Om ervaring op te doen met duurzame technieken heeft de West-Brabantse EMS-specialist Rommtech een paal ontwikkeld die voor energie kan zorgen op afgelegen plekken. De combinatie van een zonnepaneel en een windgenerator wekt in alle seizoenen een constant vermogen op van minimaal tien watt.
Een voorziening die het hele jaar door energie levert, onafhankelijk van het elektriciteitsnet. Dat is het idee achter de energiepaal die Rommtech momenteel in eigen huis ontwikkelt. Het stand-alone systeem combineert een zonnepaneel en een windgenerator met een accu en levert in totaal tien watt – 24 uur per dag, zeven dagen in de week. Hiermee zijn toepassingen te voeden op plekken waar geen elektriciteitskabels liggen en ook niet rendabel te trekken zijn, zoals een lantaarnpaal op een afgelegen kruispunt, de sturing van een sluisje bij een beek, een systeem om de verkeersdoorstroming te registreren langs de snelweg of een vochtmeter in een dijk. Sinds enkele maanden draaien we proef met een testopstelling op het dak van ons pand in Halsteren.
Aanleiding voor de ontwikkeling was een vraag die we eind 2008 kregen om een systeem te maken dat de doorstroming van verkeer in kaart brengt. De klant wilde een oplossing die de data live en draadloos doorstuurt naar een centrale server en werkt op zon- of windenergie, het hele jaar door. De doorlooptijd van een dergelijke ontwikkeling is kort en de aantallen zijn laag. Aangezien alle benodigde technieken in de markt beschikbaar zijn, is het een kwestie van de juiste componenten selecteren en samenbouwen.
Off-grid
In de zomer is het erg gemakkelijk om energie te halen uit een zonnepaneel. Willen we er ook in de winter voldoende aan hebben, dan zouden we het paneel echter flink moeten overdimensioneren. Dat vereist weer een stevigere en dus duurdere bevestiging. Om bij een laagstaande winterzon toch voldoende energie te verkrijgen uit een zo klein mogelijk paneel is maximum power point tracking (MPPT, zie kader) noodzakelijk. Deze techniek is voorhanden, al zijn de modules hiervoor duur.
Bij windenergie is de situatie bijna omgekeerd: in de winter is die er te over, in de zomer is het wekenlang nauwelijks mogelijk om de startsnelheid van de windgenerator te halen. Pas met een relatief grote generator is dan voldoende energie op te wekken. MPPT verhoogt ook het rendement van een windgenerator. De toepassing van deze techniek wordt echter verhinderd door de elektronica die in de commercieel beschikbare generatoren is geïntegreerd. Deze elektronica is ontwikkeld om op een simpele manier direct een accu te laden en kan niet efficiënt omgaan met de variabele belasting die een MPPT-regelaar oplevert.
Het afzonderlijke gebruik van ofwel een zonnepaneel ofwel een windgenerator vergt daarom een enorme bufferaccu, die de beschikbaarheid van energie garandeert in periodes zonder zon of wind. Accu‘s hebben als nadeel dat ze duur zijn en verouderen, zeker onder de gestelde omstandigheden. Daarnaast zijn ze slecht voor het milieu. Allemaal goede redenen om het batterijpakket zo klein mogelijk te houden. De wens om een week lang tien watt uit een accu te leveren zonder bij te laden, brengt echter een enorme accu met zich mee.
De combinatie van een zonnepaneel en een windgenerator biedt uitkomst. Beide kunnen we klein houden, omdat het paneel compenseert wat de generator tekortkomt in de zomer en omgekeerd in de winter. De bufferaccu blijft in deze situatie eveneens klein, omdat we nog maar dagen hoeven te bufferen in plaats van weken.
In de markt was weinig kennis voorhanden over succesvolle integratie van zonnepanelen en windgeneratoren voor oplossingen die niet aan het elektriciteitsnet hangen (off-grid). Bij ons ontstond daarom het idee om zelf een energiepaal te ontwikkelen die 24 uur per dag, zeven dagen in de week tien watt levert aan een eindapplicatie – of natuurlijk dagelijks een kortere periode een hoger vermogen, tot maximaal honderd watt.
