Analysefase

Wat moet er onderzocht worden, om het ontwerpproces geïnformeerd te kunnen starten?

Op deze pagina wordt bondig toegelicht wat voor onderzoek is uitgevoerd, met welke methoden dit is gebeurt, en welke conclusies en relevante eisen hieruit zijn voortgevloeid. In het bijlageverslag zijn de complete analysen terug te vinden. De bevindingen uit de productanalyse en doelgroepanalyse zijn verfilmd doormiddel van animaties met voiceover. De overige analyses zijn onder de product- en doelgroepanalyse te vinden in de vorm van verslaggeving met visuele elementen.

Productanalyse

Het prototype is op locatie geïnspecteerd en waar nodig nagemeten ter referentie. Ook is er een CAD-model opgevraagd bij SKIPSS B.V. om zo het model gedurende de verschillende fasen te kunnen raadplegen. Verder is er voor verdere toelichting en advies, contact opgenomen met leden van het lectoraat Duurzame Energie en Skip van de Kandelaar, van projectpartner-MKB SKIPSS B.V. (voorgaand IDskips)

Het prototype dat verwerkelijkt is in de samenwerking tussen het lectoraat Duurzame Energie, en MKB SKIPSS B.V., is een proof of concept, voor de integratie van LCPV techniek in glasdaken. Vanwege de conceptuele aard van het prototype, zijn er nog veel obstakels te overwinnen, om vervolgens te kunnen komen tot een ontwerp dat klaar is voor grootschalige productie en implementatie. Dit, op gebied van onderhoud, (universele) inpassing in architectuur, schoonmaak en esthetiek. Op basis van de kerncomponenten van dit prototype, moet een herontwerp gemaakt worden. De kerncomponenten van het prototype zijn: De PV, de Fresnel-lens, het rotatiemechanisme, het aandrijvingsmechanisme, de zwenkarm/houder van de PV en de koeling van de PV.
Het is voorlopig nog moeilijk in te schatten, in hoeverre actieve koeling benodigd is in het eindontwerp, er zal in ieder geval rekening gehouden moeten worden, met een eventuele actieve koeling, in de vorm van water of luchtkoeling.

  • De Fresnel-lens mag niet kromtrekken
  • De zwenkarm dient een draaihoek van minimaal 150 graden te bereiken
  • Het ontwerp moet in ieder geval toe te passen zijn bij de afmetingen van het prototype (~2x1M)

Productanalyse (HS1, Bijlageverslag)

Op volgorde van voorkomen:

– CAD-model LCPV-prototype, Beschikbaar gesteld door SKIPSS B.V. te september 2020

– [Afbeelding] Telescoopborstel. (2019). [Foto]. https://www.marketonweb.nl/telescoopborstel-5-vlakken-tot-13-5-meter-extra-gratis-borstel

–[Afbeelding] HCPV-module, werking (2020) https://www.linkedin.com/posts/mathijs-pieters-48a376199_post-3-activity-6722415098020843520-d6_t

–[Afbeelding] Schematische werking Fresnel-lens (1) (2016) https://nl.wikipedia.org/wiki/Lens_(optica)

–[Afbeelding] Schematische werking Fresnel-lens (2) (2016) https://nl.wikipedia.org/wiki/Lens_(optica)

–[Afbeelding] Triple junction cel (2015) https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-junction_solar_cell

–[Afbeelding] Triple junction cel (2) (2015) https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-junction_solar_cell

–[Afbeelding] Spindel (datum onbekend) https://reprapworld.nl/products/mechanisch/aandrijving_en_transmissie/spindels/spindel_tr8x8_8_mm_8_mm_per_rot_100_cm/

I.v.m. gevoelige (niet publieke) informatie m.b.t. het prototype, is de uitlegvideo van het bestaande prototype niet publiek te bekijken.

Bevindingen (kijk met geluid!)

Doelgroepanalyse

In deze analyse zal onderzocht worden, wat voor soort locaties logischerwijs baat hebben bij een constructie gebaseerd op het bestaande prototype en wat voor locatie-specifieke eigenschappen hierbij horen. Dit wordt gedaan middels internetonderzoek naar mogelijke plaatsingslocaties, data-analyse van Nederlandse treinstations, 3D-modellen en renders ter visualisatie en contact met (interieur-)architectuursector.

Uit het onderzoek naar de typen dakconstructies die gebruikt worden bij stations in Nederland, bleek dat zadel- en lessenaarsdaken veruit het meest voorkomen, uit de constructieanalyse, blijkt ook, dat dit de meest voor de hand liggende constructies zijn, om een geïntegreerde LCPV-constructie toe te passen. Vanuit het perspectief van universaliteit en brede toepassing, kan dus geconcludeerd worden dat er gericht moet worden op deze typen constructies. Verder bleek uit overleg met Leon Bunthof en WTB-student bij het lectoraat DE, Naichel Geerman, dat de zuidelijke oriëntatie van het dak, bij een opstellingshoek van rondom de 37 graden t.o.v. horizontaal, veruit de meest energie-opwekkende oriëntatie is, en wellicht oostelijke en westelijke richting ook rendabel zijn. Op gebied van esthetiek, zal gedurende de idee- en conceptfase meer onderzoek gedaan worden naar passende esthetiek, als uitgangspunt kan genomen worden, dat de vormgeving zo rustig mogelijk moet blijven en wellicht aangepast kan worden per locaties op gebied van kleurgeving en afwerking, maar niet als het gaat om geometrie, in verband met efficiënte, grootschalige productie.

  • Het ontwerp moet toegepast kunnen worden bij zadel- en lessenaarsdaken
  • Het effect op de esthetiek van de architectuur, moet in balans zijn met de positieve effecten die de constructie heeft op de eindgebruiker
  • De behuizing moet universeel/schaalbaar zijn bij andere inpasdimensies dan huidig prototype

Doelgroepanalyse (HS2, bijlageverslag)

– [3D-model] Station (2018) https://3dwarehouse.sketchup.com/model/343fad1e-330a-43d5-bda9-9458a19fe716/Modern-train-station?hl=en

– [3D-model] Winkelcentrum (2018) https://3dwarehouse.sketchup.com/model/d716685f-8ae6-49dd-afe1-8e9ae28319c6/SHOPP%C4%B0NG-MALL

Schoonmaak & onderhouds
-analyse

In deze analyse zal onderzocht worden, welke onderdelen onderhoudsgevoelig zijn voor factoren als: viezigheid en stof. Ook wordt er gekeken naar de impact van viezigheid op het systeem, in verhouding tot reguliere zonnepanelen waar licht niet geconcentreerd wordt. Dit wordt gedaan middels literatuuronderzoek, consult met het lectoraat Duurzame Energie, en (telefonisch) contact met de glazenwas-sector.

