een specifieke plek.

Er zijn veel manieren om een draagstructuur te bouwen, zowel voor stationair als mobiel gebruik. Ik beschrijf hieronder hoe ik mijn eigen systemen heb gemaakt, meestal op basis van afvalhout en metalen houtverbindingen. Je kan zonnepanelen ook bevestigen aan bestaande structuren, zoals een schildersezel, een oud bedframe of wat je ook maar kan vinden.

Hoe bevestig je het paneel aan de structuur?

Ik gebruik twee methodes om zonnepanelen aan dragers te bevestigen. Voor de eerste methode zoek ik stukken hout die ongeveer dezelfde dikte hebben als het paneel, schuif ze in het aluminiumkader en schroef ze vast in de vier voorgemaakte gaten (kleinere panelen hebben slechts 2 gaten). Idealiter past een houten stuk onder twee van die openingen, maar met vier aparte stukjes hout lukt het ook.

Vervolgens verbind je deze houten stukken met twee andere houten stukken die je gekruist over de eerste legt. Het zonnepaneel zit nu stevig vast op een houtstructuur. Plaats voldoende hout onder het zonnepaneel waar je de scharnieren gaat bevestigen (zie verder) die het zonnepaneel aan het onderste deel van de constructie bevestigen en waarmee je het in verschillende kantelhoeken kunt instellen.

Afbeelding: twee zonnepaneelconstructies met vaste hoek op het balkon. Foto door Kris De Decker.

Wees voorzichtig: zonnepanelen zijn delicaat. Wanneer je hout in het aluminium van het zonnepaneel bevestigt, moet je oppassen dat je schroef niet te lang is en het zonnepaneel doorboort. Zelfs het kleinste gaatje kan ervoor zorgen dat het paneel nooit meer werkt. Pas ook op dat er niets op je werkblad ligt wanneer je de voorzijde van het paneel neerlegt op een oppervlak, bijvoorbeeld om de houtstructuur achteraan te bevestigen. Als je te veel druk uitoefent en er ligt bijvoorbeeld een schroef onder je paneel, maak je het glas kapot.

Een andere methode is het bouwen van een kader rond het paneel, alsof het een schilderij is. De achterkant van het kader is een dunne houten plaat, aan elke zijde net iets groter dan het zonnepaneel. Je maakt een gat in het midden van de plaat om er de kabels door te trekken en aan de zijkant van het plakkaat bevestig je houten latjes, zodat het zonnepaneel ertussen past. Als laatste bevestig je kleine metalen of houten stukjes aan de voorzijde die ervoor zorgen dat het paneel op zijn plaats blijft. Vervolgens kan je een scharnier toevoegen en de bovenstructuur verbinden met een lagere draagstructuur.

Afbeelding: Een zonnepaneel op een oude IKEA lampenstandaard. Foto door Marie Verdeil

Afbeelding: Een zonnepaneel bevestigd aan een schildersezel. Foto door Marie Verdeil.

Hoe verstel je de kantelhoek en de rotatie van het paneel?

Omdat de stand en oriëntatie van de zon gedurende de dag en het jaar variëren, maakt een zonnepaneel met een vaste positie geen optimaal gebruik van zonne-energie. Het zal alleen zijn maximale capaciteit genereren als de zonnestralen loodrecht op het paneel vallen.

De meest gebruikte systemen hebben zonnepanelen met een vaste hoek en richting. Kleinschalige zonnesystemen werken prima zo. Maar in tegenstelling tot zonnepanelen op daken, zijn kleine panelen meestal binnen handbereik en kan je een manueel mechanisme toevoegen zodat hun hoek en misschien zelfs hun oriëntatie tegenover de zon kan variëren. Je zou de hellingsgraad dan elk seizoen kunnen aanpassen, terwijl je het zonnepaneel een aantal keer per dag naar de zon draait. Dat kan allemaal automatisch, met elektronica, of manueel. Het manueel aanpassen van hellingshoek en oriëntatie is vooral handig bij het gebruik van directe zonnestroom, omdat je dan meestal aanwezig bent.

Het toevoegen van beide mechanismen bemoeilijkt het ontwerp van de draagstructuur. Meestal is een structuur met een variabele hellingshoek voldoende. Panelen in een bijna verticale positie kantelen is de sleutel voor voldoende zonne-energie in de winter, wanneer energietekorten het meest waarschijnlijk zijn.

Afbeelding: Dit paneel kan kantelen en om de as draaien. Foto door Marie Verdeil.

De ideale hellingshoek van een zonnepaneel hangt af van het seizoen en de locatie. Dat kan je snel berekenen met online tools. Bijvoorbeeld in Brussel varieert de optimale hellingsgraad tussen 16 graden (verticaal vertrekpunt) in december en 62 graden in juni. Een vaste hoek van 50 graden is dan een compromis tussen winter en zomer.

Waar zet je het zonnepaneel?

Kleinschalige zonne-energiesystemen kunnen mobiel zijn of een vast plaats hebben. Je kan ze op vensterbanken, balkons, terrassen en binnenplaatsen installeren. Je kan ze in een rugzak stoppen en meenemen. Ze kunnen ook binnen staan, dicht bij een raam. Zo heb ik een paneel op mijn bureau voor het raam. Het is verbonden aan een batterij, laadregelaar en een ingebouwd lampje. Het werkt goed in de winter wanneer de zon laag aan de hemel staat en zonlicht diep in de kamer doordringt. Binnenskamers zonne-energie verzamelen is misschien niet het meest efficiënt, maar de structuur moet niet bestand zijn tegen wind en regen.

Hoe zet je de zonnepanelen op een veilige manier vast?

Het zonnepaneel mag uiteraard niet van de vensterbank of het balkon vallen. Bouw dus een stevige structuur, die bestand is tegen een storm. Ik heb mijn draagstructuren tussen het raamkader en een metalen houder voor plantenbakken geperst. Zonder deze houder zou ik de zonnepanelen waarschijnlijk nooit hebben durven installeren op de smalle vensterbanken. Je kan de basis van een draagstructuur ook verzwaren met stenen en ‘dode’ loodzuurbatterijen, zodat de wind er geen vat op heeft.

Zonnepanelen op balkons hebben minder kans om naar beneden te vallen. Toch is het belangrijk ze voldoende te verzwaren of vast te maken want zonnepanelen zijn goede windvangers. Ik heb twee grote structuren gebouwd, een voor een 30W zonnepaneel (die deze website van stroom voorziet) en een voor twee panelen van 50W, die energie leveren voor de woonkamer. De kleinere structuur is eveneens plantenbakhouder, en de grotere doet ook dienst als opslagkist vol spullen. Al mijn zonnepanelen - op de vierde verdieping van het gebouw - hebben intussen verschillende stormen doorstaan zonder schade.

Afbeelding: Twee kleinschalige zonnesystemen (100 watt en 30 watt) op het balkon. Foto door Kris De Decker.

Afbeelding: Een draagstructuur voor een 30W zonnepaneel met daarin een plantenbak. Foto door Kris De Decker.

Afbeelding: drie 10W zonnepanelen op een vensterbank. Foto door Kris De Decker.

Stroom splitsen en verschillende toestellen simultaan aandrijven

Wanneer je een zonne-energiesysteem hebt gebouwd, kan je er elektrische apparaten op aansluiten. Als de zonne-installatie slechts één doel heeft, sluit dan het elektrische apparaat aan op de zonnelaadregelaar, de DC-DC-omzetter of het zonnepaneel. Misschien wil je ook een schakelaar om het systeem aan en uit te zetten.

Maar misschien wil je ook een flexibeler systeem, waarbij je de stroom kan verdelen over verschillende toestellen om die tegelijkertijd of afwisselend te gebruiken. Dat is eenvoudig als alle toestellen op hetzelfde voltage draaien. Je hebt alleen een connector nodig met twee ingangen (een plus en een min) aan de ene kant en verschillende uitgangen aan de andere kant. Je kan eventueel nog een aan-uitknop toevoegen per circuit in plaats van (of bovenop) een schakelaar voor het hele systeem. Wil je toestellen gebruiken met verschillende voltages, dan moet je de stroom splitsen via verschillende DC-DC-omzetters naar de afzonderlijke stroomcircuits.

Het splitsen van stroom werkt voor directe zonne-installaties en voor zonne-energiesystemen met een batterij. Maar je bouwt ze een beetje anders. Wanneer je een accu en een laadregelaar gebruikt, is de uitgangsspanning een stabiele 12V of 24V. Als al je apparaten op 12V of 24V werken, kan je de stroom verdelen zonder een DC-DC-omzetter. Als je er ook een circuit in wil zetten dat een andere spanning nodig heeft (bijvoorbeeld 5V voor het opladen van USB-apparaten), kan je een DC-DC-converter gebruiken met een stabiele ingangsspanning (12V/24V) en een uitgangsspanning van 5V.

Gebruik je een zonnepaneel rechtstreeks, dan is de uitgangsspanning afhankelijk van de zonneomstandigheden. Bovendien is ze vaak hoger dan wat de apparaten nodig hebben. Als alle apparaten op dezelfde spanning werken, bijvoorbeeld 12V, installeer je een DC-DC-omzetter die een variabele ingangsspanning accepteert en de gevraagde uitgangsspanning produceert. Daarna splits je de stroom. Als de apparaten op verschillende spanningen werken, moet je de stroom eerst splitsen en vervolgens in elk circuit een DC-DC-converter plaatsen. Verdeel de stroom opnieuw als je een tweede uitgang wil met dezelfde uitgangsspanning.

Afbeelding: het splitsen van de stroom van een zonnesysteem met batterijopslag. 1. Zekering. 2. Buck-converter (12V naar 5V USB). 3. Boostconverter (12V naar 24V). 4. Omvormer (12V naar 110/220V). Illustratie door Marie Verdeil.

Afbeelding: het splitsen van de stroom van een zonnesysteem zonder batterijopslag. 1. Buck-converter (20V naar 5V). 2. Boostconverter (20V naar 24V). 3. Buck-converter (20V naar 12V). 4. Omvormer (12V naar 110/220V). Illustratie door Marie Verdeil.

Als je zonne-energiesysteem een accu en laadregelaar heeft en alle aangesloten apparaten op dezelfde spanning werken, kan je ook typische 12V/24V-stekkers gebruiken. Je plugt ze in en uit afhankelijk van het apparaat dat je wil gebruiken. Als je meerdere stopcontacten hebt, kan je meerdere apparaten tegelijkertijd gebruiken.

Hoe voeg je meetinstrumenten toe?

Een zonne-installatie werkt perfect zonder meetinstrumenten, maar ze zijn handig om je systeem te begrijpen en te onderhouden. Ze helpen je ook de energie-efficiëntie te optimaliseren.

Accuspanningsmeter

Als je zonnesysteem met batterijen werkt, voeg dan een spanningsmeter (V) toe. Hoewel de meeste laadregelaars het voltage van de batterij tonen, moet je meestal op een knopje duwen om het te kunnen aflezen. Als je daarentegen een digitale spanningsmeter rechtstreeks aan de accu verbindt, weet je in een oogopslag wat de staat van de batterij is. Digitale spanningsmeters kunnen erg fel zijn, dus als je ze ’s nachts wil kunnen uitzetten, voeg dan een schakelaar toe.

Een accuspanningsmeter aflezen vraagt wat oefening. In principe mag het voltage nooit onder 12V zakken (24V in het geval van een 24V accu), maar de exacte opslagcapaciteit wordt pas weergegeven als er geen actieve stroomtoevoer is (het zonnepaneel werkt niet) en er geen elektrische belasting is (er is geen toestel aangesloten). Als je van de batterijmeter in deze situatie 12V afleest, laat je de batterij best niet verder ontladen om vroegtijdige veroudering te voorkomen. Lees je 12,9 of 13V, dan is de batterij volledig opgeladen. Naarmate de batterij verouderd, daalt die laatste waarde langzaamaan (12,6V is een typische waarde voor een volledig opgeladen oudere batterij).

Als je een elektrisch apparaat aanzet, daalt het voltage en geeft het niet langer de batterij-opslag weer. Als het zonnepaneel actief is, stijgt het voltage en komt dat ook niet meer overeen met het laadvermogen van de batterij.

In volle zon zal de batterij snel meer dan 13V meten. Sluit je ’s nachts een energievretend toestel aan de zonnelaadregelaar aan, dan kan het voltage van de batterij onder 12V zakken. Maar in beide gevallen kan de batterijopslagcapaciteit hetzelfde zijn, bijvoorbeeld 12,4V. Om de werkelijke opslagcapaciteit te weten, moet je het voltage dus ’s nachts nakijken zonder aangesloten toestellen. Het kan even duren voordat het voltage stabiliseert, dus neem je tijd om een exacte meting te maken.

Dat klinkt allemaal omslachtig, maar eens je je systeem leert kennen, kan je de opslagcapaciteit vaak meteen inschatten, ook als de batterij aan het op- of ontladen is. Als ik bijvoorbeeld de lichten aandoe in mijn bureau, dan daalt de batterijvoltage van 12,9 naar ongeveer 12,1V. Na een paar uur gebruik, is het voltage gedaald naar 11,7 of 11,8V. Maar als ik de lichten aan het einde van de avond weer uitdoe, stijgt de waarde terug naar 12,5 of 12,6V. Als de batterij overdag oplaadt, geeft de spanningswaarde de laadstatus aan. Wanneer de spanning bijvoorbeeld herhaaldelijk op en neer gaat (tussen ongeveer 13 en 15V), is de batterij volledig opgeladen.

Watt-, spannings-, en stroommeters

Andere praktische instrumenten zijn watt-, spannings- en stroommeters. Je kan ze tussen het zonnepaneel en de laadregelaar zetten, of tussen de laadregelaar en de elektrische belasting. In het eerste geval meten ze de stroom die het zonnepaneel produceert. In het andere geval meten ze de stroom die de elektrische toestellen verbruiken. De meeste zonnelaadregelaars nemen deze metingen op in hun menu, maar de navigatie is vaak omslachtig.

In een direct aangedreven zonnesysteem zonder DC-DC-omzetter zal het stroomverbruik van de elektrische belasting altijd gelijk zijn aan de stroomproductie van het zonnepaneel. Daarom volstaat één meetinstrument. Wanneer je daarentegen een DC-DC-converter gebruikt, kan je er een meetapparaat voor en achter plaatsen. Deze gegevens zullen de energieverliezen van de omzetter tonen.

Meetinstrumenten kunnen digitaal of analoog zijn. Ik kies voor digitale meters op de batterij omdat ze vanop een afstand zichtbaar zijn. V&A-meters die fluctuerende waarden weergeven, kunnen beide zijn. Wattmeters zijn lastig te vinden in de analoge versie.

Bedrading

Spanningsmeters worden parallel geschakeld. Zo verbind je bijvoorbeeld de positieve en negatieve draad van een voltmeter met de positieve en negatieve aansluitingen van een batterij. Digitale wattmeters hebben twee inkomende kabels en twee uitgaande kabels. Stroommeters zijn iets complexer, zie daarvoor de illustratie onderaan.

Afbeelding: hoe een analoge spannings- en stroommeter aan te sluiten. Illustratie door Marie Verdeil

Afbeelding: Analoge spannings- en stroommeter (max 1A). Foto door Kris De Decker

De meeste mensen kunnen beter overweg met watt dan met spanning en stroom. Maar al is een wattmeter een zinvolle toevoeging aan je zonne-installatie, het zijn de spanning- en stroommeters die je belangrijke informatie bieden als je op problemen botst. Een spanningsmeter is handig om controles uit te voeren, zeker in directe zonnestroomsystemen wanneer je bijvoorbeeld wil weten of een DC-DC-omzetter de juiste hoeveelheid spanning uitstuurt of als je wil weten hoeveel spanning je zonnepaneel produceert.