Klassiek model
Om de haalbaarheid van het project te staven, hebben we als eerste de zon- en windstatistieken van het KNMI bestudeerd over de afgelopen dertig jaar. Met deze gegevens hebben we het opgewekte vermogen berekend voor een fictieve combinatie van zonnepaneel en windgenerator. Hieruit blijkt dat een juiste dimensionering van beide een constante energievoorziening oplevert, met september en oktober als moeilijkste maanden van het jaar. De bijdrage van zonne-energie neemt dan al behoorlijk af, terwijl de windenergie nog maar iets toeneemt.
Dit positieve resultaat heeft ons doen besluiten om de theorie in de praktijk uit te testen. Voor het zonnepaneel hebben we gekozen voor een exemplaar met 135 wattpiek. Dit paneel hebben we op het dak van ons pand geplaatst onder een hoek van veertig graden. Deze positie geeft in de moeilijke periodes van het jaar een betere hoek ten opzichte van de zon, wat zich vertaalt in een hogere opbrengst. Dit gaat wel ten koste van het rendement in de zomer, maar het overschot aan energie voorkomt problemen in deze periode.
Selectie van een windgenerator was een stuk lastiger omdat de markt hiervoor veel minder standaardisatie kent dan die voor zonnepanelen. Voor ons is opgewekt vermogen van ondergeschikt belang; een lage startsnelheid en een goede performance in turbulente luchtstromen zijn veel belangrijker, aangezien de plaatsing van de energiepaal vaak verre van optimaal zal zijn voor de generator. Denk aan nabijgelegen hoge objecten die de luchtstroming beïnvloeden, zoals gebouwen en bomen.
In onze zoektocht naar een windgenerator die onder al deze omstandigheden zo goed mogelijk functioneert, zijn we uitgekomen bij een klassiek model met drie bladen. Het geselecteerde exemplaar werkt al vanaf windsnelheden net boven de twee meter per seconde, wekt maximaal 160 watt op bij twaalf meter per seconde en heeft een beveiliging voor hogere snelheden. De generator van slechts een meter in doorsnee hebben we naast het zonnepaneel gezet, op een hoogte van drie meter boven het dak van het pand.
Na de selectie hebben we elektronica ontwikkeld waarop we zowel het zonnepaneel als de windgenerator hebben aangesloten. Via een maximum power point tracker laden paneel en molen een en dezelfde accu op. Deze beschermen we hardwarematig tegen te hoge stromen en onder- of overspanning. Een verbinding met een computersysteem maakt het mogelijk om de energiestromen van en naar het batterijpakket te registreren. Een simpele schakelbare weerstandsbelasting zorgt ervoor dat de accu in de testopstelling nooit helemaal vol of leeg raakt.
Hands-on
De afgelopen vier maanden heeft de opstelling de opgewekte energie bijgehouden. In deze periode ligt ook het moment dat de wind de positie van belangrijkste energiebron overneemt van de zon. De geregistreerde opbrengst geeft dit goed weer: de voorspelde moeilijke periode komt mooi naar voren, maar we halen het target precies. We gaan nu nog minimaal een jaar de opgewekte energie meten. Belangrijk is om te weten of de opbrengst het hele jaar door netjes boven de doelstelling blijft.
Bij Rommtech ontwikkelen en produceren we elektronica op klantspecificatie. De reden voor ons om dit project in eigen beheer op te starten is het hands-on opdoen van kennis en ervaring met duurzame technieken. Onze toegevoegde waarde ligt voornamelijk in de ontwikkelde elektronica. De opgedane kennis kunnen we weer toepassen in projecten die we voor klanten uitvoeren. Mocht er vanuit de markt interesse bestaan voor de energiepaal, dan kunnen we deze in opdracht snel doorontwikkelen tot een verkoopbaar product.