Schoonmaak- & onderhoudsanalyse (HS3 in bijlageverslag)

'Telescoopborstel'

Invloed vuil op zonnepanelen, v.s. op CPV

Waarom is schoonmaak belangrijk bij een LCPV-constructie?

Aspecten als vuil op de lens, stof op de zonnecellen en niet optimaal/stroef functionerende mechaniek, kunnen veel invloed hebben op het rendement, en op langere termijn, de levensduur van de constructie.

Op het gebied van stof en andere obstakels op de lens, hebben CPV-systemen (links in afbeelding) een significant nadeel ten opzichte van reguliere PV-systemen (rechts in afbeelding). Dit komt doordat alleen direct zonlicht geconcentreerd kan worden naar de PV. Stof en andere obstakels zorgen ervoor dat het licht weerkaatst en ‘omgezet’ wordt in diffuus licht, dit diffuse licht kan alsnog naar de lens weerkaatst worden, maar valt dan niet meer binnen de acceptatiehoek van de Fresnel-lens, en wordt daarom weg-gereflecteerd.

 

Hoe kan de invloed van viezigheid op CPV-systemen onderzocht worden?

Wat betreft bestaande literatuur en onderzoek op het gebied van de schoonmaak van (L)CPV-constructies, is het doen van kwalitatief onderzoek, vrij moeilijk. Dit, vanwege de volgende factoren:

  • Sterke afhankelijkheid van klimaat en geografie waarin de CPV-constructie zich bevindt
  • Sterke afhankelijkheid van hoek/plaatsingsoriëntatie van de optica per locatie
  • Veel variatie in soorten CPV-systemen (veel verschillende soorten optica en oppervlakten)
 

Veel van onderstaand onderzoek, is gebaseerd zijn op grootschalige CPV systemen in een droog klimaat (zie rechtsstaande afbeelding), er zullen dus veel factoren in acht genomen moeten worden, om deze resultaten te kunnen vertalen naar een Nederlands klimaat.

Grootschalig CPV-systeem

Wat voor onderzoek is er al verricht op gebied van schoonmaak van CPV-constructies?

Impact van stof op collectoren

Het eerste onderzoek op gebied van stofval op zonnecollectoren, werd verricht door Hottel in 1942 (Hottel en Woertz, 1942). Hier werden testen uitgevoerd met zonnepanelen in een hoek van 300 t.o.v. horizontaal, in een gematigd klimaat (Boston, VS). In dit geval zijn deze resultaten relatief goed te vergelijken met een hypothetische constructie in Nederland, vanwege het vergelijkbare klimaat.
Uit de resultaten, bleek een reductie van 5% in energie, na het drie maanden niet schoonmaken van de opstelling.

Impact van zon-volging (beweging van collectoren)

Biryukov et al. (1999), voerden een experiment uit, m.b.t. onderzoek naar de impact van de (erg langzame) beweging van zonnecollectoren, in dit geval parabolische spiegels, op de collectie van stof. In de testopstelling, volgde de dynamische spiegel-opstelling, de zon over één as, en werd er bij de statische opstelling een horizontale parabolische spiegel gebruikt. Uit de resultaten, bleek dat de dynamische opstelling víer keer minder stof had opgenomen en het verlies in energie naar verhouding dus ook verminderde. Dit is een interessante bevinding, die wellicht impact zou kunnen hebben op het eindontwerp. Dit niet op gebied van de optica (Fresnel-lens), deze is immers statisch, maar wel op de dynamische arm met de PV.

Impact kunststof t.o.v. glas

In een studie verricht door Garg (1974), waarin verschillende typen materialen onder verschillende hoeken (0-90) getest werden op transmissieverlies over twee maanden zonder schoonmaak, bleek dat er onder een hoek van 45, 8% transmissieverlies ontstond na 30 dagen, in het geval van een veelvoorkomend type glas. Bij het gebruik van kunststof, bleek het verlies significant hoger te zijn (onduidelijk hoeveel hoger), dit komt onder andere, doordat stof over het algemeen veel beter ‘hecht’ aan kunststof, hiervoor is elektrostaticiteit de reden.

Impact opstelhoek op transmissie en stofval

In een studie van Hegazy (2001), werden experimenten gedaan m.b.t. de hoek van het concentratiemedium, en hoe dit invloed heeft op de transmissie van het materiaal (glas) door de hoeveelheid stof die valt per afstelhoek. Er werd over 30 dagen verlies gevonden van 27%, 17% en 3% voor 00, 300 en 900 respectievelijk. Deze metingen zijn gedaan in Egypte, de percentages kunnen naar verwachting sterk verlaagd worden in het geval van het Nederlands klimaat. Hoewel dit niet een geheel accurate representatie is, laat de verhouding (27%,17%,3%) wel zien, dat de plaatsingshoek een hele sterke invloed heeft op de hoeveelheid stof die valt.

Hoe vaak moet de constructie schoongemaakt worden? (optica)

Optimum schoonmaakfrequentie

Aangezien er een groot aantal factoren locatieafhankelijk en nog te bepalen zijn, is er gekozen om een interactief excel-bestand te gebruiken voor het doorrekenen op basis van verschillende input .

Formule

Om het optimum te berekenen, moeten de volgende grootheden gebruikt worden in de formule:

  • C = Schoonmaakkosten voor compleet dakoppervlak
  • P = (Jaar)opbrengst zónder viezigheid (100% transmissie)
  • r = Verlies in transmissie over 1 jaar (in dit geval aangenomen als lineair aan opbrengst en constant per jaar)
  • N = De optimumfrequentie

Input & Output

Aangezien er een groot aantal factoren locatieafhankelijk en nog te bepalen zijn, is er gekozen om een interactief excel-bestand te gebruiken voor het doorrekenen op basis verschillende input.