Stroommeters helpen je ook de energie-efficiëntie te optimaliseren. In een zonnesysteem op batterijen kan je met stroommeters aan beide zijden van de laadregelaar profiteren van zoveel mogelijk overtollige zonne-energie. Is de batterij bijna helemaal opgeladen, zal het zonnepaneel niet meer op volle kracht energie produceren en zal je de stroommeter zien dalen. Dat betekent dat je zonne-energie verspilt. Sluit je op dat moment een toestel aan op je systeem (of zet je een schakelaar aan in een van je circuits), dan zal je de stroommeter van zowel de elektrische belasting als van het zonnepaneel de hoogte in zien gaan. Als je vervolgens de limiet bereikt, gebruik je op dat moment alle stroom die het paneel produceert. Zo kan je een laptop opladen of elektrisch gereedschap gebruiken met energie die anders verloren zou gaan.

Controlepaneel en stopcontacten

Als je aan-uitschakelaars en meetinstrumenten toevoegt, is het handig om deze componenten op een controlepaneel te monteren.

Bekabel het hele systeem eerst zonder controlepaneel, zodat je zeker bent dat alles werkt. Haal het daarna weer uit elkaar. Meet dan alle onderdelen op en maak een schets voor je controlepaneel. Kies daarna je materiaal (karton, hout, metaal, plastic), maak alle gaten voor de schakelaars en de meetinstrumenten en plaats je onderdelen erin. Je kan nu alles opnieuw bedraden en een doos bouwen rondom het controlepaneel. DC-DC-omzetters kunnen achterin het paneel bevestigd worden, tenzij je de uitgangsspanning regelmatig wil aanpassen. Als je meetinstrumenten en schakelaars hebt, kan ook de laadregelaar naar achteren verdwijnen. Maar zorg ervoor dat je paneel makkelijk te openen is voor onderhoud, herstellingen en aanpassingen.

Denk ook aan je stroomuitvoer. Waar wil je je toestellen kunnen inpluggen, en wat voor connectoren ga je gebruiken? De 12V-tegenhanger van het stopcontact (de zogenaamde sigarettenaansteker-stekker) is het meest voorkomende type, maar er zijn alternatieven. Je kan ook apparaten aansluiten door de draden in een klemmenblok te schroeven of ze rechtstreeks op de stroomuitgang te solderen. Dat kan handig zijn voor een ledstrip, bijvoorbeeld. Uiteraard heb je dan een aan-uitschakelaar nodig om de verlichting uit te zetten.

Het grootste nadeel van laagspanningsstroom is het relatief hoge energieverlies tijdens de elektriciteitsoverdracht, vooral voor krachtige apparaten. Daarom horen de stopcontacten zo dicht mogelijk bij de rest van de zonne-installatie te liggen. Installeer daarom best meerdere, afzonderlijke systemen in plaats van een gecentraliseerde installatie met vele meters distributiekabels. Kies dikkere elektrische draden als je laagspanningsstroom over langere afstanden wil verdelen.³

Afbeelding: Het bedieningspaneel voor de fietsgenerator [die ik samen met Marie Verdeil in 2022 bouwde](https://qelnixcor.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/) kan ook met zonnepanelen werken. Hiermee kunnen zonnepanelen een apparaat rechtstreeks van stroom voorzien of een loodzuuraccu opladen, afhankelijk van welke circuits je inschakelt. Het enige onderdeel dat verandert (en dat niet in het bedieningspaneel zelf zit) is de laadregelaar. De fietsgenerator heeft een windregelaar in plaats van een zonnelaadcontroller.

Afbeelding: Een bedieningspaneel bestaande uit losse modules. Van links naar rechts: multimeter, aan-uitschakelaar, DC-DC-converters, dimmer.

Afbeelding: een op maat gemaakte zonnelaadregelaar voor een modeltrein op directe zonne-energie. Ze heeft een spanningsregelaar in plaats van een DC-DC-omzetter. Een DC-DC-omzetter reduceert de uitgangsspanning tot een vooraf ingestelde waarde die geen verband houdt met de ingangsspanning. Een spanningsregelaar daarentegen verlaagt de uitgangsspanning in relatie tot de ingangsspanning. Foto door Marie Verdeil.

Waar vind je apparaten die werken op gelijkstroom?

Het weglaten van een omvormer impliceert het gebruik van apparaten die op laagspanning en op gelijkstroom werken. Dat is niet zo ingewikkeld als het klinkt. Allereerst werken veel apparaten intern al op laagspanningsstroom: alle USB-apparaten, ledverlichting, andere elektronica en draadloze elektrische gereedschappen. Elk apparaat met een adapter – de tegenhanger van de omvormer – kan rechtstreeks op een laagspanningsnetwerk worden aangesloten simpelweg door het netsnoer te vervangen of aan te passen. Je kan bijvoorbeeld een laptop op laagspanning laten werken als je de standaardadapter vervangt door een 12V adapter voor in de auto.¹³ In de meeste situaties is het dus niet nodig om apparaten aan te passen.

In andere gevallen vergt het aanpassen van een apparaat op 12V/24V meer werk en kennis. Sommige toestellen – zoals digitale tv’s en LED-armaturen – hebben een AC/DC-adapter binnenin, waardoor je ze moet openen en componenten moet verwijderen. Of misschien moet je een AC-motor vervangen door een DC-motor. Het aanpassen en maken van laagspanningsapparaten is een te breed onderwerp om in deze handleiding in detail te bespreken. In toekomstige handleidingen zal Low-tech Magazine daar dieper op ingaan. Marie Verdeil heeft bijvoorbeeld een industriële ventilator omgebouwd om op 1V tot 24V te werken en tot 250 watt koelvermogen te leveren. Hij kan rechtstreeks door een zonnepaneel aangedreven worden (zie video) of via een batterij.

Afbeelding: AC-ventilator omgebouwd tot DC-ventilator. Foto door Marie Verdeil.

Afbeelding: AC-ventilator gedemonteerd. Foto door Marie Verdeil.

Afbeelding: DC-motor ter vervanging van een AC-motor. Foto door Marie Verdeil.

Afbeelding: Een boormachine die is omgebouwd om op laagspanningsgelijkstroom te werken. Foto: Marie Verdeil.

Tenslotte kan je een ruim assortiment aan commerciële 12V of 24V toestellen kopen die ontworpen zijn voor gebruik in auto’s, vrachtwagens, zeilboten en kampeerwagens. Dat gaat van een ventilator tot een waterkoker of koelkast. Helaas zijn deze toestellen vaak redelijk duur en niet altijd van goede kwaliteit. Ze zijn ook gemaakt om in erg kleine ruimtes te gebruiken en zijn dus meestal te compact om handig te zijn in ’normale’ huishoudsituaties. Over het algemeen is het beter om een al bestaand apparaat om te vormen of gewoon een nieuw toestel te bouwen.

zie https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-3/ohms-law-again/ ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎ ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/2016/05/how-to-get-your-apartment-off-the-grid/ ↩︎ ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/2015/05/how-sustainable-is-stored-sunlight/ ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/nl/2023/08/direct-solar-power-off-grid-without-batteries/ ↩︎
zie Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Bekijk ook deze PowerPoint van dezelfde auteur. Zie ook: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Bekijk ook deze video. ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/2015/04/how-sustainable-is-pv-solar-power/ ↩︎
zie https://libre.solar. Zie ook: “Do it yourself 12 volt solar power”, by Michel Daniek, Permanent Publications, Third Edition 2015. ↩︎
Tenzij je andere vormen van energieopslag gebruikt, zoals het geval is bij koelkasten en kooktoestellen op directe zonne-energie. ↩︎
https://qelnixcor.cloud/nl/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/ ↩︎
zie https://www.wikihow.com/Solder-Wires-Together ↩︎
zie https://qelnixcor.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/images/Wiring-on-off-switch2_hu619c03e126fba9507b966073be9e16b5_65316_800x800_fit_q90_h2_box_3.webp ↩︎
Je kan nog verder gaan en de uitgangsspanning van de DC-DC-converter instellen op de exacte spanning die de laptop nodig heeft. Dan kan je de auto-adapter achterwege laten. ↩︎

Bouw een fietsgenerator voor warmte en elektriciteit

Sun, 06 Mar 2022 00:00:00 +0000

Beeld: de fietsgenerator in de woonkamer.

Artikel

Technische handleiding

Inleiding

Er is geen tekort aan handleidingen voor fietsgeneratoren, zowel online als in boeken. Maar toen Low-tech Magazine zelf zo’n energiecentrale wilde maken, bleek de beschikbare informatie toch onvolledig. Meestal ligt de nadruk op het bouwen van de krachtbron zelf, terwijl er nauwelijks aandacht is voor hoe de opgewekte elektriciteit praktisch kan worden gebruikt. Simpelweg een generator aan een fiets koppelen levert geen bruikbare energiebron op.

Om hier een mouw aan te passen, bouwden we niet alleen een fietsgenerator maar ook een controlepaneel in de vorm van een “dashboard” dat aan het stuur is bevestigd. Met het controlepaneel kan een grote verscheidenheid aan apparaten van stroom worden voorzien of opgeladen – ongeacht het voltage waarop ze werken. Bovendien kunnen meerdere apparaten tegelijk worden gevoed, zodat de fietser de weerstand op de pedalen zeer precies kan aanpassen voor een optimale trainingssessie.

We hebben ook geprobeerd om de krachtbron zelf te verbeteren. Hoewel er goede handleidingen beschikbaar zijn, wilden we een fietsgenerator die makkelijk te bouwen is (zonder het gebruik van een lasapparaat), comfortabel is in het gebruik, zo compact mogelijk, en niet al te lelijk. De machine staat opgesteld in een kleine woonkamer en moet uitnodigen tot energieproductie. We vonden de oplossing in een oude hometrainer met een vliegwiel, een benadering die we nog niet eerder hebben gezien.

Uitproberen en vergissen

De fietsgenerator en het bedieningspaneel zijn ontworpen en gemaakt in samenwerking met Marie Verdeil als onderdeel van haar stage bij Low-tech Magazine. Omdat de handleidingen ons in de steek lieten, volgden we een “trial-and-error” aanpak. Dat was tijdrovend en duur, maar het leverde veel inzichten op. We hebben veel fouten gemaakt die de gebruikers van onze handleiding kunnen vermijden.

We zijn geen ingenieurs, en we verwelkomen technische feedback voor verdere verbeteringen - zie ook de reacties op de Engelstalige versie van het artikel. Op basis van die feedback en meer experimenten met de fietsgenerator - die nu een aantal maanden in gebruik is - zullen we de handleiding bijwerken en uitbreiden. Ons ontwerp kan worden aangepast aan ieders behoeften.

Nieuwkomers kunnen een aantal eerdere artikelen lezen waarop dit project verder bouwt (ze staan bijna allemaal nog op de oude website): De vergeten toekomst van de energiefiets (2011), Hoe milieuvriendelijk is de energiefiets? (2011), Kan een moderne samenleving op menselijke spierkracht draaien? (2016), Een huishouden op gelijkstroom (2016), Hoe bouw je een 12V zonne-installatie? (2016), en Hoeveel energie hebben we nodig? (2018).

Het zal duidelijk zijn dat een fietsgenerator geen huishouden met een hoog verbruik van energie zal voorzien – tenzij de nodige voorraad slaven kan worden gevonden. Deze handleiding is bedoeld voor mensen met een energiezuinige levensstijl.

De fietsgenerator

Er zijn vele manieren om een fietsgenerator te bouwen. Elke manier heeft voor- en nadelen. Wij hebben onze fietsgenerator gebaseerd op een vintage hometrainer uit de jaren vijftig. Onze fiets is gemaakt door het Spaanse merk BH, maar soortgelijke ouderwetse modellen zijn overal in de geïndustrialiseerde wereld te vinden.

Beeld: De hometrainer uit de jaren vijftig. Aan de voorkant zit een zwaar vliegwiel.

Het vliegwiel

Onze aanpak heeft verschillende voordelen. Het eerste en belangrijkste voordeel is dat oude hometrainers een groot vliegwiel hebben. De meeste fietsgeneratoren die vandaag de dag door knutselaars worden gebouwd, hebben geen vliegwiel. Dat maakt ze vermoeiend en oncomfortabel in het gebruik.

Een vliegwiel is essentieel omdat het gebruik van een stationaire fiets een heel andere ervaring is dan fietsen op de weg. De kracht die onze voeten op de pedalen zetten, piekt elke 180 graden van de rotatie van de kruk. Op de weg heeft dit weinig effect omwille van de inertie van de fietser.

Op een stationaire fiets daarentegen leidt het tot schokkerige bewegingen en extra belasting van de onderdelen. Het vliegwiel lost dit probleem op door zijn massa en rotatiesnelheid, wat resulteert in een comfortabel trapritme. Je wordt minder snel moe en je kan meer energie opwekken. Een vliegwiel produceert ook een meer constante elektrische spanning.

Onze aanpak maakt het ook mogelijk om een fietsgenerator te bouwen met eenvoudig gereedschap en basisvaardigheden. Er moet geen metaal worden gesneden of gelast – de fiets blijft zoals hij is. ¹ Het is ook niet nodig om een ondersteunende structuur te bouwen – de fiets heeft die al. Het enige wat we toevoegden was een frictieaandrijving – een klein wiel dat aan de generator wordt bevestigd en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt.

Beeld: De frictieaandrijving - een klein wiel dat aan de as van de generator is bevestigd en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt.

Onze methode resulteert ook in een zeer compacte fietsgenerator van iets meer dan 1 meter lang. Tenslotte, en hoewel dit een kwestie van persoonlijke smaak is, resulteert het in een machine die mooi is om naar te kijken. De fiets is gekocht van iemand uit een naburig dorp die hem als decoratie in de huiskamer had staan.

Als nadeel zou je kunnen noemen dat een frictieaandrijving minder energie-efficiënt is dan een tandwiel- of riemaandrijving. Het hogere rendement van het vliegwiel compenseert dat echter. Alleen een combinatie van vliegwiel en tandwiel- of riemaandrijving zou het beter doen - maar zo’n fietsgenerator zou dan weer een stuk moeilijker te bouwen zijn. Een ander nadeel is dat onze machine geen schakelbare versnellingen heeft - daarover later meer.

Maximale vermogensopbrengst

Het vermogen (uitgedrukt in watt of W) van een fietsgenerator komt overeen met de spanning (voltage of V) vermenigvuldigd met de stroom (ampère of A). Wij verkregen ruwweg 100 watt (12V, 8-9A) aan vermogen tijdens een korte en zware inspanning. Tijdens een matige inspanning – die we een veel langere tijd kunnen volhouden – ligt de vermogensproductie tussen 45 en 75 watt. Het vermogen hangt niet alleen af van de fiets, maar ook van de persoon die de fiets bedient. Atleten zouden meer vermogen kunnen produceren, terwijl bankzitters (aanvankelijk!) minder zouden genereren. ² ³

We hebben het vermogen direct na de generator gemeten. Je moet echter meer kracht op de pedalen zetten om dat vermogen te verkrijgen. Om te beginnen is geen enkele generator 100% efficiënt. Onze generator bereikt zijn maximale efficiëntie (75-78%) bij een vermogen van meer dan 6A (72W). De efficiëntie neemt af wanneer je minder vermogen produceert: ze daalt tot 60% bij 3A en tot minder dan 45% bij 2A. Ten tweede zijn er energieverliezen in de aandrijflijn tussen de pedalen en de generator. We kunnen deze niet meten, maar volgens de gegevens die we hebben gevonden, introduceert een frictieaandrijving gemiddeld 15% extra energieverliezen.