Resultaat

Uit de grafiek, blijkt het optimum te liggen bij het schoonmaken per circa ~1.7 jaar, om de schoonmaakkosten volledig te dekken met de daardoor verhoogde opbrengst per jaar. Echter, zal een locatie met een significant glazen dak (+75m2) naar verwachting meerdere malen per jaar haar dakoppervlak laten reinigen, voor een nette en uitnodigende uitstraling. Daarom kunnen bijkomende kosten voor schoonmaak van een dergelijke constructie verwaarloosd worden.

Hoe vaak moet de constructie schoongemaakt worden? (PV)

Behalve de optica, is ook het smalle zonnepaneel, kwetsbaar voor verlaging in rendement door viezigheid. Echter zal in een binnenruimte alleen stofval hier verantwoordelijk voor zijn. Uit literatuur bovenstaande literatuur, en overleg met Leon Bunthof, bleek dat stof een stuk minder goed blijft liggen indien het oppervlak zich onder een steile hoek bevind. Daarom is het ter voorkoming van stofval, naar verwachting voldoende om gedurende de nacht, de zwenkarmen te ‘parkeren’ in een positie waar stof niet snel zal vallen. Eventueel kan het stof afgenomen worden gedurende periodieke inspectie van de constructie.

Hoe worden glazen daken doorgaans schoongemaakt, en is deze methode grondig genoeg?

Uit telefonisch overleg met glazenwassersbedrijf CKBvissers, bleek dat glazen daken doorgaans worden schoongemaakt met behulp van telescopische stelen, i.c.m. opzetstuk met watertoevoer, waarmee het vuil verwijderd wordt. Deze techniek wordt tevens gebruikt voor het schoonmaken van zonnepanelen. Dit werkt erg goed tegen reguliere stofval en obstakels zoals bladeren die de doorlaat van licht verminderen. Ook blijkt uit dit overleg, dat deze methode grondig genoeg is, om hardnekkig vuil, zoals vogelpoep, volledig te verwijderen. Ook blijkt dat steeds meer locaties kiezen voor robotische schoonmaak, naar verwachting is ook deze methode voldoende grondig, om hardnekkig vuil te verwijderen. In de bijlage van de schoonmaak- & onderhoudsanalyse, wordt dieper ingegaan op mogelijkheden om schoonmaak zoveel mogelijk te voorkomen.

Telescoopborstel

Schoonmaakrobot

Hoe kan de benodigdheid van onderhoud zoveel mogelijk voorkomen worden?

Uit overleg met Skip van de Kandelaar en algemene inschatting, bleek dat als het gaat om onderhoud, de vuistregel is, hoe minder onderdelen, hoe beter. Ieder onderdeel is immers een extra risico voor toleranties en materiaaleigenschappen met een negatieve impact (kruip, corrosie, etc). Zeker voor een product met een zo lang mogelijke levensduur, is het dus belangrijk dat reductie in componenten t.o.v. het prototype, in acht wordt gehouden.  Verder is afdekking van (bewegende) componenten altijd wenselijk in verband met kleine deeltjes die in het mechanisme terecht kunnen komen. Het prototype scoort op aantal onderdelen en de bedekking hiervan, vrij slecht. De BOM van het prototype, komt dan ook uit op een totaal aantal onderdelen van 374

 

Waar kan er gereduceerd worden op aantal componenten?

In het prototype wordt gebruik gemaakt van een passief koellichaam, met toevoeging van vijf ventilatoren, loodrecht op de vinnen, om zo de convectie te verbeteren.

Potentiele oplossing

Echter blijkt uit inschatting van Skip van de Kandelaar (SKIPSS B.V.), mede-ontwikkelaar prototype) dat deze toegevoegde ventilatie  wellicht niet noodzakelijk is. Indien dit het geval is, zal hiermee het aantal assemblagestappen, onderdelen en aansluitingspunten (elektriciteit), verminderen. In de conceptfase zal m.b.v. een simulatie, geschat worden in hoeverre dit aannemelijk is

In het prototype, wordt gebruik gemaakt van een inklemmingsmechanisme  voor de lens. Dit wordt gedaan om buiging zoveel mogelijk te voorkomen, en zo de transmissie en doorlatingsrichting zo gelijk mogelijk te houden over het grote oppervlak. Voor dit type inklemmingsmechanisme is een groot aantal bouten en moeren benodigd (58 p/s = 116 onderdelen), met daarbij de klemmende flens. Naast het effect op onderhoud en toleranties, is dit ook erg nadelig voor het assemblageproces. Iedere bout moet immers vastgedraaid worden.

Potentiele oplossing

Dit probleem kan naar verwachting grotendeels opgelost worden, door de lens te integreren in dubbelglas. Op deze manier wordt het gehele onderste oppervlak van de lens ondersteund en hoeft er geen buiging plaats te vinden. Dit principe is nog niet vaak toegepast, echter heeft de Universiteit van Wageningen wel succesvol een soortgelijk concept toegepast (zie marktanalyse).

In het prototype wordt gebruik gemaakt van een onbedekte spindel. Hoewel dit op het eerste gezicht een efficiënte oplossing lijkt voor het verwerkelijken van de rotatie van de arm, wordt ook hier gebruik gemaakt van een aantal losse onderdelen. Doordat deze onderdelen allemaal los bevestigd zijn over een relatief grote afstand, stapelen de toleranties van de bevestiging en positionering zich op, waardoor vooral over langere tijdsduur risico kan ontstaan voor onnauwkeurigheid in de draaiingshoek, wat weer resulteert in een verminderd rendement (focuslijn niet precies op PV), en daarbij ontstaat ook gevaar voor slijt, doordat componenten schuin kunnen gaan staan, ten opzichte van elkaar.

Potentiële oplossing

Uit gesprek met Skip van de Kandelaar, blijkt dat dit probleem, opgelost zou kunnen worden door gebruik te maken van een lineaire actuator. Op deze manier, kan er één enkel onderdeel ingekocht worden, dat in het geheel gemonteerd kan worden, daarbij een groot deel van de toleranties wegnemend. Lineaire actuatoren hebben doorgaans een erg lange levensduur, en zijn gemaakt voor herhalende bewegingen met grote precisie (in het geval van stepper-actuatoren). Ook op gebied van assemblage en betrouwbaarheid, brengt één inkoopdeel t.o.v. een zelf gemonteerde subassembly, veel voordelen met zich mee.