Rekening houdend met efficiëntieverliezen in zowel de generator als de frictieaandrijving, moet je dus minstens 150 watt op de pedalen zetten om een vermogen van 100 watt te verkrijgen. Er zijn extra energieverliezen in de fiets zelf. In theorie heeft een fietsaandrijving lage energieverliezen, hooguit een paar procent. In de praktijk kunnen deze energieverliezen echter groot zijn. Dat hebben we onbedoeld bewezen. Onze stroomproductie verdubbelde nadat we de fietsaandrijving grondig hadden schoongemaakt en geolied. We maakten de fout om de fiets pas helemaal aan het eind schoon te maken. Dat dwong ons tot aanpassingen aan het bedieningspaneel omdat er plots veel meer stroom doorheen kwam.

Pedaalkracht: wat zijn de uitdagingen?

Op een fietsgenerator moet je zowel het voltage (V) als het amperage (A) produceren dat het aangedreven apparaat vraagt. Dit is makkelijker gezegd dan gedaan. Elektrische apparaten werken op verschillende voltages en vragen niet allemaal evenveel stroom. Het voltage wordt bepaald door hoe snel je trapt, terwijl het amperage wordt bepaald door hoe hard je trapt.

Beeld: de fietsgenerator in werking.

1. Hoe produceer je de juiste spanning?

Een fietsgenerator produceert gelijkstroom laagspanning, vergelijkbaar met een fotovoltaïsche zonne-installatie (12V/24V). Het geproduceerde voltage hangt af van de rotatiesnelheid van de generator. De trapsnelheid en de reductieverhouding bepalen de rotatiesnelheid van de generator. In de handleiding bespreken we in detail hoe je de correcte reductieverhouding bekomt.

Samengevat moet je de buitendiameter meten van drie onderdelen (kettingwiel van de trapaandrijving, kettingwiel van het vliegwiel, en het vliegwiel zelf) en op basis van die data de juiste diameter berekenen voor het wieltje dat aan de as van de generator wordt vastgemaakt. Dit alles in functie van de gewenste voltage output.

Van zodra de reductieverhouding is bepaald, kan je in principe een lager of hoger voltage produceren door respectievelijk trager of sneller te trappen. Dat maakt het mogelijk om apparaten met verschillende voltages te doen werken. Praktisch is dat echter niet. Als we ervan uitgaan dat de generator 12V produceert bij een normale trapsnelheid, dan zou je in slow motion moeten trappen om 5V te produceren. Om 24V te produceren, zou je zo snel moeten trappen dat het moeilijk wordt om de voeten op de pedalen te houden. Versnellingen zouden het makkelijker maken om het geproduceerde voltage te variëren, maar onze fiets heeft die niet.

Als een apparaat ongeveer 12V nodig heeft, kan het doenbaar zijn om het direct op de generator aan te sluiten. Het vliegwiel helpt het geproduceerde voltage redelijk constant te houden. Gaat het echter over elektronische apparaten of batterijen, dan is er een zeer precies voltage nodig, Zoniet werken ze niet of raken ze beschadigd. Bovendien kan je op deze manier niet verschillende apparaten met verschillende voltages tegelijk aandrijven – wat een oplossing is voor het volgende probleem.

2. Hoe produceer je de juiste stroom?

Elektrische en elektronische apparaten kunnen heel verschillende eisen hebben als het op vermogen aankomt – zelfs al werken ze op hetzelfde voltage. Helaas is het veel moeilijker om de stroom precies te regelen dan de spanning. Hoe hard je moet trappen, wordt immers volledig bepaald door het apparaat dat je aandrijft. In sommige gevallen resulteert dat in een optimale weerstand op de pedalen. Veel vaker is de weerstand op de pedalen echter te hoog of te laag.

Enerzijds is de weerstand op de pedalen bijna nul bij het opladen van een smartphone of een relatief kleine loodzuuraccu. Anderzijds is de weerstand op de pedalen te hoog bij het voeden van een waterkoker of een koelkast. Sommige apparaten stellen wisselende eisen aan de stroomsterkte. De printer vraagt bijvoorbeeld tussen 25 en 70 watt stroom, afhankelijk van wat hij precies doet. Er zijn pieken in de stroomvraag na het opstarten en tussen pagina’s, en het afdrukken van afbeeldingen vergt meer inspanning dan het afdrukken van tekst.

3. Batterijen opladen

Off-grid fotovoltaïsche systemen laden vaak loodzuur batterijen op. Menskracht is niet afhankelijk van het weer en het tijdstip van de dag, maar het kan evengoed praktisch zijn om ze in een accu op te slaan voor toekomstig gebruik.

Uitgaande van 100 watt stroomproductie is het verleidelijk om overdreven optimistische berekeningen te maken over de tijd die nodig is om een accu op te laden. Als je bijvoorbeeld 100 wattuur nodig hebt om een batterij op te laden, kun je dat in een uur doen. Toch? Fout. Zelfs als je een vermogen van 100 watt een uur lang zou kunnen volhouden, dan nog beperkt de batterij hoeveel vermogen je erin kunt stoppen. Je kan niet even een korte en krachtige inspanning doen om de batterij sneller op te laden.

Loodzuur accu’s laden slechts tussen 10 en 25% van hun maximumcapaciteit op - en wij behaalden 10% voor alle geteste accu’s. Voor grote accu’s levert dat voldoende weerstand op de pedalen op. Een loodzuur batterij met de omvang van een autobatterij (ruwweg 60-80Ah) vraagt een vermogen van 85-115 watt, wat een zware inspanning vergt. Zo’n batterij volledig opladen (van 12V tot 13V) zou vijf uur duren, zonder rekening te houden met laad- en ontlaadverliezen (ongeveer 30%).

Voor kleinere loodzuur accu’s is de lage vermogensvraag echter problematisch. Er is weinig of geen weerstand op de pedalen (dus geen echte training), het is zeer inefficiënt (de generator heeft grote energieverliezen), en toch kost het evenveel tijd als het opladen van een veel grotere accu. Het opladen van een 12V accu met een opslagcapaciteit van 14Ah (vergelijkbaar met de accu die de website op zonne-energie voedt, vereist een vermogen van slechts 1,4A (20W).

Hetzelfde probleem doet zich voor met USB-apparaten. De vaakst gepromote toepassing van een fietsgenerator - bijvoorbeeld in treinstations en luchthavens - is het opladen van een smartphone. Maar dat vergt bijzonder weinig vermogen (5-10W) in vergelijking met wat de fiets kan produceren. (Bij sommige nieuwere modellen gaat het opladen sneller).

Je zou denken dat het opladen van een telefoonbatterij van 10Wh slechts 6 minuten zou duren bij een maximaal vermogen van 100W, maar het duurt net zo lang als wanneer je de stekker in het stopcontact steekt. Een veel kleinere handgenerator zou voldoende zijn om een smartphone op te laden, maar dan heb je je handen niet vrij.

Het controlepaneel: hoe deze problemen oplossen?

Om al deze problemen op te lossen, hebben we een controlepaneel gebouwd dat de stroom van de fietsgenerator verdeelt over schakelbare circuits met verschillende spanningen voor de werking van diverse apparaten. Je kan deze circuits afzonderlijk of in combinatie gebruiken, waardoor je de weerstand op de pedalen precies kunt instellen voor de optimale training. Je kan sommige apparaten ook rechtstreeks aansturen door hun vermogensvraag te verlagen.

Beeld: Het controlepaneel.

Beeld: Het controlepaneel gezien vanaf de zijkant.

1. Het voltage aanpassen: spanningsregelaars

Het is niet nodig om sneller of langzamer te trappen om het juiste voltage voor een apparaat te leveren. In plaats daarvan kan je gebruik maken van spanningsregelaars (“buck converters” en “boost converters”) - elektronische modules die een fluctuerende ingangsspanning omzetten in een stabiele uitgangsspanning.

“Buck converters” hebben een hogere ingangsspanning dan uitgangsspanning (ze verlagen het voltage), terwijl “boost converters” de spanning verhogen. Je kan de uitgangsspanning regelen door een klein schroefje op de module naar links or rechts te draaien. Er is meer informatie over buck en boost converters in de handleiding.

2. De stroom aanpassen: schakelbare circuits en dimmers

Je kan een elektrisch circuit bouwen met slechts één spanningsregelaar. Je kan dan de spanning aanpassen door aan het kleine schroefje te draaien telkens wanneer je een apparaat voedt dat een andere spanning vereist. Het bouwen van meerdere schakelbare circuits met verschillende spanningen brengt echter voordelen met zich mee. Niet alleen kan je gemakkelijk schakelen tussen verschillende soorten apparaten zonder dat je een schroevendraaier nodig hebt, je kan ook de weerstand op de pedalen aanpassen door meerdere circuits tegelijk open te zetten.

Het controlepaneel omvat:

Twee circuits voor het voeden of opladen van USB-apparaten (5V)
Drie circuits voor het voeden van 12V apparaten
Een circuit voor het opladen van loodzuur batterijen (14,4V)
Een circuit voor het voeden van apparaten die werken op 220V
Eén ongereguleerde stroomkring waarvan de uitgangsspanning overeenkomt met de ingangsspanning

Beeld: De voorkant van het controlepaneel.

Beeld: De achterkant van het controlepaneel.

Als er onvoldoende weerstand is op de pedalen, kan je de stroomvraag verhogen door meer circuits in te schakelen. Dat zal ook het rendement van de generator verhogen. Om de lage vermogensvraag en lange laadtijd van de batterijen aan te pakken, kun je de 5V en 14,4V circuits altijd open houden. Dat zorgt voor een elektrische basisbelasting van ruwweg 20W (twee tot vijf USB-apparaten en een loodzuuraccu van 14Ah). Alnaargelang de gewenste intensiteit van de training kan je vervolgens extra circuits openen en meer apparaten van stroom voorzien. Deze aanpak verkort de tijd die nodig is om batterijen op te laden niet. Maar het maakt de inspanning wel meer de moeite waard.

Een controlepaneel met alleen maar 5V USB circuits is een andere optie. Meer nog, je kan ons bedieningspaneel heel makkelijk zo inrichten. Je kan een handvol apparaten aansluiten op één enkele USB-uitgang, met een maximaal stroomverbruik van 10 watt (5V/2A). Ons dashboard heeft twee 5V-circuits - één dient in de eerste plaats voor de dashboardverlichting, maar je kan er een USB-verdelerhub aan toevoegen voor nog eens 10 W aan apparaten.

Je kan zes extra USB-voedingsuitgangen toevoegen door USB-aansluitingen op de drie 12V-uitgangen aan te sluiten, althans als je drie vrouwelijke 12V-aansluitingen toevoegt. Dat brengt de totale stroomvraag op 80 watt – genoeg om 10 tot 15 smartphones tegelijk op te laden. Er is tegenwoordig geen tekort aan USB-apparaten: telefoons, tablets, ebooks, powerbanks, fietsverlichting, camera’s, draadloze hoofdtelefoons, AA-batterijladers, enzovoort.

Dimmer

Als er te veel stroom wordt gevraagd, kan je een of meer circuits uitschakelen. Voor sommige krachtige 12V-apparaten kan je op het dashboard ook de stroom en dus de weerstand op de pedalen rechtstreeks verlagen met behulp van een variabele weerstand of potentiometer (beter bekend als een dimmer).

Wanneer je apparaten zoals de elektrische waterkoker of de Peltier-koelkast “dimt”, werken ze net zo goed, alleen langzamer. Zonder een potentiometer zouden alleen atleten deze apparaten (100-120W) gedurende een langere tijd van stroom kunnen voorzien. Als je van plan bent grote loodzuuraccu’s op te laden, kan je ook een dimmer toevoegen aan het 14,4V circuit. Dimmen werkt echter niet voor alle apparaten. Een laptop, bijvoorbeeld, zal zichzelf uitschakelen als hij niet de stroom krijgt die hij nodig heeft.

Door te schakelen tussen verschillende circuits en deze te combineren - en door de stroom op het 12V-circuit te regelen - kun je de weerstand op de pedalen net nauwkeuriger instellen dan op een hometrainer. Dat optimaliseert het uithoudingsvermogen, maar ook de vermogensproductie.

Het gebruik van de fietsgenerator: experimenten

Een fietsgenerator is het meest geschikt om elektrische apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien - zonder de energie eerst in een accu op te slaan. Dat voorkomt laad- en ontlaadverliezen (tot 30% bij loodzuur-batterijen) en vermindert de complexiteit en de kosten voor het opzetten van een praktische fietsgenerator. Voor dit doel beschikt het bedieningspaneel over verschillende 12V circuits en een 220V circuit.

Beeld: Enkele van de door ons geteste apparaten: luchtcompressor, lampen, Peltier-koelkast, dot-matrixprinter, elektrische waterkoker, soldeerbout.

Onder de 12V apparaten die we rechtstreeks van stroom hebben voorzien zijn een experimentele Peltier koelkast, een waterkoker, laptops - gevoed door een 12V adapter, en zonder batterij of met de batterij op 100% - lampen, een soldeerbout, een boormachine, en een schuurmachine. Er bestaan nog veel meer 12V-apparaten, die vooral bedoeld zijn voor vrachtwagenchauffeurs en automobilisten, zeelieden, of woonwagenbewoners.

Dit zijn alle apparaten die we tot nu toe van stroom hebben voorzien of hebben opgeladen:

Alle soorten USB-apparaten (5V)
Loodzuur batterijen van verschillende grootte (14.4V)
Peltier koelkast (12V)
Elektrische waterkoker (12V)
Soldeerbout (12V) (video)
boormachine met snoer (12V) (video)
Schuurmachine met snoer (12V)
Luchtcompressor (12V)
Modelspoorbaan (12V)
Naaimachine (220V)
Dot-matrix printer (220V) (video)
Stereo versterker + cd-speler (220V)
Stereo versterker + platenspeler (12V)
Laptops (12V, 220V)
Verlichting (5V, 12V, 220V) (video)
Ventilatoren (5V, 12V, 220V)

De verlichting van stroom voorzien is vaak praktischer met een accu, omdat je dan van verlichting kunt genieten zonder tegelijkertijd te hoeven trappen. Het is echter heel goed mogelijk om op de fiets een boek te lezen en tegelijkertijd de verlichting te voeden, vooral in de winter - het kost weinig inspanning, het is gezonder dan stilzitten, en het houdt je warm. Andere apparaten die zeer geschikt zijn voor “direct drive” menselijke energieproductie zijn elektrisch gereedschap en verwarmings- en koelapparaten.

1. Elektrisch gereedschap

Hoewel elektrisch gereedschap van 12 V veel wordt gebruikt, wordt het bijna altijd aangedreven door lithium-ionbatterijen. Je zou deze accu’s met menskracht kunnen opladen. Dat duurt echter lang, levert niet veel op en leidt tot aanzienlijke energieverliezen. Daarom is het zinvol om deze apparaten om te bouwen tot elektrische gereedschappen met een snoer. Op die manier hoef je alleen stroom te produceren wanneer je die nodig hebt, met een veel hogere efficiëntie. Bovendien hoef je niet meer te wachten tot de accu’s zijn opgeladen - het gereedschap is altijd klaar voor gebruik.

Het ombouwen van accu-aangedreven gereedschap naar een gereedschap met snoer kan vrij eenvoudig zijn. Nadat je de accu hebt verwijderd, zoek je de positieve en negatieve contacten en soldeer je er twee draden aan vast. Let erop dat je maar één kans krijgt om te beslissen welke het positieve of het negatieve contact is. Gereedschap van 12 V met ontbrekende of lege batterijen wordt meestal goedkoop verkocht op de tweedehandsmarkt.

Een boormachine met snoer is misschien wel het meest veelzijdige gereedschap. Uiteraard kan je er gaten mee boren of schroeven mee aandraaien. Maar je kan ze ook als een garde gebruiken (om eieren te kloppen), je kan er een stugge borstel op monteren (om verf te verwijderen of voorwerpen schoon te maken), een slijpschijf (om messen te slijpen), of een polijstschijf (om chroom of andere metalen en materialen te doen glanzen). Precisiegereedschap voor juwelen of modelbouw is ook goed te combineren met directe pedaalkracht. We zijn nog in de vroege testfase voor het ombouwen en gebruiken van elektrisch gereedschap van 12 V met snoer.