In het prototype, verplaatst het ‘wagentje’ dat transleert over de arm, zich over een rail die bevestigd is aan de arm (zie productanalyse voor werking).

Potentiele oplossing

Ook hier kan wellicht winst behaald worden in het aantal te gebruiken en assembleren onderdelen. Dit, door de ‘rail’ te integreren in de geometrie van het extrusieprofiel. Indien dit mogelijk is, kan de volledige rail achterwege gelaten worden, en kan het ‘wagentje’ direct glijden in het extrusieprofiel.

Het is vrij lastig in te schatten in hoeverre viezigheid op de buitenste laag van de constructie, invloed zal hebben op de energieopbrengst van het geheel. Dit vanwege de geringe hoeveelheid aan bestaande/vindbare literatuur op dit gebied, met nadruk op geringe hoeveelheid aan onderzoek in landen met een klimaat vergelijkbaar met Nederland. Uit een gecalculeerde inschatting van Leon Bunthof o.b.v. relevante literatuur, bleek 10-15% verlies in performance over één jaar een realistische waarde te zijn. In het onderzoek van Garg (1974) werd duidelijk dat optica verwerkelijkt uit kunststof, vanwege elektrostaticiteit, kwetsbaarder is voor stofval en de aantrekking van vuil. Uit het onderzoek naar de onderhoud van de constructie, bleek dat integratie van lens-in-glas veel positieve effecten met zich mee brengt op gebied van onderhoud t.o.v. een onbedekte lens. In dit geval is de kunststof lens afgedekt van buitenlucht, en speelt de aantrekking van stof door elektrostaticiteit, niet meer mee. Als dit meegenomen wordt in het performanceverlies (10-15% per jaar), kan het lagere eind van de inschatting, 10%, aangehouden worden als realistische waarde voor energieverlies per jaar.
Op gebied van rendementsverlies door stofval op de PV, is het naar verwachting voldoende om de zwenkarmen gedurende de nacht te laten rusten in een hoek waar stof minder snel zal blijven liggen (PV zo verticaal mogelijk). Ook bleek uit eerder geciteerd onderzoek van Biryukov et al. (1999), dat zelfs de erg langzame beweging (zonvolging) van de PV een sterke positieve invloed heeft op de hoeveelheid stof die valt (4x minder), in dit geval is er sprake van zonvolging, en kan deze positieve invloed naar verwachting ook ingecalculeerd worden. De combinatie van deze factoren, maakt dat de stofval op PV verwaarloosd kan worden. Eventueel kan periodieke inspectie wel gecombineerd worden met het afnemen van stof van de PV.
Uit de berekening van de spreadsheet, kan opgemaakt worden dat een schoonmaakinterval ~1.7 jaar benodigd is, om de kosten van schoonmaak te dekken met de toename in energieopbrengst. Bij de eerder genoemde interval van 1.7 jaar, moet rekening gehouden worden met de schoonmaak die op een plaatsingslocatie naar verwachting ook gedaan zou worden zonder LCPV-constructie, i.v.m. de algemene baat bij een schone uitstraling van de locatie. Ter preventie van de benodigdheid van schoonmaak, kan een anti-soling-coating worden toegepast op het glas, dit zou een vermindering kunnen betekenen voor de afname in performance en wellicht een afname in reflectieverlies van het glas, echter is het moeilijk te zeggen hoeveel dit zal zijn.

De levensduur van het ontwerp, zal voornamelijk afhangen van de bewegende componenten en de koppeling naar de statische elementen hiervan (lager in rotatiepunt, glijlager in arm), de kracht die komt te staan op het bevestigingsmechanisme van de module (het hangen van de LCPV-module, aan de dwarsroede) en het globaal aantal onderdelen dat gebruikt wordt. Het kiezen van een typische lineaire (stepper-)actuator, is een sterke sprong in betrouwbaarheid van het ontwerp en aantal inkooponderdelen, aangezien hier een aantal, nu losse, samenwerkende componenten (spindel, aandrijving, bevestigingsmechanisme) samengevoegd worden tot één inkoopcomponent met een levensduur/aantal cycli die gegarandeerd wordt door de fabrikant, periodiek onderhoud zal naar verwachting niet nodig zijn vóór het verlopen van de gegarandeerde levensduur van de elektronica/mechanische componenten, echter moet dit bepaald worden aan de hand van het ontwerp. De afdekking van (translatie) mechaniek is per NEN-normen niet noodzakelijk, maar zal om esthetische en gemakkelijke assemblage -technische redenen hoogstwaarschijnlijk wel toegepast moeten worden. In dit geval kan dit alleen maar positieve effecten hebben op de levensduur, i.v.m. het minimaliseren van eventuele tussenkomst van kleine deeltjes. Degradatie van bekabeling zal voorkomen moeten worden door deze zoveel mogelijk dóór extrusieprofielen te laten lopen en hiermee af te schermen van direct zonlicht. Een schatting naar de levensduur van het gehele ontwerp, zal ontstaan bij de uitwerking van het definitieve concept

 

  • De Fresnel-lens, wordt geïntegreerd in dubbelglas
  • Er wordt gebruik gemaakt van een lineaire actuator ter vervanging van het spindel-mechanisme
  • Het herontwerp moet uit zo min mogelijk onderdelen bestaan, zonder hierbij de veiligheid te beïnvloeden
  • De interval van de periodieke schoonmaak op plaatsingslocaties, moet per locatie bepaald worden

Werktekening draagconstructie BOVEMA

Constructieanalyse

Er is contact opgenomen met een van de partners van het lectoraat Duurzame Energie, waarmee samen is gewerkt gedurende het CONSOLE project. De partner in kwestie, is BOVEMA daklicht. Sjaak Lentjes van BOVEMA, is expert op het gebied van glazen dakconstructies, en heeft verschillende technische tekeningen beschikbaar gesteld, waarin goed te zien is hoe standaardconstructies zijn opgebouwd. Verder is er een sample van de zogenaamde ‘dwarsroede’ ter beschikking gesteld door BOVEMA, dit bouwkundige component, zal de voornaamste bevestigingslocatie zijn van het herontwerp. Op basis hiervan is onderzocht wat de mogelijkheden zijn voor bevestigingsmethoden van de mechanische componenten. Ook van het (dubbel)glas dat doorgaans gebruikt wordt in grootschalige dakconstructies, is een sample afgegeven, de afmetingen en specificaties hiervan zijn gebruikt om de realiseerbaarheid en algemene mogelijkheden verder te onderzoeken

Constructieanalyse (HS4 in bijlageverslag)

"Hoe worden zadel- en lessenaarsdaken doorgaans opgebouwd?"

Uit de doelgroepanalyse, bleek dat zadel & lessenaarsdaken, de twee meest voorkomende typen daken zijn. Echter bestaat er binnen deze doelgroep, alsnog een erg grote diversiteit aan typen dakconstructies en glasverhoudingen, zoals te zien is in onderstaand overzicht.

Verschillen binnen zadel & lessenaarsdaken

Op wat voor bouwkundig systeem moet er gefocust worden, om het ontwerp toe te kunnen passen op verschillende locaties?

Om deze vraag te beantwoorden, is er contact opgenomen met glasdak-expert Sjaak Lentjes, van BOVEMA Daklicht.

Uit overleg, bleek dat het ‘Facade TKI 252’ systeem van TKI-systems, doorgaans gebruikt wordt voor grootschalige constructies, waar ook het afstudeerproject zich op richt. Hoewel er naast dit systeem veel andere methoden beschikbaar zijn, om vergelijkbare glazen daken te realiseren, blijkt uit consult met BOVEMA, dat de Facade-lijn van TKI-systems, een goed uitgangspunt is, om op te richten voor de integratie van een LCPV-DAK constructie. Ter validatie en feedback op deze keuze, vanuit verschillende disciplines, is er contact opgenomen met WTB-student Naichel Geerman en projectleider Leon Bunthof. Hieruit bleek het systeem in kwestie inderdaad een goed uitgangspunt te zijn voor de huidige doorontwikkeling, en eventuele toekomstige iteraties.

TKI-Facade brochure (moet wellicht eventjes laden)

Glasinklemming (zie figuur 63 in bijlage voor materiaal en functie per onderdeel)

Draagconstructie (zie figuur 67 in bijlage 'constructieanalyse' voor afmetingen)

Hoe is het TKI-Facade systeem opgebouwd?

Om te begrijpen hoe de LCPV-DAK-constructie toegepast kan worden in combinatie met het TKI-Facade systeem, is er grondig onderzocht hoe het systeem opgebouwd is, en in welke vorm BOVEMA dit systeem toepast.

Het TKI-systeem, is verantwoordelijk voor de inklemming van het glas. In linksstaand overzicht, is te zien met welke componenten dit gerealiseerd wordt. Op gebied van glasinklemming, is dit systeem per plaatsingslocatie identiek, echter kan de bevestiging aan de dragende constructie (dwarsroede) verschillen per locatie.

Het component dat de glasmodule zal dragen, is de zogenaamde ‘dwarsroede’, te zien in onderste afbeelding. Met input van BOVEMA, is besloten om het sample dat is afgegeven, te gebruiken als uitgangspunt voor de bevestiging en inpassing voor het te ontwerpen LCPV-DAK systeem. 

Het sample is vervolgens nauwkeurig nagemeten, en gereproduceerd als CAD-model, ter referentie gedurende het ontwerp en modelleer proces.

Hoe kunnen de LCPV-dak componenten efficiënt geïntegreerd worden in de architectuur? (wordt verder onderzocht gedurende idee- & conceptfase)

Lens

Uit de schoonmaak & onderhoud-analyse, bleek dat het schoonhouden van optica, erg belangrijk is, voor een goed energierendement. Verder bleek gedurende de productanalyse, dat de lens die in het huidige prototype gebruikt wordt, vrij snel buigt en dat dit moeilijk te voorkomen is vanwege het grote oppervlak en dunne materiaal. Uit overleg met Leon Bunthof, bleek dat door te kiezen om de lens te integreren in het dubbelglas (afbeelding rechtsboven),  de mogelijkheid tot buiging wordt voorkomen, doordat het oppervlak kan rusten op het glas, én er geen viezigheid kan belanden op de Fresnel-structuur, vanwege de luchtdichte afsluiting tussen de glasplaten. Het verwijderen van viezigheid als vogelpoep in geval van uitwendige plaatsing, en stof bij plaatsing onder het glas, wordt zo dus voorkomen. Echter zal in het geval van integratie in dubbelglas, bij bestaande locaties al het glas moeten worden vervangen, wellicht heeft dit een té grote impact op de terugverdientijd, indien de constructie toegepast wordt in bestaande architectuur.

Aandrijving & rotatie

Gezien het glas niet dient als veilige en betrouwbare bevestiginsgslocatie, blijft enkel de dwarsroede nog over als bevestiginsgslocatie, voor de aandrijving- en rotatiemechaniek. In de bijlage (HS3. constructieanalyse)  wordt dieper ingegaan op onderdelen en componenten die gebruikt kunnen worden voor de bevestiging. De twee voor de hand liggende opties op gebied van locatie aan de dwarsroede (aandrijving), zullen zijn ónder de dwarsroede, en aan de zijkant van de dwarsroede (zie afbeelding rechts-midden). In de idee- & conceptfase wordt er dieper ingegaan op bevestigingsmogelijkheden. Op grond van het CAD-model van het prototype, is er een versimpeld model opgesteld, om een gewichtsinschatting te kunnen maken van een mogelijke geïntegreerde constructie. Hieruit bleek met een toegepaste foutmarge, maximaal ~15kg ondersteund te moeten worden door de dwarsroede. Om te valideren of de dwarsroeden dit gewicht zullen kunnen dragen, is er naar een inschatting gevraagd van WTB-student Naichel Geerman, hieruit blijkt dat dit geen probleem kan vormen.