Hand- versus voet-aangedreven gereedschap

Vergeleken met mechanisch handgereedschap is door menskracht aangedreven elektrisch gereedschap minder energie-efficiënt. Elektrisch gereedschap brengt extra energieverliezen met zich mee - in de generator, de spanningsregelaar, de bedrading en de aandrijving. Dit wordt echter ruimschoots gecompenseerd door een energie-efficiënter gebruik van de menselijke krachtbron. Onze benen zijn ruwweg vier keer sterker dan onze armen.

Elektrisch werken is ook ergonomischer omdat het de handgewrichten en -spieren ontziet. Tientallen schroeven met de hand aandraaien is misschien duurzamer dan met een boormachine, maar het kan je pols ontwrichten. Met een fietsgenerator kan je dus sneller en ergonomischer werken zonder afhankelijk te zijn van een externe energiebron.

Mechanisch handgereedschap behoudt enkele voordelen: het is stil, draagbaar en minder energie-intensief om te produceren. Een derde optie combineert deze voordelen: pedaal-aangedreven mechanisch gereedschap. Het is echter een uitdaging om een compacte stationaire fiets te bouwen die veel verschillende gereedschappen kan aandrijven. Door plaatsgebrek was het de uitdrukkelijke bedoeling om de fietsgenerator zo compact en multifunctioneel mogelijk te houden.

Elektrisch gereedschap kan veel vermogen vragen, maar dat hoeft je niet tegen te houden. De schuurmachine heeft hooguit 30 watt nodig, maar onze boormachine kan tot 20A stroom vragen - wat te hoog is voor de fietsgenerator en het bedieningspaneel (12V×20A=240W). De machine zal dat vermogen echter zelden nodig hebben, tenzij je door harde materialen gaat boren.

Het gevraagde vermogen van elektrisch gereedschap zal toenemen wanneer het koppel toeneemt, zodat je voelt wanneer de boor door het materiaal is gegaan of wanneer de schroef is vast- of losgedraaid. Je kan het gereedschap even nauwkeurig met je voeten hanteren als met je handen.

2. Verwarmen en koelen

Elektrische verwarming en koeling zijn energie-intensief. Alternatieven, zoals directe zonnewarmte en biomassa, zijn duurzamer. Toch kunnen verwarming en koeling in je oefenroutine worden opgenomen en resultaten opleveren.

We passen dit principe toe met een elektrische waterkoker en een experimentele Peltier-koelkast. Beide apparaten zijn zeer goed geïsoleerd. Bijgevolg wordt het omzetten van menselijke energie in warmte of koude een andere (zeer goedkope en duurzame) vorm van energieopslag - zonder alle nadelen van batterijen.

Elektrische waterkokers die op netstroom werken zijn vaak zeer krachtig en koken water in enkele minuten of zelfs seconden. Water koken met behulp van een fietsgenerator kost veel meer tijd, maar het is mogelijk. We hebben een in de handel verkrijgbare 12V elektrische waterkoker aangeschaft met een goed geïsoleerd reservoir van een liter. Tijdens een test duurde het koken van water voor een kop thee iets meer dan een uur bij een gemiddeld vermogen van 60W.

De elektrische waterkoker kan ook warmwaterkruiken voor thermisch comfort bereiden. Daarvoor is meer water nodig dan voor een kopje thee, maar met een lagere temperatuur van ongeveer 60 graden Celsius. Tijdens een test duurde het verwarmen van een liter water voor een (kleine) warmwaterkruik 1 uur en 30 minuten bij een gemiddeld vermogen van 60 watt.

Na deze inspanning is een warmwaterkruik het laatste wat je nodig hebt. Sterker nog, tijdens die inspanning ben je zelf een ruimteverwarmer met een vermogen van enkele honderden watt, en kan je de luchttemperatuur in een kleine kamer verhogen. Het verwarmingselement zit als het ware in de energiefiets ingebouwd: de mens zelf. De geïsoleerde waterketel kan bovendien in een isolatiefornuis worden gestopt en uren later worden gebruikt wanneer je inactief bent en warmte nodig hebt.

Peltier koelkast

Commerciële 12V koelkasten zijn duur. Na onderzoek naar thermo-elektrische generatoren (TEG’s) werd het idee van een Peltier-koelkast geboren. Een Peltier-koelkast is in wezen een goed geïsoleerd isolatiefornuis (of hooikist) met een TEG er bovenop gemonteerd. Als er stroom op wordt gezet, wordt de module aan de ene kant heet en aan de andere kant koud, waardoor het inwendige van de container wordt gekoeld. TEG-koeling is niet bijzonder efficiënt. Het is echter stil, werkt zonder problematische koelgassen, en is de gemakkelijkste manier om zelf een koelkast te maken.

De TEG-koelkast is een vroeg prototype, dat nog verder moet worden getest en verbeterd. Om één TEG op vol vermogen aan te drijven is ruwweg 60 watt (12V×5A) nodig, gemeten direct na de generator. Dat is een goede training, en de dimmer maakt het mogelijk om de weerstand van de pedalen te verlagen. Het werd echter al snel duidelijk dat één TEG niet genoeg is voor de grootte van de koelruimte. We zullen een tweede moeten toevoegen voor een zwaardere training (60-100 watt), of het volume van de koelkast moeten verkleinen.

3. Netapparaten (220V)

Ons dashboard heeft ook een 220V circuit. Dat maakt het compatibel met apparaten die op het net werken. Het 220V circuit vereist een omvormer. De omvormer is te groot om in het dashboard op te nemen, dus hebben we hem in een houten kistje op het bagagerek geplaatst dat we vooraan bouwden.

Een 220V stopcontact is niet echt nodig. Veel 220V apparaten hebben 12V (of 24V) alternatieven die energie-efficiënter zijn voor gedecentraliseerde stroomproductie. We hebben echter een 220V circuit opgenomen voor het voeden van apparaten die (nog) niet zijn vervangen door of omgebouwd naar laagspanningsalternatieven: de dot-matrix printer, de naaimachine, de stereo-installatie, en de router.

De dot-matrix printer en de naaimachine zijn moeilijk te bedienen vanwege hun snel veranderende stroomvraag. Om bijvoorbeeld te voorkomen dat de spanning onder 12V daalt bij hoge vermogenspieken tijdens het printen, moet er zeer snel worden getrapt (rond 20V) om het vliegwiel voldoende inertie te geven. Een supercondensator zou dit kunnen oplossen – dit is iets wat we in de komende maanden zullen proberen. Een mechanische naaimachine en printer die met de voet worden aangedreven zouden veel energie-efficiënter zijn – maar veel minder ruimte-efficiënt.

Alternatieve configuraties: fietsgenerator met werktafel

Het bedieningspaneel is ontworpen om een grote verscheidenheid apparaten van stroom te voorzien, maar het kan ook een stuk eenvoudiger. Als je bijvoorbeeld alleen loodzuuraccu’s wilt opladen, is één 14,4V-schakeling voldoende. Dat levert een veel compacter bedieningspaneel op. Je kan uiteraard een spanningsregelaar gebruiken om elke spanning te creëren die je nodig hebt, bijvoorbeeld 3V, 6V, 9V, of 24V.

Als je echter hoofdzakelijk 24V apparaten wilt laten werken, is het een goed idee om ook de reductieverhouding aan te passen. Hetzelfde geldt als je alleen 14,4V lood-zuur batterijen wilt laden op een 12V systeem: pas de overbrengingsverhouding aan om 16-17V te genereren (nodig om de energieverliezen in de spanningsregelaar te compenseren).

Beeld: Het stopcontact (220V).

Beeld: Het \"bagagerek\" en de uitgangen van de verschillende circuits (ongereguleerd, 3x12V, 14.4V, 5V USB).

Beeld: De omvormer, laadregelaar en loodzuurbatterij.

Onze keuze voor een groot controlepaneel op het stuur heeft voor- en nadelen. Door het bedieningspaneel op de fiets zelf te plaatsen, is het gemakkelijk af te lezen en te bedienen. Het maakt de fietsgenerator ook draagbaar. Als de buurman noodstroom nodig heeft, pak je de fiets op. De keerzijde is dat het dashboard op de fiets meer trillingen veroorzaakt, wat meer lawaai produceert en energieverlies produceert. Dit is echter beperkt.

Het belangrijkste nadeel is dat zo’n groot bedieningspaneel op de fiets verhindert dat je in plaats daarvan een groot bureau op het stuur kunt plaatsen. Dat zou handig kunnen zijn om elektrisch gereedschap of een laptop te bedienen en tegelijkertijd stroom te leveren. Onze huidige opstelling is niet noodzakelijk ideaal voor het gebruik van elektrisch gereedschap. Er zijn twee mensen nodig - één om te fietsen en één om het elektrische gereedschap te bedienen. Evenzo kun je de laptop van een ander van stroom voorzien, maar niet die van jezelf terwijl je hem gebruikt.

We zijn van plan een tweede fietsgenerator te bouwen met een kleiner dashboard - één 12V circuit en twee USB poorten - en een werkruimte op het stuur. Zo’n fietsgenerator grijpt terug op soortgelijke (mechanische) fietsmachines uit het begin van de twintigste eeuw. Een andere optie is om het bedieningspaneel aan de muur te schroeven of in een rek te zetten - en de fietsgenerator ernaast te plaatsen. De omvormer, lood-zuur batterij, en wind laadregelaar - nu op de “bagagedrager” - kunnen ook weg van de fiets.

Hybride menskracht/zonne-energiesysteem

Onze menselijke krachtcentrale is de perfecte fitnessmachine - je eigen elektriciteit produceren werkt motiverend. De fietsgenerator is ook praktisch in noodgevallen, vooral als er genoeg menskracht beschikbaar is. In principe kan de fiets tot 2,4 kWh energie per dag produceren. Maar in de praktijk is de energieopbrengst natuurlijk afhankelijk van tijd die de leden van het huishouden aan het fietsen kunnen of willen besteden.

In elk geval is een fietsgenerator een uitstekende aanvulling op een off-the-grid zon-PV systeem, tenminste in een energiezuinig huishouden. Het vermogen van de fietsgenerator is niet afhankelijk van het weer, de seizoenen, of het tijdstip van de dag. Menskracht kan extra energie leveren bij slecht weer, waardoor er minder dure en niet-duurzame batterijen nodig zijn. Dat is vooral nuttig in de winter, wanneer het PV-systeem op zonne-energie veel minder stroom produceert, en wanneer de inspanning die nodig is om de fiets te bedienen je tegelijk ook warm houdt - daar zit wellicht de grootste besparing.

Er is voldoende zonne-energie in de zomer - wanneer het vaak te warm is om een stationaire fiets te gebruiken. Op een normale fiets wordt je afgekoeld door de luchtweerstand, maar dat is bij een energiefiets uiteraard niet het geval. Je kan de opgewekte energie gebruiken om jezelf te koelen met ventilatoren, maar dan kom je al gauw in een absurde situatie terecht.

Beeld: De fietsgenerator staat vlak naast de fotovoltaïsche systemen. Het uiteindelijke plan is om beide energiesystemen te integreren.

Met een vermogen van 50-100 watt is de fietsgenerator krachtiger dan de twee zonnepanelen die ernaast op het balkon staan: het 50 watt zonnepaneel dat de verlichting in de woonkamer van stroom voorziet en het 30 watt zonnepaneel waarop de website draait.

De zonnepanelen bereiken zelden of nooit hun maximale stroomproductie, en bij slecht weer produceren ze tien keer minder stroom dan de fietsgenerator. Gedurende langere periodes van slecht weer gaan de verlichting en de website daarom af en toe uit. Een of twee uur per dag op de fietsgenerator zou dit kunnen verhelpen. Een andere mogelijkheid is om met trapkracht elektrisch gereedschap of andere apparaten te bedienen zonder de energieopslag van het fotovoltaïsche zonnesysteem leeg te trekken.

Het is ook mogelijk om het bedieningspaneel te gebruiken met een zonnepaneel in plaats van een fietsgenerator. Je kan dan zonne-energie gebruiken om apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien - zonder dat je daarvoor een zonne-laadregelaar en een accu nodig hebt. Je kan de wind laadregelaar ook vervangen door een zonnelaadregelaar, en dan kan je kiezen of je de zonne-energie rechtstreeks gebruikt of opslaat.

Als je de wind-laadregelaar vervangt door een hybride laadregelaar voor zon en wind, kan je beide energiebronnen gebruiken om dezelfde accu op te laden of apparaten rechtstreeks van stroom te voorzien. Zonne-energie en menselijke energie kunnen ook tegelijkertijd worden geproduceerd, waardoor het vermogen toeneemt. Het wordt dan mogelijk om apparaten aan te drijven die te krachtig zijn voor de zonne-installatie of de fietsgenerator alleen.

Technische handleiding: de fietsgenerator

Beeld: De frictieaandrijving.

Welke generator heb je nodig?

Om de mechanische energie van het vliegwiel om te zetten in elektriciteit heb je een 12V/24V DC magneetgenerator nodig met een maximaal vermogen van ongeveer 150-250 watt. Niet elke generator is goed. Je hebt er een nodig die bij een vrij lage snelheid loopt (minder dan 5000 onbelaste t/min) om 12 of 24V te verkrijgen met een praktische overbrengingsverhouding (zie verder). Veel generatoren moeten op hogere snelheden draaien om 12V of 24V te genereren, en daarmee kan je niet meer dan een paar volt produceren bij een gemiddelde trapfrequentie.

Zorg ervoor dat je een geborstelde gelijkstroommotor kiest. Borstelloze gelijkstroommotoren zullen niet werken omdat ze een zeer hoge rotatiesnelheid nodig hebben. Wanneer je online zoekt, zal “gelijkstroommotor” meer resultaten opleveren dan “gelijkstroomgenerator” - beide zijn goed.

Wisselstroomdynamo’s werken ook, en ze worden vaakt in fietsgeneratoren gebruikt omdat ze goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen zijn (ze zitten in auto’s). Ze zijn echter inefficiënt en vereisen een 9V batterij om op te starten.

Ideaal en goedkoop zijn gelijkstroomgeneratoren van afgedankte elektrische scooters of fietsen. Wij kochten de Ampflow Pancake Motor P40-250. Deze generator heeft een onbelast toerental van 1700 bij 12V en een maximaal vermogen van 250 watt. Je kunt hem stevig vastschroeven op een metalen of houten ondergrond, wat een hoop moeite spaart.

Hoe bereken je de reductieverhouding?

De door de generator opgewekte spanning (V) is recht evenredig met de rotatiesnelheid van de generator (het toerental of “omwentelingen per minuut”). De rotatiesnelheid van de generator is echter geen vast gegeven. Ze hangt af van hoe snel je trapt (het aantal omwentelingen van de pedalen) en van de overbrengingsverhouding tussen de pedalen en de generator. De gemiddelde omwentelingssnelheid van de pedalen op een stationaire fiets - een comfortabel traptempo dat je lang kunt volhouden - is ruwweg 60 RPM (“rounds per minute”). Het kan nauwkeurig worden berekend met een toerenteller of met low-tech trucs. ⁴

Onze fietsgenerator maakt gebruik van een frictieaandrijving. Die bestaat uit een klein wiel dat is vastgemaakt aan de as van de generator en tegen het vliegwiel wordt aangedrukt. Het berekenen van de reductieverhouding impliceert het meten van de buitendiameter van vier onderdelen: het tandwiel van de pedalen, het tandwiel van het vliegwiel, het vliegwiel, en het kleine wiel dat op de generator zit. In ons geval zijn de eerste drie bekend, terwijl de laatste uit te zoeken was.