Hoewel er veel verschillende dakconstructies bestaan, is de TKI252 methode in combinatie met (aluminium) dwarsroede, een veelvoorkomende oplossing, en zal om de scope van het project te beperken en toepasbaarheid op toekomstige constructies te garanderen, aangehouden worden als richtpunt voor de inpassing van de constructie. Indien bestaande architectuur gebruik maakt van deze constructie, in combinatie met dwarsroede met vergelijkbare afmetingen, is het wellicht rendabel om een LCPV-constructie toe te passen. In dit geval zou wel al het glas vervangen moeten worden, door dubbelglas met geïntegreerde Fresnel-lens, én moet de draagconstructie voorzien zijn voor de juiste verhoudingen van de lens (~2x1m), daarbij moet de locatie ook gunstig georiënteerd zijn t.o.v. de zon (doelgroepanalyse). Uit gewichtsschatting, blijkt dat de dwarsroede die gebruikt wordt als uitgangspunt, indien onaangepast, genoeg kracht kan houden bij een toegevoegde constructie. Het delen van het translatiemechanisme over meerdere modules, is een goede oplossing voor het besparen op ruimte onder de dwarsroede, het verminderen van het aantal componenten en de tijd die het kost om de constructie te plaatsen. Voor de bevestiging aan de dwarsroede, zijn zelf-tappende/borende schroeven de meest voor de hand liggende optie voor snelle en veilige assemblage, echter, kunnen blindklinkmoeren ook een goede oplossing zijn, dit wordt verder onderzocht gedurende de idee- en conceptfase.
Indien het draaipunt van de arm onder het hartpunt van de lens ligt, moet er rekening gehouden worden met een afwijking in de volging van de zon. Dit kan óf gecompenseerd worden met een motorisch of mechanisch mechanisme, óf zal voor lief genomen moeten worden door te kiezen voor een statische arm.

 

  • Indien de constructie toegepast wordt bij nieuwbouw, moet de TKI252 + afmetingen sample dwarsroede constructie gebruikt worden als uitgangspunt
  • Het ontwerp moet volgens een vaste procedure geïnstalleerd kunnen worden op iedere locatie
  • Indien de constructie toegepast wordt bij bestaande bouw, moet deze toegepast kunnen worden, zónder de bestaande dwarsroede te de-assembleren
  • In het geval van nieuwbouw, moet de volledige draagconstructie (dwarsroedes) geassembleerd/gebouwd kunnen worden, zonder direct de LCPV-constructie te implementeren (uit input BOVEMA)
  • Beide dwarsroeden moeten beschikbaar zijn om de constructie aan op te hangen

Lens tussen dubbelglas

Bevestigingslocatie aan dwarsroede

Validatie bijkomend gewicht

Veiligheidsanalyse

Om te garanderen dat de uiteindelijke constructie veilig is, en voldoet aan (inter)nationale veiligheidsstandaarden, zijn de NEN-normen geraadpleegd middels het NEN-connect medium.

HS4. Veiligheid & NEN-normen – Analyse in bijlageverslag

Met welke eisen met rekening gehouden worden bij een LCPV-constructie?

Er zijn (nog) geen richtlijnen en eisen die zich specifiek richten op BI-CPV systemen. Daarom wordt er grotendeels uitgegaan van internationale eisen die opgesteld zijn voor grootschalige CPV-constructies in warme landen en algemene werktuigbouwkundige eisen die ook relevant zullen zijn in het geval van het herontwerp.

Testprocedure

Rechtstaande, is een overzicht te zien de procedure die doorlopen moet worden, voor grootschalige constructies. In het geval van een interieure LCPV-constructie, zal dit volledige proces niet doorlopen hoeven worden. Wel kan dit overzicht gebruikt worden  om relevante eisen gemakkelijk terug te vinden.

Licht van hoge intensiteit

(5.2.1 High intensity light) “Where there is a possibility of eye hazard from high intensity reflected or direct beam light – based on proximity, a sign shall be located in an area near the system and be legibly marked with the following words, or equivalent: “CAUTION: HIGH INTENSITY LIGHT – This product reflects or concentrates light at high concentration – Use appropriate eye protection when near”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

Deze norm relateert naar grotere systemen, geplaatst op groot landoppervlak. In het geval van implementatie in het dak, is deze norm alleen relevant voor technici, in het geval van onderhoud of eventuele schoonmaak. Daarom voldoen in dit geval duidelijk leesbare stickers met “PAS OP LICHT VAN HOGE INTENSITEIT, gebruik oogbescherming”.

Hete oppervlakten 

(5.2.3 Hot surfaces) “A unit that exceeds the temperature limits specified in Table 1 shall be legibly marked, where readily visible after installation, with the words, or equivalent (see Figure 6): “CAUTION: HOT SURFACES – To reduce the risk of burns – DO NOT TOUCH”

 

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

Indien de behuizing van de PV temperaturen bereikt boven de limieten ingesteld in bovenstaande tabel, zal de behuizing voorzien moeten worden van een sticker met de volgende of vergelijkbare tekst: “PAS OP HEET OPPERVLAK”.

 

 

Aarden

(7.1 general) “Field history has shown that failures resulting from improper installation practices, rodent and weather related damage and premature material degradation can lead to isolation faults of live parts to accessible metal on and around all types and classes of PV modules, including Class II modules. To address this hazard, accessible conductive PV module surfaces such as frames, mounting rails and mounting structures are required to be provided with a functional ground connection to allow PV system protection equipment to operate properly and identify and mitigate module and wiring isolation failures that can lead to shock and fire hazards. This grounding practice is consistent with the requirements IEC 62548.”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “De geschiedenis van CPV-systemen, heeft aangetoond dat ongedierte, weersomstandigheden en vroegtijdige materiaaldegradatie ervoor gezorgd hebben dat isolatieproblemen ontstaan”. In dit geval zullen ongedierte en weersomstandigheden geen impact hebben, hoewel materiaaldegradatie altijd van toepassing is. Daarom moeten alle modules individueel geaard worden. Uitzondering: Indien geleidende materialen gebruikt worden met voldoende scheiding van materialen die onder spanning kunnen staan, hoeven deze niet los gegrond te worden.

Constructie/integratie

(8. construction) “Incorporation of a module or assembly into the final form shall not require any alteration of the module or assembly from its originally evaluated form, unless specific details describing necessary modification(s) are provided in the installation instructions.”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “Implementatie van een module of samengestelde constructie mag geen aanpassingen vereisen per te plaatsen locatie, tenzij hiervoor specifieke aanwijzingen voor beschreven zijn in de installatie-instructies.” Om de veiligheid te garanderen op iedere plaatsingslocatie, is dit een belangrijke richtlijn, die ook van toepassing is op LCPV-Dak, en niet alleen voor grootschalige CPV-constructies.