Hoe groot het wiel op de as van de generator moet zijn, hangt van de specificaties van de generator en van het voltage dat je wil produceren. Dit leverde ons hoofdbrekens op totdat iemand ons de juiste formules doorspeelde (dank u, Gabriel Verdeil!).

Om te beginnen moet je het onbelaste toerental van je generator vinden. Deze informatie (“no load RPM”) wordt verstrekt door de fabrikant. Onze generator heeft een onbelast toerental van 3400 bij 24V. Deze verhouding is evenredig – je kan het vereiste toerental berekenen voor om het even welk voltage. Bijvoorbeeld, bij 12V is het onbelaste toerental 1700 RPM (3400/24×12), en bij 16V is het 2267 RPM (3400/24×16).

Vervolgens meet je de buitendiameter van de andere, eerder genoemde onderdelen. Het maakt daarbij niet uit of je mm, cm, of een andere eenheid gebruikt, maar wees consistent. Nu heb je alle gegevens om de diameter van het wiel op de as van de generator te berekenen. Hieronder staat de formule, gevolgd door de berekening voor ons specifieke geval (uitgaande van 60 RPM op de pedalen):

Diameter wiel generator = (PS×W×RPM pedalen)/(WS×RPM generator)

PS = diameter tandwiel van pedalen
W = diameter van het vliegwiel
RPM pedalen = hoe snel je trapt
WS = diameter tandwiel van vliegwiel
RPM generator = het onbelaste toerental van de generator

Wieldiameter voor onze configuratie (in mm) om verschillende spanningen te produceren:

12V = (190×525×60)/(60×1700) = 58,68mm wieldiameter.
13V = (190×525×60)/(60×1842) = 54,15 mm wieldiameter.
14V = (190×525×60)/(60×1983) = 50,30 mm wieldiameter.
15V = (190×525×60)/(60×2125) = 46,94 mm wieldiameter.
16V = (190×525×60)/(60×2267) = 44,00 mm wieldiameter.
17V = (190×525×60)/(60×2408) = 41,42 mm wieldiameter.
24V = (190×525×60)/(60×3400) = 29,34 mm wieldiameter.

De precieze spanning die je nodig hebt - en dus de precieze diameter - hangt af van wat je met de generator wilt gaan doen. In de handleiding voor het bedieningspaneel gaan we hier uitgebreid op in. Stel dat je loodaccu’s wil opladen (die tot 14,4V nodig hebben). Als je een elektronische regelaar gebruikt die de spanning verlaagt, moet je bijna 17V produceren om de energieverliezen van de spanningsomzetting goed te maken. Dat resulteert in een wieldiameter van 41,42mm. Deze configuratie is te zien in de onderstaande illustratie.

Je kan de formule op verschillende manieren gebruiken. Je kan het minimum toerental van de pedalen berekenen voor een gegeven wieldiameter; je kan het toerental van de generator berekenen op basis van een gegeven toerental van de pedalen en wieldiameter; en je kan de spanning berekenen die door een gegeven configuratie zal worden geproduceerd. Hieronder vind je de formules, gevolgd door een voorbeeld gebaseerd op de hierboven geïllustreerde configuratie:

Bereken het minimumtoerental aan de pedalen voor een bepaalde wielgrootte aan de as van de generator (S):

RPM generator/[(PS×W)/(FS×S] * 2260/[(190×525)/(60×41)] = 55,81 RPM aan de pedalen.

Bereken het toerental van de generator bij een gegeven wieldiameter aan de generator en toerental aan de pedalen:

(PS/FS)×(W/S)×RPM bij de pedalen * (190/60)×(525/41)×55 = 40,61 (overbrengingsverhouding)×56 = 2274 RPM

Bereken de spanning voor een gegeven RPM bij de generator:

Generator RPM×No load RPM verhouding * 2274×(3400/24) = 16.1V

Waar vind ik een wiel voor de generator?

Het uitzoeken van de wieldiameter is slechts de helft van het werk. Het kan een uitdaging zijn om een wiel te vinden dat de correcte diameter heeft, van het juiste materiaal is gemaakt, en compatibel is met de as van de generator. We hebben een tiental wieltjes geprobeerd alvorens we er één vonden dat redeljk goed werkt. Het vliegwiel heeft een zeer harde oppervlakte en vereist bijgevolg een relatief zacht wiel van rubber of polyurethaan.

Beeld: Een greep uit onze testwieltjes.

Belangrijk is dat het materiaal de wrijving aankan. Sommige plastics hebben de neiging om warm te worden en te smelten. Ter waarschuwing: het vinden van het juiste wiel heeft ons heel veel tijd gekost - enige frustratie is dus te verwachten, Een snellere weg die je zou kunnen nemen, is het (laten) ontwerpen van een op maat gemaakt onderdeel, zoals wordt beschreven in de handleiding van magnificientrevolution.org.

Het kopen van een DC generator met een voorgeïnstalleerd wiel is wellicht de eenvoudigste oplossing, maar tegelijk ook de duurste. Pedal Power Generator verkoopt bijvoorbeeld een 360W generator met een polyurethaan wiel van 37,5 mm voor 250 euro - ongeveer vier keer meer dan wat wij hebben betaald. Je kan bovendien geen wieltje kiezen met een andere diameter. Dat betekent dat je de uitgangsspanning niet kunt regelen, tenzij je de tandwielen in de aandrijflijn van de fiets vervangt. In ons geval zou het 37,5mm wiel 18V produceren, wat te veel is.

Hoe bevestig je het wiel aan de generator?

Onze generator werd geleverd met een geïntegreerde tandwiel-aandrijving. Die moesten we verwijderen om het wiel te kunnen bevestigen. Een nylon borgmoer met een omgekeerd loopvlak houdt het tandwiel vast. Je moet deze naar rechts losdraaien en daar heb je waarschijnlijk een klem voor nodig.

Beeld: De generator met schroefas.

Beeld: De generator met een wiel van 41 mm.

Onze generator heeft een as met een diameter van 8 mm, terwijl ons polyurethaan wiel op een as met een diameter van 10 mm past. Daarom gebruiken we een “schachtas”, die beide diameters met elkaar verbindt. Om de schachtas goed te bevestigen, kun je gebruik maken van de D-snede op de as van de generator. Een schachtas met schroefdraad en stelschroeven is handig om verschillende wielen te testen.

We bevestigden de schachtas met stelschroeven op de vlakke sectie van de schacht van de generator. Het wiel kan op de schachtas (M10) worden vastgezet met een paar sluitringen en een moer. Een askoppeling kan ook dienen als een heel klein wiel met een diameter die slechts een beetje groter is dan die van de as van de generator. Deze askoppeling kan je ook gebruiken om de as van de generator aan een andere as met een wiel vast te maken. Voor onze opstelling was dit niet ideaal omdat de schroeven van de askoppeling iets boven de koppeling uitsteken en het vliegwiel beschadigen.

Hoe bevestig je de frictieaandrijving aan de fiets?

We schroefden de generator op een houten plank en drukten het kleine wiel tegen het vliegwiel aan met behulp van een ondersteunende constructie uit hout. De plank is aan de fiets bevestigd met een sterke deurscharnier. Die laat toe om de hoek aan te passen waarmee het kleine wiel contact maakt met het vliegwiel. De houten constructie rust op een lapje kurk dat de trillingen buffert.

Het is uitermate belangrijk om alles zeer stevig vast te maken, zoniet is de kans groot dat het wiel niet op zijn plaats blijft als de fiets wordt gebruikt. Er mag geen enkele speling op de constructie zitten. Zie ons eerste prototype voor een andere methode.

Beeld: de frictieaandrijving.

Handleiding: het controlepaneel

Spanningsregelaars en dimmers

Spanningsregelaars zijn elektronische modules die een fluctuerende ingangsspanning omzetten in een constante uitgangsspanning. Zogenaamde “buck converters” hebben een hogere ingangsspanning dan de uitgangsspanning (ze verlagen het voltage), terwijl “boost converters” een hogere uitgangsspanning hebben dan de ingangsspanning (ze verhogen het voltage).

Je kan in beide gevallen het uitgangsvoltage aanpassen door een heel klein schroefje op de module (je hebt daarvoor een hele kleine schroevendraaier nodig). Sommige spanningsregelaars worden geleverd met een klein digitaal scherm dat de uitgangsspanning aangeeft, wat erg handig is. Als dit niet het geval is, kan je een multimeter gebruiken om de uitgangsspanning in te stellen.

Let erop dat je ofwel een buck of een boost converter kiest. Gebruik GEEN zogenaamde “buck/boost converter”. Dit is een soort micro-bankvoeding waarbij de uitgangsspanning moet worden aangepast telkens als het systeem wordt ingeschakeld. Dit is onpraktisch en kan schade toebrengen aan elektronische apparaten. Een buck- of boostconverter daarentegen onthoudt de uitgangsspanning telkens wanneer je hem opstart.

Koop ook GEEN spanningsregelaar die de uitgangsspanning regelt in verhouding tot de ingangsspanning (“voltage regulator”). Als de ingangsspanning verandert, verandert namelijk ook de uitgangsspanning. Je hebt een buck- of boostconverter nodig waarbij de ingangsspanning kan fluctueren maar de uitgangsspanning stabiel is. De terminologie kan verwarring scheppen, zeker in het Nederlands, omdat beide modules vertaald worden als “spanningsregelaar”.

Ten slotte moet je de maximale stroomsterkte controleren voordat je een buck- of boostconverter koopt. Sommige modules kunnen maar 2A aan, wat niet krachtig genoeg is voor een fietsgenerator. Je hebt er een nodig die minstens 5A aankan en bij voorkeur een die 10A of 15A aankan – afhankelijk van je conditie en waarvoor je de fiets gebruikt.

Spanning verhogen of verlagen?

Of je voor een buck- of een boostconverter kiest, hangt af van zowel de spanning die de generator produceert als de spanning van het apparaat (of apparaten) die je wil voeden of opladen. Als de fietsgenerator 12V produceert en je wil USB-apparaten van 5V opladen, dan moet de spanning naar beneden worden bijgesteld en heb je dus een buck converter nodig. Deze kleine modules met een USB-connector zetten een fluctuerende spanningsingang om in een constante 5V spanningsuitgang. ⁵

Als je 12V apparaten van stroom wilt voorzien of loodaccu’s (14,4V) wilt opladen, kunnen zowel een buck als een boost converter werken. Als je voor een buck converter kiest, moet de fietsgenerator een spanning hebben die iets boven 12V of 14,4V ligt (respectievelijk 13-14V en 16-17V). Dit hogere voltage is nodig om de energieverliezen bij de omzetting te compenseren. Als je een boost converter gebruikt, moet de spanning van de generator onder de 12V of 14,4V blijven.

Een buck converter zal nooit de gekozen uitgangsspanning overschrijden, ongeacht hoeveel volt de generator produceert. Een boost converter daarentegen garandeert je weliswaar een minimale uitgangsspanning, maar stelt geen maximale uitgangsspanning in. Als je te snel trapt, kan de uitgangsspanning de limiet overschrijden en het apparaat of de batterij die je voedt of oplaadt beschadigen.

Voor ons eerste dashboardprototype hebben we alleen buck converters gebruikt. Voor de tweede versie gebruikten we een boost convertor om de loodzuur batterijen op te laden. De generator moet 16-17V produceren om een uitgangsspanning van 14,4V te verkrijgen met een buck converter. Dat is prima als je alleen loodzuuraccu’s wilt opladen, omdat je dan de overbrengingsverhouding kunt aanpassen om 16-17V te produceren bij een comfortabele pedaalsnelheid. Als je de overbrengingsverhouding echter optimaliseert voor lagere spanningen - zoals wij hebben gedaan - dan moet je nogal snel trappen als je het opladen van batterijen in je training meeneemt.

Wind-laadregelaar

De fietsgenerator moet tot 14,4V leveren om loodzuuraccu’s op te laden - de maximale spanning die een loodzuuraccu nodig heeft. In principe heb je daar alleen maar een spanningsregelaar voor nodig, maar er is één nadeel: je kan op die manier de batterij overladen, wat tot een explosie kan leiden.

Je kan dit risico op een lowtech manier vermijden - door de amperemeter in de gaten te houden. Zodra de stroomsterkte daalt tot 3% van de nominale opslagcapaciteit van de batterij (in Ah), is de batterij volledig opgeladen en moet je stoppen met trappen. Omdat je zelf de stroombron bent en bijgevolg zeker aanwezig en wakker bent, is deze aanpak veel minder riskant dan wanneer je op dezelfde manier batterijen zou opladen met zonne-energie.

Toch is het een goed idee om meer zekerheid toe te voegen. Een laadregelaar voor zonne-energie biedt deze zekerheid in een PV-systeem. Hij onderbreekt de stroomtoevoer wanneer de spanning boven 14,4 V stijgt. Een laadregelaar voor zonne-energie werkt echter niet wanneer hij wordt gekoppeld aan een fietsgenerator. In plaats daarvan heb je een wind-laadregelaar nodig, die op een andere manier werkt.

In plaats van de belasting tot nul te reduceren, verhoogt een wind-laadregelaar deze plotseling en “remt” de energiebron af. Als je een buck converter gebruikt, zal de wind-laadregelaar de rem alleen maar activeren als je de batterij dreigt te overladen. De buck converter beperkt de uitgangsspanning immers tot 14,4V. Gebruik je een boost converter, dan zal de laadregelaar elke keer remmen wanneer je per ongeluk een spanning van 14,4V overschrijdt.

Wind-laadregelaars hebben drie groene elektrische draden om de energiebron op aan te sluiten. Je kan om het even welke twee van deze drie draden nemen en ze verbinden met de plus en de min van de generator - het maakt niet uit welke draad waar wordt verbonden. De meeste in de handel verkrijgbare wind-laadregelaars zijn veel te krachtig voor een fietsgenerator, dus neem de kleinste die je kan vinden.

Helaas wordt er veel rommel verkocht. We hebben twee laadregelaars teruggestuurd naar de fabrikant. Eén windregelaar met scherm kwam zonder handleiding, en niemand kon ontdekken hoe hij werkte. De hybride wind/zonne-regelaar die we geprobeerd hebben, was gevaarlijk. Het zonnepaneel overlaadde de batterij. Dit apparaat hield ook de elektrische rem een half uur lang in stand als we het voltage overschreden, en blokkeerde zo voor lange tijd de menselijke stroomproductie.

Draden, connectoren, diodes, zekeringen, aan-uit knoppen

Om het controlepaneel te bouwen heb je elektrische kabels, connectoren, diodes, zekeringen en schakelaars nodig.

Elektrische kabels

Het bedieningspaneel bevat ongeveer tien meter elektrische kabels. Het belangrijkste is echter niet de lengte, maar de dikte van de kabels. Kies je voor te dunne kabels, dan kan het circuit vlam vatten tijdens een zware training. Het maken van de juiste keuze kan verwarrend zijn omdat er verschillende normen bestaan. Wij bedraadden het dashboard met een 20AWG 0.52mm2 kabel die 11A aankan. Een betere optie zou een 18AWG 0.82mm2 kabel zijn geweest, die 16A stroom aankan. Wees voorzichtig bij het strippen van de kabels: als je te diep knipt, kan de kabel minder stroom opnemen.

Connectoren

Elektrische bedrading kan op verschillende manieren worden verbonden. Wij kozen voor hefboomconnectoren. Die zijn redelijk groot en duur, maar erg handig. Er moet niet geschroefd of gesoldeerd worden en de draden zitten toch erg goed vast. Hefboomconnectoren kunnen twee tot tien kabels met elkaar verbinden. De bedrading van het controlepaneel kan rommelig worden, dus enige planning is nuttig. Zorg ervoor dat je de kabels niet te kort afknipt, maar ook niet te lang.