Combinatie van metalen

(12.1 Combinations of metals) “Combinations of metals in direct contact with each other shall not generate a potential greater than 0,6 V. See Annex A for guidance on dissimilar metals.”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “Combinaties van materialen in direct contact met elkaar, mogen geen potentieel creëren van meer dan 0,6V.” indien bij het eindontwerp verschillende metalen in directe aanraking zullen komen met elkaar, is deze richtlijn van toepassing.

Corrosiebescherming

(12.2 Corrosion protection) “Iron or mild steel serving as a necessary part of the product shall be plated, painted, or enamelled for protection against corrosion. The corrosion protection shall be equivalent to or greater than a zinc coating of 0,015 mm or cadmium coating of 0,0254 mm thickness. Corrosion protection means shall comply with ISO 1456, ISO 1461, ISO 2081 or ISO 2093.”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

“IJzer of staal als benodigd onderdeel van de constructie, moet beschermd zijn tegen corrosie”. Gezien de verwachte lange levensduur van de constructie, is dit een belangrijke richtlijn, die aangehouden moet worden.

Scherpe randen

(12.3 edges) “Simple sheared or cut edges and punched holes are not required to be additionally protected.
All accessible materials shall be free from sharp edges (IEC 60950-1).”

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

“Gaten en andere aspecten vervaardigd met reguliere bewerkingstechnieken (ponsen, snijden) hoeven niet extra beschermd te worden. Wel moeten alle materialen vrij zijn van scherpe randen (IEC 60950-1).” Indien één van deze typische bewerkingstechnieken toegepast worden (door een gecertificeerde fabrikant/bewerker) voor de constructie van het herontwerp, hoeven er ook in geval van dit ontwerp, geen extra maatregelen genomen te worden.

Gebruik van polymeren (kunststoffen)– Als behuizing (kunststoffen)

(13.1.1Overview) Materials  used  in  the  construction  of  the  CPV  module  or  assembly  shall  be  selected  and  arranged  so  that  they  remain  within  their  manufacturer’s  ratings  under  normal  operating  conditions and can be expected to perform in a reliable manner without creating a mechanical, shock and / or fire hazard.

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “Kunststoffen die gebruikt worden, moeten altijd binnen de, door de fabrikant voorgeschreven, maximumtemperaturen en andere materiaalspecifieke eigenschappen blijven.”

Gebruik van polymeren (kunststoffen) – in marge van baan geconcentreerd licht (kunststoffen)

(13.13  Polymers exposed to concentrated sunlight) Modules  or  assemblies  with  polymers  located  in  the  path  of  the  concentrated  light  path  as verified during the off-axis beam test shall have:
•Control to mitigate unsuitable temperature rises (e.g. –   active cooling, movement off-axis).
•The  polymer  shall  meet  the  requirements  of  IEC 6 2108:2016,    10.1  after 1   000  h  of  weathering in accordance with ISO 4892-2.

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

“Kunststoffen binnen de marge van de geconcentreerde lichtlijn, moeten bestendig zijn tegen sterke temperatuurswisselingen.” Indien kunststoffen toegepast worden binnen het herontwerp, is dit een belangrijke richtlijn, die aangehouden zal moeten worden.

Gebruik van polymeren (kunststoffen) – als optica
(13.11  Polymers serving as CPV optics) Polymers  serving  as  CPV  optics  shall  fulfil  the  requirements  of  10.1  of  IEC 62108:2016 following environmental stressing as defined in IEC 6 2108

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “Kunststoffen die gebruikt worden als optica, moeten conform zijn aan IEC 62108:2016 en IEC 6 2108.”

Interne bedrading

(14.2 internal wiring) Wiring  used  within  a  module  shall  have  an  insulation  rated  for  a  minimum  of  90 °C,  with  a  gauge  and  voltage  rating  acceptable  for  the  application  as  determined  in the electrical parameters test. The wiring of a module shall be located so that after installation of the product in the intended manner, the insulation will not be exposed to the degrading effects of concentrated sunlight.

Vertaling & relevantie/toepassing voor LCPV-dak:

 “De bekabeling die gebruikt wordt in een module, moet geïsoleerd (insulated) zijn, voor een minimum van 90 °C. Ook mag de bedrading niet blootgesteld worden aan direct zonlicht.”

Testprocedure voor losse CPV-modules

Met welke veiligheidsaspecten moet rekening gehouden worden bij een LCPV-DAK constructie?

Veiligheidsfactor

Om een veilige ophanging van de LCPV-constructie te garanderen, is het verstandig om uit te gaan van een hogere benodigde kracht, dan naar verwachting daadwerkelijk plaats zal vinden. Een typische methode om de zogeheten ‘veiligheidsfactor’ te berekenen, is door te kijken naar de maximale kracht die op het onderdeel mag komen, voordat het onderdeel breekt of permanente schade ondergaat, en naar de (veel lagere) kracht die naar verwachting constant op de constructie zal werken, in dit geval het gewicht dat opgehangen moet worden. De dwarsroede (constructieanalyse), zal als uitgangspunt genomen worden voor het statische onderdeel, waaraan de bevestigingsmiddelen gekoppeld zullen worden. Vervolgens zal er berekend/gesimuleerd moeten worden of de voorgestelde ophanging voldoet aan de veiligheidsfactor.

Aangezien het herontwerp nog niet vaststaat, en zal ontstaan gedurende de idee/conceptfase, is het moeilijk te bepalen wat de maximale en nominale krachten op de constructie zullen zijn, waarmee de factor berekend kan worden.  In een reactie op een forumvraag m.b.t. de veiligheidsfactor op het wetenschappelijke forum; researchgate (2016), licht Dr. Bashkim Mal Lushaj het volgende toe: “Typically, for components whose failure could result in substantial financial loss, or serious injury or death, a safety factor of at least four (4) is used. Non-critical components generally have a safety factor of two (2).” 

In dit geval kan het omlaag vallen van (een deel) van de LCPV-constructie, substantieel gevaar opleveren voor mensen die onder de constructie lopen. Een factor van 4, is dus een goed uitgangspunt.