Zekeringen

Je kan een fietsgenerator en controlepaneel bouwen zonder zekeringen, maar dan bestaat er een risico op beschadiging, bijvoorbeeld door brand of kortsluiting. Een zekering onderbreekt het elektrische circuit wanneer het voltage een bepaalde stroomsterkte overschrijdt. De capaciteit van de zekering (uitgedrukt in ampère) moet net iets hoger zijn dan de verwachte stroom. Onze maximale stroomproductie is 8 tot 9A, en we plaatsten een zekering van 12A tussen de generator en het controlepaneel. We plaatsten ook zekeringen tussen het controlepaneel en de meeste apparaten.

Aan-uit schakelaars

Schakelbare circuits vereisen aan-uit knoppen. Ons dashboard heeft er negen. We wilden schakelaars die oplichten wanneer ze actief zijn, zodat meteen duidelijk wordt welke elektrische circuits in werking zijn wanneer de pedaalkrachtgenerator wordt gestart. Lampjes maken de bedrading van de aan-uit schakelaars echter ingewikkelder. Omdat we liever niet wilden solderen, kochten we schakelaars die al bedrading hadden. Die dikke kabels namen echter te veel ruimte in beslag, zodat we de schakelaars toch nog moesten solderen. Schakelaars zonder lichtjes maken de bedrading van het controlepaneel een stuk eenvoudiger en compacter.

Beeld: De bedrading van de schakelaars.

Schottky diode

Een Schottky diode zorgt ervoor dat de stroom slechts in één richting door een kabel kan stromen. Dit kleine onderdeel is essentieel wanneer er batterijen aan het systeem zijn gekoppeld. Zonder een diode zou de batterij de generator kunnen aandrijven (de generator wordt dan een elektrische motor). Een Schottky-diode vlak na de generator verhindert dit. De diode moet de juiste stroomsterkte hebben: net iets boven de maximale stroomproductie, net zoals een zekering. Wij plaatsten een 10A Schottky diode.

Dashboard Instrumenten

Het bedieningspaneel heeft verschillende displays die de spanning en stroom in verschillende elektrische circuits weergeven. De analoge volt- en ampèremeters bovenaan zijn het belangrijkst. Ze geven aan hoeveel vermogen de generator produceert (V×A=W). De voltmeter vertelt je hoe snel je trapt, de ampèremeter hoe hard je trapt.

Analoge V&A-meters zijn het nauwkeurigst in het midden van hun bereik, dus kozen we een voltmeter die tot 30V gaat en een ampèremeter tot 15A. Een digitale V&A meter is compacter, maar analoge meters geven variaties beter weer en verbruiken geen elektriciteit. Boven de analoge meters bevindt zich een USB-connectie om een klein LED-lampje aan te sluiten. Daarmee kan de V&A meter ook in het donker in het oog worden gehouden.

Beeld: De bedrading van de analoge voltmeter en ampèremeter.

Onder de V&A-meter bevinden zich drie spanningsmeters voor elke buck- en boostconverter. Deze tonen de uitgangsspanning voor elk van de circuits. De uitgangsspanning moet 12,0V bedragen voor de 12V en 220V elektrische circuits, en 14,4V voor het 14,4V circuit. De eerste twee kunnen onder die waarde komen als je niet snel genoeg trapt. De laatste kan boven die waarde komen als je te snel trapt - iets wat de windregelaar ook duidelijk zal maken door af te remmen. Er zit ook een spannings- en stroommeter op het 5V circuit. Dat helpt om de stroomproductie te maximaliseren door zoveel mogelijk USB-apparaten toe te voegen (tot 2A).

Nog twee instrumenten staan niet op het dashboard zelf: de spanningsmeter van de loodzuur batterij en de temperatuurmeter voor de elektrische waterkoker en de Peltier koelkast. Beide kunnen de energieproducent motiveren. Als je op een gewone fiets stapt, dan resulteert je inspanning in een afgelegde afstand. Stationair fietsen kan daarentegen erg saai zijn - je gaat nergens heen. De instrumenten helpen om doelen te stellen.

Bevestiging van het controlepaneel

Het bedieningspaneel is aan het stuur bevestigd. Aan de voorkant van de fiets is een “bagagerek” toegevoegd voor extra onderdelen die niet op het controlepaneel passen, zoals een omvormer, een windregelaar, en een loodzuuraccu. Deze zitten verborgen in een houten kistje met deksel - let op voldoende luchtgaten voor het ventileren van de batterijgassen. Bovenop het deksel bevinden zich de voedingsuitgangen voor elk circuit en een USB-distributieknooppunt. De kabels van het dashboard gaan door de holle buis van het stuur en dan via een opening het houten kistje binnen.

We hebben een lasersnijder gebruikt in een makerspace (MADE Barcelona) om het paneel te produceren. Alle onderdelen zijn gemonteerd in of ingeklemd tussen twee lagen 4mm MDF. Je kan het frontpaneel makkelijk verwijderen als er iets moet worden vervangen of gerepareerd. Een transparante acrylplaat beschermt de buck en boost converters. Die kan er snel worden afgeschroefd om de uitgangsspanning aan te passen. Het dashboard is aan het stuur van de fiets bevestigd met rubberen buisklemmen, M8 dopmoeren en bouten.

De elektrische bedrading

Het volledige controlepaneel:

1: Schottky diode. 2: Zekering. 3: Kabels. 4: Analoge ampère- en voltmeter. 5: Schakelaars. 6: Connectoren. 7: USB ledverlichting.

5V circuit:

8: USB Buck converter. 9: USB Volt- & Ampèremeter. 10: USB verdeelstekker.

12V circuit:

11: Buck Converter. 12: Dimmer.

14.4V circuit:

13: Boost converter. 14: Windregelaar. 15: Loodzuurbatterij. 16: Voltmeter batterij.

220V circuit:

17: Buck Converter. 18: Omvormer.

Handleiding: componentenlijst

Waar mogelijk hebben we de precieze technische naam van het component toegevoegd (in het Engels) om online zoeken te vergemakkelijken.

Generator

Motor (x1). Ampflow P40 - 250W Pancake DC Geborstelde motor 24-12V. 1. Schachtas (x1). “Threaded Shaft Arbor conversion from 8mm to M10”
Wiel (x1).

Dashboard

Schottky diode (x1). “BOJACK Diode Schottky 10SQ045 (10A 45V)”
Zekering (x1). 1. Analoge ampèremeter (x1). “Analog Ammeter DH-670 0-5A Class 2.0” & Analog voltmeter (x1) — “Analog Voltmeter DH-670 DC 0-30V Class 2.0”
Schakelaar met ledverlichting (x8) — “KR1-5 Series Rocker ON/OFF Switch 12V 20A 3 pins with LED”
Connectoren (≈16 in verschillende afmetingen) 1. 5V USB Ledverlichting. 1. 5V Buck converter (x2). “Buck Converter MH KC24 DC-DC 24-12V Charging Step Down to 5V USB with Fast Charging Protocol.”
5V USB Volt- en Ampèremeter. 1. 5V USB Verdeelstekker. 1. 12 V 5A Buck Converter (x2). “Buck Converter DC-DC Adjustable 12-24-36V 5A”
Dimmer & 12V DC stekker (x1). “RUIZHI DC 12V waterproof Female Car Cigarette Lighter Socket.”
Boost Converter (x1). 1. Windregelaar (x1) — “Asixx Waterproof Wind Charge Controller 24-12V 300/600W.”
Voltmeter batterij. 1. 12V 15A Buck Converter — “Buck Converter 200W 15A DC 3-60V to 1-36V step-down adjustable voltage regulator synchronous rectifier module.”
Omvormer (x1) — DC 12V naar AC 220V, een vermogen van 150 of 300 watt volstaat. 1. Kabels (+10m). “0.52mm2 10M conductor parallel silicon wires 20AWG 11A” (Let op: 10 meter positief en 10m negatief)

Hardware

M3 bouten. Om de elektronische componenten aan het bedieningspaneel te bevestigen.
M6 bouten. Om de generator aan de houten plank vast te maken.
M8 bouten. Om de voor- en achterzijde van het bedieningspaneel aan elkaar vast te maken.
Grote deurscharnier. Om de generator makkelijk in de juiste hellingshoek te zetten.
Metalen klemmen met rubber bescherming. Om het dashboard aan het stuur van de fiets te bevestigen.
Houtlijm, schroeven, bouten, sluitringen en moeren. Voornamelijk gebruikt voor de constructie van de bagagedrager.

De kosten

We lijsten enkel de kosten voor de componenten op die we effectief gebruikten:

Generator

Tweedehands hometrainer: 60 euro
Generator (nieuw): 60 euro
Schachtas: 10 euro
Wieltje: 3 euro
Totaal: 133 euro

Dashboard (alle circuits)

Bedrading: 17 euro
Connectoren: 25 euro
Analoge voltmeter: 9 euro
Analoge ampèremeter: 9 euro
Schakelaars: 20 euro
Diode: 1 euro
Zekering: 1 euro
Totaal: 82 euro

5V circuit

5V USB buck converter (2x): 8 euro
5V USB V&A meter: 8.50 euro
USB verdeelstekker: 30 euro
Totaal: 46.5 euro

12V circuit

12V 5A buck converter (2x): 24 euro
12V 5A boost converter: 8 euro
12V 15A buck converter: 25 euro (extra circuit dat we later toevoegden)
Dimmer: 7.50 euro
Totaal: 64.5 euro

14.4V circuit

Omvormer: 50 euro
Batterij (14Ah): 31 euro
Windregelaar: 34 euro
Totaal: 115 euro

Hardware

Vastmaken van bedieningspaneel en generator: +/-30 euro

Totale kost

Algemeen totaal: 471 euro

Het kan uiteraard een stuk goedkoper. Onze fietsgenerator is ook bedoeld als demonstratiemodel, daarom kan hij vrijwel alles. Een minimalistische versie bouw je voor minder dan 150 of 200 euro.

Maximale stroomsterkte van alle componenten

Alle gebruikte onderdelen moeten de stroom aankunnen die er doorheen gaat. Het voltage is meestal geen probleem, maar je moet op de stroomsterkte letten. De vermogensproductie van onze fietsgenerator was aanvankelijk beperkt tot ongeveer 60 watt (12V, 5 A) - maar dat was voordat we de aandrijving van de fiets grondig hadden schoongemaakt en geolied. Na het schoonmaken ontdekten we dat de motor bijna het dubbele vermogen kon produceren (12V, 8-9A). Dat betekende dat we enkele updates moesten uitvoeren.

Componenten worden duurder naarmate hun maximale stroomcapaciteit toeneemt. Voor de 12V, 220V, en 14.4V circuits hielden we ons aan een limiet van 5A. Hoewel de fietsgenerator meer vermogen kan produceren, combineren we meestal verschillende circuits - elk beperkt tot 5A. We hebben een extra 12V circuit toegevoegd met een 15A buck converter en dikkere elektrische kabels om een krachtiger apparaat te kunnen gebruiken. Voorlopig omzeilt dit circuit het dashboard volledig.

Bekabeling: 11A, 18A voor het extra circuit
USB buck converters: 2A
2x Buck converters: 5A
1x Buck converter: 15A
Boost converter: 5A
Schakelaars: 20A
Diode: 10A
Zekering: 12A
Connectoren: 20A

Benodigde gereedschappen

Kabelstripper (om elektrische bedrading op maat te knippen)
Zeer kleine schroevendraaier (om de uitgangsspanning op buck en boost converters aan te passen)
Rekenmachine, multimeter, toerenteller
Soldeerbout. We hebben de aan/uit schakelaars en de twee USB buck converters gesoldeerd. Dit kan echter worden vermeden. Schakelaars kunnen voorbedraad worden gekocht en er zijn alternatieve opties voor de USB converters.
Houtzaag: om het bagagerek te maken
Metaalzaag: om draadstangen op maat te zagen
Boormachine: om het bagagerek en het dashboard te monteren
Steeksleutelset: erg handig als je aan een fiets werkt.

Het eerste prototype

Het bedieningspaneel kan verschillende vormen aannemen en met andere gereedschappen en materialen worden gebouwd. Voordat we het definitieve dashboard bouwden, maakten we een werkend prototype met behulp van afvalhout en meccano. Het werd aan het stuur bevestigd met ijzerdraad en houten balkjes.

Zoals op de laatste foto te zien is, schroefden we aanvankelijk de generator op een grote houten plank en zetten de fiets er bovenop. Om ervoor te zorgen dat het kleine wiel precies op de juiste plek het vliegwiel raakte, maakten we openingen in de plank voor de vier poten van de stationaire fiets. Deze opstelling werkte prima en was handig om verschillende wieltjes uit te proberen, maar ze vergde veel meer vloerruimte dan onze definitieve configuratie.

Met dank aan Adriana Parra, Eris Belil, Gabriel Verdeil, en Manvel Arzumanyan.

Er is echter één uitzondering. We moesten de mechanische rem verwijderen waarmee de weerstand op de pedalen van de hometrainer wordt afgesteld. We hebben dit deel met een kleine metaalzaag doorgezaagd. ↩︎
Het is belangrijk dat je zadel op de juiste hoogte staat om de vermogensproductie te maximaliseren. Het zadel op onze fiets is te laag. We moeten een langere zadelpen vinden. ↩︎
De weerstand op de pedalen hangt af van het apparaat dat je aandrijft. Als je een smartphone oplaadt, zul je slechts een paar watt kunnen produceren - net zoveel als de smartphone nodig heeft. Om het maximale vermogen van een fietsgenerator te achterhalen heb je dus een apparaat of multimeter nodig die krachtiger is dan jijzelf. Wij deden de test met een elektrische luchtcompressor. ↩︎
Om het toerental aan de pedalen te berekenen fiets je 15 seconden en tel je het aantal volledige pedaalomwentelingen (het linker- of rechterpedaal neemt een volledige slag). Vermenigvuldig dit aantal met vier. ↩︎
Er zijn vele andere soorten USB-aansluitingen, maar die vereisen een constante 12V-ingang. ↩︎

Kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove staat naast zijn derde zonnepaneel. Bron: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Efficiënter, minder duurzaam

Sinds Bell Labs in de jaren vijftig van de twintigste eeuw het eerste praktische fotovoltaïsche zonnepaneel presenteerde, is de technologische ontwikkeling gericht geweest op verlaging van de kosten en verhoging van het rendement van zonnecellen. Volgens deze normen hebben onderzoekers veel vooruitgang geboekt. De efficiëntie van zonnepanelen is gestegen van minder dan 5% in de jaren 1950 tot meer dan 20% vandaag, terwijl de kosten zijn gedaald van 30 dollar per wattpiek in 1980 tot minder dan 0,2 dollar per wattpiek in 2020. Lagere kosten - waartoe hogere rendementen bijdragen - worden van het allergrootste belang geacht omdat zij het mogelijk maken dat PV-panelen op de markt kunnen concurreren met elektriciteit die wordt opgewekt met fossiele brandstoffen.

Op het gebied van duurzaamheid is er echter nog maar weinig vooruitgang geboekt. Om te beginnen zijn zonnepanelen al sinds de jaren vijftig ongeschikt voor recyclage, met als gevolg een afvalstroom die op stortplaatsen terechtkomt. Deze afvalstroom zal de komende jaren sterk toenemen. Zonnepanelen worden pas na minstens 25 tot 30 jaar weggegooid, en de meeste zijn pas de laatste jaren geïnstalleerd. Tegen 2050 verwachten onderzoekers dat bijna 80 miljoen ton zonnepanelen het einde van hun levensduur zullen bereiken. ¹ ² ³ Dat is een aanzienlijke verspilling van grondstoffen en een gevaar voor het milieu - afgedankte fotovoltaïsche panelen bevatten giftige elementen en vormen een brandgevaar.

De nood aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen verhindert de kleinschalige productie van zonnepanelen.

De productie van fotovoltaïsche panelen is al even problematisch. Zij produceert giftig afval en vereist een wereldwijde toeleveringsketen, met kapitaalintensieve fabrieken, complexe machines, gedolven materialen en een gestage toevoer van fossiele brandstoffen. In levenscyclusanalyses van zonnepanelen berekenen wetenschappers hoeveel energie en materialen er nodig zijn om een zonnepaneel te bouwen. Deze onderzoeken negeren echter de enorme hoeveelheid energie en materialen die nodig zijn om de fotovoltaïsche toeleveringsketen zelf op te zetten en te onderhouden. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Bijgevolg onthullen deze studies niet de werkelijke kosten van zonnepanelen in termen van afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, emissies, en andere milieuverontreiniging. Bovendien verhinderen de behoefte aan kapitaalintensieve technologie en lange aanvoerlijnen de kleinschalige productie van zonnepanelen, bijvoorbeeld door minder welvarende samenlevingen of autonome gemeenschappen.

Inspiratie vinden in het verleden

Zijn fotovoltaïsche panelen inherent niet-duurzaam, niet-recycleerbaar en afhankelijk van hoogtechnologische en kapitaalintensieve productieprocessen? Of is het mogelijk om ze te bouwen met lokale, recycleerbare en minder energie-intensieve materialen en productiemethoden? Met andere woorden, kunnen we lowtech zonnepanelen bouwen? En zo ja, wat zou dat betekenen voor de kosten en de efficiëntie?

Voordat we deze vraag proberen te beantwoorden, is het belangrijk op te merken dat het beste low-tech alternatief voor een high-tech zonnepaneel vaak niet een low-tech zonnepaneel is, maar direct gebruik van zonne-energie. Dat wil zeggen, zonne-energie gebruiken zonder deze eerst om te zetten in elektriciteit. Een waslijn en een zonneboiler zijn bijvoorbeeld veel efficiënter, duurzamer en zuiniger dan een elektrische droogtrommel en een zonneboiler met PV-panelen. Direct gebruik van zonne-energie is mogelijk met lokale materialen, relatief eenvoudige fabricagetechnologieën en korte aanvoerlijnen.

Toch neem ik in dit artikel de vraag letterlijk: kunnen we low-tech fotovoltaïsche apparaten bouwen, die zonlicht omzetten in elektriciteit? In een vorig artikel hebben we gezien dat de geschiedenis inspiratie biedt voor het bouwen van duurzamere windturbines. Kan de geschiedenis ons ook inspireren om duurzamere zonnecellen te maken?

De voorgeschiedenis van zonnecellen

Het fotovoltaïsche paneel van Bell Labs, dat in 1954 werd gepresenteerd, kwam niet uit de lucht vallen. De silicium zonnecel had zijn wortels in minder complexe apparaten die elektriciteit konden produceren uit licht of warmte.

In 1821 ontdekte Thomas Seebeck dat een elektrische stroom ontstaat in een stroomkring van twee ongelijksoortige metalen, waarvan de verbindingen verschillende temperaturen hebben. Dit “thermo-elektrisch effect” vormde de basis voor de “thermo-elektrische generator” – die warmte (bijvoorbeeld van een houtkachel) rechtstreeks omzet in elektriciteit. In 1839 ontdekte Antoine Becquerel dat licht ook in elektriciteit kon worden omgezet, en in de loop van de jaren 1870 bewezen verschillende wetenschappers dit effect in vaste stoffen, met name in selenium. Dit “foto-elektrisch effect” vormde de basis voor de “foto-elektrische generator” - wat wij nu een “fotovoltaïsche” generator of PV zonnecel noemen. In 1883 construeerde Charles Fritts de eerste fotovoltaïsche module ooit gemaakt, met behulp van selenium op een dunne laag goud. ¹² ¹³ ¹⁴

Gedurende deze periode - en tot de jaren 1950 - waren de praktische toepassingen van thermo-elektrische en foto-elektrische apparaten beperkt. Uitvinders bouwden vele experimentele thermo-elektrische generatoren, gewoonlijk aangedreven door een gasvlam, maar hun efficiëntie bedroeg niet meer dan 1%. Ook het zonnepaneel van Charles Fritts, en de daarna gemaakte selenium zonnecellen, haalden slechts 1-2% rendement bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. ¹⁵ Kortom, de periode vóór de jaren vijftig lijkt op het eerste gezicht niet veel inspiratie te bieden voor het bouwen van duurzamere PV-panelen.

Een vergeten pionier van zonne-energie

Maar zou het kunnen dat de prehistorie van het zonnepaneel onvolledig is? In 2019 ontving ik een mail uit de Verenigde Staten van een lezer van Low-tech Magazine, Philip Pesavento:

“Ik bestudeer al sinds het begin van de jaren negentig een vroege pionier op het gebied van zonneceltechnologie uit het pre-WWI tijdperk. Ik word te oud om hier nog iets mee te doen, en ook al zijn er een of twee wetenschappelijke artikelen over de heer Cove verschenen, ze hebben volledig gemist wat hij heeft bereikt. Ik voeg een PDF bij van een PowerPoint die ik in 2015 in elkaar heb gezet en nooit aan iemand heb gepresenteerd. Als u geïnteresseerd bent om zelf een artikel te schrijven, kan ik u een thumb drive mailen met al het achtergrondmateriaal dat ik heb verzameld.”

Als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses kloppen, was George Cove van plan om een thermo-elektrische generator te bouwen, maar maakte hij per ongeluk een fotovoltaïsche generator - een PV-zonnecel. Hoewel dit begin 1900 gebeurde, bereikte Cove een vergelijkbaar vermogen en rendement als de Bell Labs wetenschappers in 1954. Zijn ontwerp bereikte ook veel hogere prestaties dan de selenium zonnecellen die tussen de jaren 1880 en de jaren 1940 werden gebouwd. Philip Pesavento:

“Het zou heel opwindend zijn om te bewijzen dat relatief hoog-efficiënte zonnecellen 40 jaar vóór de ontwikkeling van siliciumcellen werden uitgevonden. Belangrijker is dat als blijkt dat er al vóór de Eerste Wereldoorlog een fotovoltaïsch zonnecel- en paneelsysteem bestond, dit ook voordelen zou kunnen hebben met betrekking tot de betaalbaarheid van grondstoffen, het lage energieverbruik om de ertsen om te zetten in metaalhoudende materialen, de efficiëntie van de uiteindelijke PV-cellen, en het gemak van fabricage.”

Met andere woorden, als Philip Pesavento’s historische verslag en hypotheses juist zijn, is het misschien mogelijk om low-tech zonnepanelen te bouwen.

George Cove’s elektrische zonnegenerator

George Cove presenteerde zijn eerste “elektrische zonnegenerator” in 1905 in de Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Canada. Afgezien van een afbeelding zijn er geen gegevens over dit paneel. ¹⁶ Het vermogen en de efficiëntie waren echter opmerkelijk genoeg voor Amerikaanse investeerders om een deskundige naar Halifax te sturen. Op basis van het onderzoek van de machine door deze deskundige brachten zij Cove vervolgens naar de VS (Sommerville, Mass.) om de ontwikkeling van zijn apparaat voort te zetten.

Cove presenteerde daar in 1909 zijn tweede elektrische zonnegenerator. Dit paneel van 1,5 m2 kon 45 watt vermogen produceren en was 2,75% efficiënt in het omzetten van zonne-energie in elektriciteit. Medio 1909 was Cove verhuisd naar New York City, waar hij zijn derde prototype presenteerde, een zonne-installatie bestaande uit vier zonnepanelen van elk 60 wattpiek, die in totaal vijf loodaccu’s oplaadden. Het totale oppervlak was 4,5 m2, het maximale vermogen was 240 watt, en de efficiëntie steeg tot 5% - vergelijkbaar met het eerste zonnepaneel dat door Bell Labs werd gepresenteerd. ¹⁷

Hierboven: Het eerste zonnepaneel van George Cove, gedemonstreerd in 1905. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het tweede zonnepaneel van Cove, waarvan een deel ontbreekt. Bron: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hierboven: Het derde zonnepaneel van George Cove. De panelen zijn nu schuin geplaatst in plaats van horizontaal. Bron: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Hierboven: Een van de zonnepanelen van Cove's derde zonnepaneel, met de glazen afdekking verwijderd. Bron: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Hoewel George Cove in de meeste historische verslagen over zonne-energie ontbreekt, maakte zijn elektrische zonnegenerator indruk op sommige populaire technische media van die tijd. Zo schreef Technical World Magazine in 1909 dat “zo’n machine goedkoop en onverwoestbaar is als een keukenfornuis. Zelfs in zijn huidige en ietwat ruwe en experimentele staat zal het, gegeven twee dagen zon, voldoende elektrische energie opslaan om een gewoon huis een week lang te verlichten. De uitvinder heeft dit nu maandenlang in zijn inrichting bewezen”. ¹⁸

Pluggen in asfalt

Hoe slaagde George Cove erin een zonnepaneel te bouwen dat zijn tijd 40 jaar vooruit was? Volgens Philip Pesavento, die een achtergrond heeft in halfgeleidertechniek, was Cove van plan een betere thermo-elektrische generator (TEG) te bouwen. Hij stelde zijn generator bloot aan de warmte van een houtkachel en aan directe zonne-energie – Edward Weston had in 1888 de eerste experimentele thermo-elektrische zonnegenerator (of STEG) gemaakt. De bedoelingen van Cove blijken ook duidelijk uit de manier waarop hij zijn apparaat beschreef: “Het frame bevat een aantal ruiten van violet glas, waarachter door een asfaltlaag vele kleine metalen pluggen zijn aangebracht. Eén kant van de pluggen is altijd blootgesteld aan zonlicht, terwijl de andere kant koel en beschut is.”

Het creëren van een zo groot mogelijk temperatuurverschil is de sleutel tot thermo-elektrische energieproductie, dus Cove’s ontwerp is logisch. Het probleem is dat zijn generator niet reageerde op warmte zoals een thermo-elektrische generator verondersteld werd te doen. Aanvankelijk merkt Cove op dat zijn uitvinding zowel warmte als licht gebruikt om elektriciteit te produceren bij blootstelling aan zonne-energie:“Het voornaamste deel van mijn uitvinding is de eigenaardige samenstelling van de metalen pluggen die zodanig door de zon worden beïnvloed dat de stroom niet alleen door warmtestralen wordt opgewekt, maar ook door de violette stralen”.

Na verdere experimenten met zowel de houtkachel als zonne-energie, verklaart Cove echter: “Wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan verschillende bronnen van kunstmatige warmte geeft het geen enkele stroom. Behalve de warmtestralen van de zon (kortgolvig infrarood) zijn misschien de violette of ultraviolette stralen actief bij het op gang brengen van de elektrische stroom”.

De primaire cel van het PV-paneel van Cove was een 7,5 cm lange plug of staaf van een legering van verschillende gangbare metalen. Het paneel van 1,5 m2 had 976 staafjes, terwijl de installatie van 4,5 m2 4 keer 1804 staafjes had. De staven aan de ene kant koel en aan de andere kant warm houden - gescheiden door een asfaltlaag - deed er echter niet toe. Wat wel uitmaakte was dat Cove onbewust een metaal-halfgeleidercontact had gemaakt.

De bandkloof van de halfgeleider

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd. Pas met het werk van Einstein over het foto-elektrisch effect (in 1905) en later werk in de kwantummechanica (jaren 1930 en daarna) werd het concept van een halfgeleiderbandkloof gerealiseerd. Elektronen draaien om de kern van een atoom in verschillende “toestanden”, die gebieden vormen die “banden” worden genoemd. Deze banden houden de elektronen stevig op hun plaats. Tussen deze banden bevinden zich “bandkloven” of “verboden zones” - toestanden waarin geen elektron zich kan bevinden.

George Cove begreep niet hoe zijn zonnegenerator werkte, evenmin als iemand anders in die tijd.

In isolatoren (zoals hout, glas, kunststoffen of keramiek) is er een zeer brede bandkloof, die de stroom blokkeert. Geleiders hebben geen bandkloven, en dus stromen er elektronen doorheen. Daarom geleidt bijvoorbeeld een koperdraad elektriciteit. In halfgeleiders ten slotte, is er een relatief smalle bandkloof. Daardoor kunnen ze ofwel als een isolator ofwel als een geleider werken. Halfgeleiders kunnen geleiders worden wanneer zij een “foton” (een elementair lichtdeeltje) absorberen met een energiepotentiaal gelijk aan of groter dan de bandkloof van het halfgeleidermateriaal. ¹⁹

Het inzicht in halfgeleiders leidde tot de geboorte van de moderne fotovoltaïsche cel in de jaren 1950. Het verbeterde ook de prestaties van thermo-elektrische generatoren - zij het om verschillende redenen. Thermo-elektrische generatoren maken geen gebruik van de bandkloof van halfgeleiders. Halfgeleiders hebben echter hogere thermovolumes en lagere thermische geleidbaarheid dan metaal en metaallegeringen zonder bandkloof, waardoor thermo-elektrische generatoren efficiënter zijn.

Schottkydiode

Om een fotovoltaïsch effect op te wekken, moet er inhomogeniteit in het systeem zijn. In de jaren 1950 slaagden Bell Labs wetenschappers erin dit te doen met de zogenaamde p-n junctie, die een grens vormt tussen een positief geladen en een negatief geladen halfgeleider. P-type halfgeleiders hebben een tekort aan elektronen, terwijl N-type halfgeleiders extra elektronen hebben. Op de overgang tussen beide is een elektrische potentiaal.

Het is echter ook mogelijk een PV-cel te maken met een zogenaamde Schottkydiode, die een halfgeleider met een metaal verbindt. In dit geval fungeert het metaal als de n-type halfgeleider. Philip Pesavento:

“Mijn hypothese is dat George Cove op een Schottkydiode fotovoltaïsche cel stuitte, tientallen jaren voordat deze door Walter Schottky werd beschreven. ²⁰ Deze apparaten kunnen zowel een fotovoltaïsche (overwegend) als een thermo-elektrische reactie opwekken. De staafjes waren een legering van zink en antimoon - waarvan we nu weten dat het een halfgeleider is. Ze waren aan de uiteinden afwisselend bedekt met alpaca (een legering van nikkel, koper en zink) en koper. Dit vormde respectievelijk een ohms contact en een Schottky-contact. Dit is een fotovoltaïsch apparaat.”

Toevallige ontdekking

Volgens Philip Pesavento is George Cove waarschijnlijk begonnen met alpaca als negatief materiaal aan beide uiteinden van de pluggen, en een antimoon-zink legering (ZnSb) als positief materiaal. Dit waren de best beschikbare thermo-elektrische materialen in die tijd:

“Waarschijnlijk was het alpaca op en verving hij het door koper om staafjes te maken, omdat het verschil in thermo-elektrische spanning tussen koper en alpaca klein was. Tijdens het testen merkte Cove op dat deze plugs (met een alpaca kapje aan het ene eind en een koperen kapje aan het andere eind) een veel groter voltage gaven: honderden millivolt tegenover de gebruikelijke tientallen millivolt voor een thermo-elektrische generator.”

Door koper te gebruiken, had Cove zonder het te weten een Schottkydiode gemaakt. Dat veranderde zijn thermo-elektrische generator in een “thermofotovoltaïsche generator”. Zo’n apparaat werkt hetzelfde als een fotovoltaïsche zonnecel, maar op een andere golflengte. Het zonnespectrum bestrijkt een gebied van ongeveer 0,5 tot 2,9 elektronvolt (eV), van infrarood tot ultraviolet. Een halfgeleider met een bandkloof tussen 1 en 1,7 eV zet zichtbaar licht efficiënt om in elektriciteit (een fotovoltaïsche generator). Een halfgeleider met een bandkloof tussen 0,4 en 0,7 eV zet kortgolvige infrarode zonne-energie efficiënt om in elektriciteit (een thermofotovoltaïsche generator).