 

Overige veiligheidsaspecten

Indien zoals in onderstaande afbeelding (constructieanalyse), het translatiemechanisme gedeeld wordt over twee modules, is het van groot belang dat de positie/hoek van de arm/PV, ten alle tijden automatisch gemonitord wordt, en er verzekerd wordt dat alle doorgekoppelde modules zich bevinden in dezelfde (hoek)positie. Mocht dit namelijk niet het geval zijn, en er een afwijking ontstaat tussen de twee posities, bijvoorbeeld door het falen van de aandrijving, ontstaat er een serieus gevaar. Als één van de zijden van de module wordt aangedreven en de ander niet, kan er buiging in de armen ontstaan, en in het ergste geval valgevaar, afhankelijk van de bevestigingsmethoden. Het beheer van het systeem op gebied van elektronica en data, valt niet binnen de scope van dit project, maar heeft in dit geval wel een grote invloed op het behoud van veiligheid, en zal meegenomen moeten worden in het ontwerp, indien het project doorgezet wordt, door andere projectdeelnemers.

 

Er zijn nog geen richtlijnen die zich specifiek richten op BICPV systemen. De, in dit geval, relevante richtlijnen en veiligheidseisen zijn voornamelijk ontstaan uit richtlijnen die opgesteld zijn voor grootschalige CPV-systemen en algemene inschatting op gebied van veiligheid m.b.t. assemblage en gevaren die kunnen ontstaan gedurende de toepassing van het ontwerp.
Onderstaand, zijn de relevante richtlijnen opgesomd, die gesteld kunnen worden als eis.

  • Het ontwerp mag geen scherpe randen bevatten (IEC 60950-1), met gaten/openingen verwerkelijkt met typische bewerkingstechnieken (ponsen/stansen) als uitzondering.
  • Kunststoffen als optica (Fresnel lens) moeten voldoen aan IEC 62108:2016
  • Alle bedrading moet afgeschermd zijn van geconcentreerd zonlicht
  • Interne bedrading moet bestendig zijn tegen een minimum isolatie (insulation) van 90C
  • Alle modules moeten individueel geaard worden
  • Er moet een veiligheidsfactor van 4 toegepast worden op het complete gewicht dat gedragen moet worden door de dwarsroede en andere onderdelen die onder mechanische spanning komen te staan
  • Het dubbelglas moet voorzien zijn van een verlijming in onderste glaslaag

Marktanalyse

Na een diepgaande scan van de markt op gebied van geconcentreerde zonne-energie, vergelijkbaar met het LCPV-dak, blijkt dat er nog geen oplossingen bestaan met een principe van deze aard. In de bijlage, wordt een opstelling bij de Universiteit van Wageningen vergelijkbaar met LCPV-dak, geanalyseerd. Hieruit zijn geen relevante eisen of conclusies ontstaan.

Marktanalyse (HS6 in bijlageverslag)

PVE

Onderstaand, is het PVE te vinden, dat ontstaan is gedurende de analysefase. Projectleider Leon Bunthof, deed de suggestie om in groepsverband (samen met studenten bij lectoraat Duurzame Energie), te bekijken, welke weging passend is bij iedere eis, zodat deze weging, zo objectief mogelijk blijft (3 meest rechter kolommen).

Bronnen afbeeldingen, in volgorde van voorkomen op pagina (bronnen in filmpjes staan toegelicht naast filmpje):

-[Afbeelding] Telescoopborstel. (2019).
https://www.marketonweb.nl/telescoopborstel-5-vlakken-tot-13-5-meter-extra-gratis-borstel

–[Afbeelding] Schoonmaakrobot (2020)
https://privacy.vakmedianet.nl/servicemanagement/?ref=https://servicemanagement.nl/reinigingsrobot-gaat-schoonmaken-bij-rivm-en-cbg/

-[Afbeelding] Triple junction cel (2) (2015) https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-junction_solar_cell

–[Brochure] TKI-systems (2019)
252 https://www.tkisystem.de/66.html?&L=2

 [NEN-Norm] NEN-EN-IEC 62688:2018 (2018)
Te vinden met: 
https://connect.nen.nl/Portal

Bronnen m.b.t. Afbeeldingen dakconstructies, worder gerefereerd in de bijbehorende bijlage

Literatuur schoonmaakanalyse:

Vivar, M., Herrero, R., Antón, I., Martínez-Moreno, F., Moretón, R., Sala, G., Blakers, A. W., & Smeltink, J. (2010). Effect of soiling in CPV systems. Solar Energy, 84(7), 1327–1335. https://doi.org/10.1016/j.solener.2010.03.031 

Sarver, T., Al-Qaraghuli, A., & Kazmerski, L. L. (2013). A comprehensive review of the impact of dust on the use of solar energy: History, investigations, results, literature, and mitigation approaches. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 698–733. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.12.065 

Garg, H. P. (1974). Effect of dirt on transparent covers in flat-plate solar energy collectors. Solar Energy, 15(4), 299–302. https://doi.org/10.1016/0038-092x(74)90019-x 

Sayyah, A., Horenstein, M. N., & Mazumder, M. K. (2014). Energy yield loss caused by dust deposition on photovoltaic panels. Solar Energy, 107, 576–604. https://doi.org/10.1016/j.solener.2014.05.030 

Maghami, M. R., Hizam, H., Gomes, C., Radzi, M. A., Rezadad, M. I., & Hajighorbani, S. (2016). Power loss due to soiling on solar panel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 59, 1307–1316. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.01.044 

Appels, R., Lefevre, B., Herteleer, B., Goverde, H., Beerten, A., Paesen, R., De Medts, K., Driesen, J., & Poortmans, J. (2013). Effect of soiling on photovoltaic modules. Solar Energy, 96, 283–291. https://doi.org/10.1016/j.solener.2013.07.017 

Sonneveld, P. J., Swinkels, G. L. A. M., Tuijl, B. A. J., Janssen, H. J. J., Campen, J., & Bot, G. P. A. (2011). Performance of a concentrated photovoltaic energy system with static linear Fresnel lenses. Solar Energy, 85(3), 432–442. https://doi.org/10.1016/j.solener.2010.12.001