Hierboven: Deze tekening uit [Cove's 1906 patent](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) toont de zink-antimoon legering \"b\"; de alpaca (ohmse) eindkap \"c\"; en de koperen of tinnen (Schottky) eindkap \"f\". Deze zijn allemaal geperst omdat het solderen van de verbindingen het rendement verlaagde.

We weten nu dat ZnSb - het negatieve materiaal in Cove’s pluggen - een halfgeleider is met een bandkloof van 0,5 eV. Dat verklaart grotendeels waarom de uitvinder aanvankelijk vaststelde dat zijn zonnegenerator zowel warmte als licht in elektriciteit omzette. Het spectrum van een thermofotovoltaïsche generator komt niet alleen overeen met de infrarode staart van het zonnespectrum, maar ook met het directe spectrum van een brandende vlam of een roodgloeiend oppervlak dat wordt verwarmd door brandend hout of aardgas. Een thermofotovoltaïsche generator zet ook het lagere gedeelte van het zichtbare spectrum om in elektriciteit, zij het op zeer inefficiënte wijze.

Volgens Philip Pesavento slaagde Cove er vervolgens in de samenstelling van de legering te verfijnen tot dicht bij Zn4Sb3 - een zink-antimoonlegering met verhoudingen van vier delen zink op zes delen antimoon. Dat, zo weten we nu, is ook een halfgeleider. Dit materiaal heeft echter een bandkloof van 1,2 eV - zeer dicht bij de bandkloof van silicium (1,1 eV). Bijgevolg veranderde zijn thermofotovoltaïsche generator in een fotovoltaïsche generator:

“In zijn enthousiasme heeft Cove waarschijnlijk een groter aantal staafjes in elkaar geknutseld en bij één partij de verhoudingen op de een of andere manier “verkeerd” gekozen. Vervolgens heeft hij een nog grotere spanning gemeten. Tenslotte maakte hij een zorgvuldige studie van zink-antimoonlegeringen en ontdekte dat de zinklegering met 40-42% zink het hoogste voltage gaf (vergeleken met 35% zink in ZnSb). Nadat hij - bij toeval - Zn4Sb3 had ontdekt, zorgde de hogere bandkloof van deze halfgeleider ervoor dat de plugs niet meer werkten wanneer ze werden blootgesteld aan de hitte van een houtkachel. Maar ze werkten nog beter wanneer ze aan zonne-energie werden blootgesteld - omdat ze nu veel meer van het zichtbare spectrum van het zonlicht efficiënt in elektriciteit konden omzetten”.

Met behulp van gekleurde glasfilters stelde George Cove vast dat het grootste deel van de respons afkomstig was van het violette deel van het spectrum en slechts een klein beetje van de zogenaamde warmtestraling. Zijn eerdere PV-pluggen hadden even goed gereageerd op warmtestraling als op violette straling, terwijl de oudere thermo-elektrische generatoren (alpaca aan beide zijden) helemaal niet reageerden op de violette straling.

Een nieuwe kans voor de Schottky zonnecel?

Schottkydiode zonnecellen hebben slechts weinig aandacht gekregen van onderzoekers en bedrijven. Bijzonder weinig ontwerpen voor zonnecellen gebruiken metalen in het actieve gebied, tenzij dan voor de contacten. ²¹ Niettemin gelooft Philip Pesavento dat het de moeite waard zou zijn om te proberen enkele Schottky zonnecellen te fabriceren volgens Cove’s ontwerp:

“Als zou kunnen worden aangetoond dat Zn4Sb3 (bandkloof 1,2 eV) kan worden gebruikt in een fotovoltaïsche cel, is er een goede kans dat een dergelijk zonnecelontwerp duurzamer zal zijn. Het is verbazingwekkend dat iedereen dit materiaal en de toepassing ervan in fotovoltaïsche cellen gemist schijnt te hebben en dat er geen ontwikkeling heeft plaatsgevonden. Zelfs niet nadat onderzoekers het in het begin van de jaren tachtig kortstondig als een mogelijke optie hadden onderkend. Het past in de categorie van een premature ontdekking, wat zou moeten betekenen dat het in deze tijd heel snel ontwikkeld zou kunnen worden”.

Naast fotovoltaïsche zonne-energie ziet Philip Pesavento potentieel in thermofotovoltaïsche zonnecellen voor een houtkachel, thermische zonne-energie, of tandem-zonnecellen, waarbij ZnSb wordt gebruikt in plaats van Zn4Sb3. Bovendien denkt hij dat als de plug-type zonnecellen effectief blijken te zijn, ze het mogelijk zouden maken om zonnecollectoren - zoals vacuümbuiscollectoren - te bouwen tegen sterk gereduceerde kosten.

Low-tech fabricage

Het belangrijkste voordeel van het ontwerp van Cove zou de low-tech fabricagemethode zijn. In de jaren 1970 en 1980 onderzochten wetenschappers Zn4Sb3 voor gebruik in fotovoltaïsche energie en kwamen tot de conclusie dat de “duidelijke voordelen van het materiaal de eenvoud en de relatief lage temperatuur van de bereidingsprocedure zijn”. ²² Het smeltpunt voor Zn4Sb3 is 570 graden Celsius, terwijl dat voor silicium 1400 graden is. Er is dus minder energie nodig.

Onderzoekers bestudeerden metaal-halfgeleider junctie zonnecellen gebaseerd op andere soorten halfgeleiders dan Zn4Sb3 in de jaren 1970. Ook hier was hun motivatie de eenvoudige en kosteneffectieve fabricageprocedure in vergelijking met silicium p-n junctie zonnecellen in die tijd. ²³ ²⁴ Schottky cellen vereisen geen hoge-temperatuur fosfor-diffusie stap, die gewoonlijk de n-laag van de p-n junctie in silicium creëert. Dit alleen al vermindert de energie-input in het productieproces van zonnecellen met 35%. ²¹

In de jaren 1980 boekten onderzoekers belangrijke vooruitgang op het gebied van silicium p-n-overgangen, en de belangstelling voor alternatieve configuraties nam af. De laatste jaren is er echter opnieuw belangstelling. Onderzoek naar grafeen/silicium Schottky zonnecellen concludeert bijvoorbeeld dat “eenvoudige en kosteneffectieve apparaatfabricage die geen hoge temperaturen vereist, een van de voordelen is.” ²⁵ In andere recente studies concluderen wetenschappers dat Schottky-type “selenium zonnecellen… extreem eenvoudig en goedkoop te fabriceren zijn”. ²⁶ ²⁷ ²⁸ ²⁹

Makkelijk te recycleren

Een ander voordeel van Schottky-zonnecellen kan zijn dat ze gemakkelijker kunnen worden gerecycleerd. Silicium modules worden ingekapseld tussen twee laminaat lagen (meestal EVA, een ethyleen/vinylacetaat copolymeer). Deze lagen zijn essentieel voor de levensduur van de modules. ¹ ² ³ Om het silicium - de meest waardevolle component van een zonnepaneel - te recyclen, moeten deze lagen worden gescheiden, maar verbranding ervan vernietigt ook de modules. Siliciumcellen kunnen alleen worden gerecycleerd door een combinatie van thermische, chemische en metallurgische methodes. Dat is een duur proces met negatieve gevolgen voor het milieu. Hoewel wordt beweerd dat ongeveer 10% van de zonnepanelen wordt “gerecycleerd”, is het waarschijnlijker dat ze worden “gedowncycled”. De modules worden versnipperd, en het resulterende materiaal wordt gebruikt als vulmateriaal in de asfalt- en cementindustrie. De door George Cove gebouwde zonnecellen waren daarentegen volledig recycleerbaar. Ze hadden geen beschermlaag nodig en bevatten zelfs geen soldeer. Philip Pesavento:

“Als je de cellen precies zo zou bouwen als Cove deed, door de staafjes in te klemmen en ze te omwikkelen met draad zodat ze strak blijven zitten, zouden ze ook gemakkelijker te recyclen zijn. Dat kan dan met een strikt mechanische bewerking, waar geen chemicaliën aan te pas hoeven te komen. Het zou arbeidsintensief zijn om ze in elkaar te zetten en weer uit elkaar te halen, maar het zou ook geautomatiseerd kunnen worden.”

Pesavento denkt dat het ook mogelijk is om platte zonnecellen te maken van Cove’s materiaal. Maar of die een beschermlaag nodig hebben die het recyclen bemoeilijkt, valt nog te bezien. In de jaren zeventig hadden Schottky-zonnecellen op basis van andere materialen niet altijd beschermlagen nodig om een levensduur van meer dan 20 jaar te bereiken. ²³

Efficiëntie

Als we meer low-tech zonnepanelen zouden kunnen bouwen, hoe efficiënt zouden we ze dan kunnen maken? Volgens Philip Pesavento zijn Schottky cellen iets minder efficiënt voor dezelfde materialen dan p-n juncties, omdat p-n juncties een hogere spanning genereren. Ze krijgen meer energie uit de fotonen die ze absorberen. “Als elk beetje efficiëntie telt, doe je dat. Als het je doel is om zonnecellen te maken met behulp van handmatige of ambachtelijke methoden, zou de Schottky-diode een logischer keuze zijn.” Aan de andere kant is het misschien mogelijk om Schottky-cellen dunner te bouwen dan siliciumzonnecellen - en dat zou hun efficiëntie verhogen. Philip Pesavento: “Ik heb de specifieke getallen voor de parameters - dragersnelheid, recombinatielevensduur, absorptiecoëfficiënt - niet gevonden om dit eenduidig te kunnen zeggen. Maar het feit dat Cove zulke lange, dunne cellen maakte en zo’n hoog rendement haalde, is een goed voorteken om ze dunner te kunnen maken.”

Recent onderzoek naar Schottky-cellen op basis van andere materialen lijkt dit te bevestigen. Zo brachten recente experimenten met Schottky seleniumcellen de laagdikte terug tot slechts 100 µm, vergeleken met 200 tot 500 µm voor siliciumcellen. ²⁶ ³⁰ Wetenschappers bereikten ook 17% experimenteel rendement voor een grafeen/silicium Schottky-cel, tegenover 1,5% tien jaar eerder. ²⁵

We kunnen ook vraagtekens zetten bij de huidige obsessie met hogere rendementen. Veel mensen zullen argumenteren dat als low-tech zonnepanelen minder efficiënt zijn, we meer zonnepanelen nodig zouden hebben om dezelfde stroomopbrengst te produceren. Bijgevolg zouden de grondstoffen die door low-tech productiemethoden worden bespaard, tenminste gedeeltelijk worden gecompenseerd door de extra grondstoffen om meer zonnepanelen te bouwen. Efficiëntie is echter alleen van cruciaal belang wanneer we de vraag naar energie als vanzelfsprekend beschouwen, kan het opofferen van een beetje efficiëntie ons veel opleveren op het gebied van duurzaamheid.

Wat is er met George Cove gebeurd?

Als het zonnepaneel van Cove zo revolutionair was, waarom is het dan vergeten? Over deze vraag leest het onderzoeksmateriaal van Philip Pesavento als een misdaadroman. Cove’s poging om zijn zonne-energie apparaat te produceren en op de markt te brengen mislukte op mysterieuze wijze.

De uitvinder raakte verwikkeld in een fraudezaak. Elmer Burlingame gaf in 1909 en 1910 aandelen uit van bedrijven die niet van hem waren, waaronder Cove’s start-up de Sun Electric Generator Company. In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding. De politie deed de ontvoering van Cove echter af als een hoax. In 1911 werden zowel Cove als Burlingame gearresteerd wegens aandelenfraude en brachten een jaar in de gevangenis door. Hoewel Cove daarna nog aan andere uitvindingen werkte, had geen daarvan betrekking op zonne-energie. ³¹

In oktober 1909 werd Cove naar verluidt ontvoerd en bedreigd als hij niet zou stoppen met de ontwikkeling van zijn uitvinding.

Was George Cove een charlatan? Was hij het slachtoffer van een charlatan? Of werd zijn reputatie vernietigd omdat de elektrische zonnegenerator de belangen van andere bedrijven bedreigde? Er zijn veel historische voorbeelden van onderdrukking van technologische innovaties door grote Amerikaanse bedrijven. George Cove was actief in dezelfde periode als de Edison Electric Illuminating Company of New York, waarvan de gewetenloze praktijken tegen concurrenten goed zijn gedocumenteerd. Als Cove’s elektrische zonne-generator werkte, had hij mogelijk de groeiende vraag naar Edison’s kolen- en oliegestookte elektriciteitscentrales kunnen verminderen. ³¹ Eerder, in de jaren 1880, had Edison het bedrijf gekocht dat op dat moment de beste thermo-elektrische generator produceerde - Clamonds’s Improved Thermopile - en vervolgens de ontwikkeling van de machines gestopt. ³²

Meer mysterie

Hoewel het verleidelijk is om George Cove als slachtoffer te zien, kunnen we alleen maar speculeren. Philip Pesavento’s archiefmateriaal bevat meer mysteries, zoals Cove’s patent - aangevraagd in 1905, toegekend in 1906. De uitvinder beschrijft in detail het maken van zijn Zn4Sb3 pluggen, wat Pesavento hielp bij het berekenen van het vermogen en de efficiëntie van de zonnepanelen. Cove beschrijft deze pluggen echter voor het omzetten van warmte van een houtkachel in elektriciteit, hetgeen niet verenigbaar is met zijn materiaalkeuze. Om de kachelgenerator te laten werken, had hij ZnSb pluggen nodig met een bandkloof van 0,5 eV. Philip Pesavento: “Was dit misleiding van de kant van Cove om te voorkomen dat mensen zijn kachelpatent kopieerden en het werkend kregen? Ik weet het niet.”

Nog verrassender is dat een afbeelding waarop Cove naast een van zijn zonnepanelen staat, ook voorkomt in John Perlin’s historische overzicht van zonne-energie uit 2013: Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy. Het zonnepaneel op de afbeelding wordt echter toegeschreven aan Charles Fritts, de uitvinder van de selenium zonnecel. Bovendien is George Cove zelf uit de afbeelding verdwenen. Fragmenten uit het boek, alsmede de foto, zijn op verschillende websites verschenen.

Philip Pesavento was niet verbaasd toen ik weer contact opnam: “Ik deed deze ontdekking enkele jaren geleden. Ik denk dat iemand dringend een afbeelding nodig had van Fritts’ zonnepanelen, deze afbeelding vond, en er vervolgens George Cove uit weg photoshopte. Cove is immers totaal onbekend en als hij bekend is, zou hij een thermo-elektrische generator op zonne-energie hebben uitgevonden, en geen PV-paneel. Als je goed naar de twee foto’s kijkt, zie je dat de bovenkant van de rechter zuil van het portiek achter hem is weggeknipt en in spiegelbeeld is geplakt op de plaats waar Cove had gestaan, het perspectief is niet helemaal juist.”

Update: Bellingcat ontrafelde het mysterie van de afbeelding.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Extrapolerend van de prestaties van het volgende paneel, kunnen we gokken dat dit paneel een vermogen had van ongeveer 25W en een rendement van net geen 3%. ↩︎
Cove beweerde een nog groter paneel van 9 m2 te hebben gebouwd, maar daar is geen afbeelding van bewaard gebleven. Het zou een vermogen hebben gehad van 768 watt bij 8% rendement uitgaande van 100 W/ft2 zonne-insolatie. Deze array bestond uit 8 panelen met een totaal van 14.432 stekkers. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Waarom gebruiken we geen geleiders voor zonnepanelen? Wanneer licht een geleidend oppervlak raakt, weerkaatst het meestal, en wordt er weinig of geen energie geabsorbeerd. Bovendien bewegen in geleiders de vrije elektronen willekeurig, er is geen stroom, geen richtingsvermogen. ↩︎
Cove was echter niet de eerste. De zonnecel van Charles Fritts was ook gebaseerd op een Schottkydiode. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
Meer details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