Idee & Conceptfase
Sfeerimpressie ideefase (geen geluid)
Proces
Waar de idee- en conceptfase bij het typische (product-)ontwerpproces (Delftse Methode) vrij los van elkaar verlopen, was deze methodiek vrij moeilijk om overal toe te passen in het geval van het herontwerp van het prototype. Er zijn erg veel losse onderdelen en deelproblemen die opgelost moeten worden, terwijl deze in geval van de LCPV-constructie allemaal vrij los van elkaar staan. Daarom zijn er verschillende methodieken gecombineerd, waarin grotendeels iteratief tot deeloplossingen is gekomen.
Ontwerp-overzicht - Ieder onderdeel wordt in deze volgorde behandeld ónder deze tijdlijn
Mega-mindmap
Sleep de muis om te navigeren,
Houdt 'Ctrl' in tijdens het scrollen, om te zoomen
Als startpunt en leidende draad gedurende het divergeren in de ideefase, is onderstaande mindmap ontstaan (gemaakt met programma ‘coggle’)
Verbeterpunten per kerncomponent
Het prototype bestaat uit een aantal kern- componenten & principes,
die de werking van het systeem realiseren. Gedurende de analysefase, zijn er per component, verbeterpunten en mogelijke oplossingen hiervoor ontdekt. Gedurende de ideefase, is er eerst nogmaals grondig een blik geworpen op het prototype, met de opgedane kennis uit de analysefase in het achterhoofd.
Per kernonderdeel, is er gekeken in hoeverre er ruimte is voor verbetering, op gebied van de hoofdonderwerpen van het afstudeerproject: Esthetiek, Veiligheid, Inpassing, Onderhoud, Schoonmaak & Efficiënte productie.
Ontwerpproces: Directe toepassing van onderzoek
Zwenkarm & Glijlager
Onderstaand, is te zien op welke punten directe verbetering te behalen is, en hoe
De vierkante vorm van het profiel geeft de zwenkarm een ‘blokkerige’ en lompe uitstraling. Dit zal wellicht inmengen met sommige typen architectuur. Echter zullen afgeronde vormen over het algemeen een vriendelijkere en elegantere toevoeging zijn aan de ruimte.
In het prototype wordt de glijrail voor de lager, gemoteerd aan het profiel. Hier is winst te behalen op kosten en onderhoudsgevoeligheid, door de rail te integreren in het zwenkarm-profiel.
Wat is er al goed / Wat kan er beter?
Aandrijving en overbrenging
Onderstaand, is te zien op welke punten directe verbetering te behalen is, en hoe
Door te kiezen voor een lineaire actuator, kunnen de toleranties van de constructie verbeterd worden. Hierdoor zijn namelijk minder bevestigingspunten nodig dan in het geval van een spindel i.c.m. steppermotor. Ook is er hierdoor beter in te schatten wat de levensduur van het onderdeel zal zijn, en kan er efficiënter geassembleerd worden.
Gedurende de constructieasnalyse, bleek dat de aandrijvingsmechaniek (spindel/actuator), gedeeld kan worden met aanliggende LCPV-modules. Dit zal een goede besparing zijn op kosten, en aantal te assembleren onderdelen.
Wat is er al goed / Wat kan er beter?
Integratie in architectuur
(inpassing)
De inpassing van de aandrijvingsmechaniek van de zwenkarmen aan het dak, bleek in een vroeg stadium al de grootste uitdaging te zijn, als het gaat om de stap van prototype naar grootschalige toepassing op locaties.
Gedurende de analysefase (zie constructieanalyse in bijlageverslag), bleek dat de zogenaamde ‘dwarsroede’ de meest logische locatie is, om de mechaniek m.b.t. de rotatie van de zwenkarmen aan te bevestigen.
Methode Afweging & Keuzes deel-ideeën
Gedurende de idee- & conceptfase, is er veel gebrainstormd en overlegd met Skip van de Kandelaar, van SKIPSS B.V. aan de hand van het schetsboek, renders en 3D-modellen, is er in overleg, besloten welke ideeën onrealistisch zijn, en wat er doorgezet moet worden tot concept.
Methode Afweging & Keuze concepten
De afwegingen voor iteratiestappen naar een volgend concept, zijn grotendeels ook ontstaan in overleg met SKIPSS B.V. en Leon Bunthof. Ook is er gekeken naar de verhouding tot het PVE, per concept-iteratie.
Ontwerpproces inpassing: Iteratief ontwerpen
Het inpassingsmechanisme, is ontstaan door te itereren op verschillende aspecten van het ontwerp, om zo stap voor stap te komen tot een ontwerp dat voldoet aan alle eisen en wensen. Middels optica en licht, kan op een interessante manier, het iteratieproces gevisualiseerd worden. Dit onderstaande overzicht is gemaakt middels onderstaande interactieve web-app (interessant en gemakkelijk om mee te experimenteren):
https://ricktu288.github.io/ray-optics/simulator/
'iteratie-flow' van ontstane concepten:
Concept inpassing 1 (Ci1) Startpunt
C1 is ontstaan als startpunt voor het iteratieve ontwerpproces. Onderstaand is te zien uit welke ‘ontwerpvraagstukken’ dit concept is ontstaan.
Gezien de hoogte, waarop het LCPV-dak systeem vaak geïnstalleerd zal worden, is het op gebied van veiligheid en kosten, slim om zoveel mogelijk te assembleren, alvorens de constructie opgehangen wordt.
Om de levensduur en veiligheid van de constructie betrouwbaar te maken, is het belangrijk dat toleranties tussen onderdelen laag gehouden worden
Ontstaan (zoomen met CTRL +, indien nodig)
Hoe kunnen de deelproblemen opgelost worden? Onderstaand is globaal weergegeven, hoe ideeën zijn ontstaan, welke ideeën realistisch zijn, en wat juist onhaalbaar is.
Werking/Opbouw Ci1
Onderstaand wordt visueel weergegeven, hoe Ci1, globaal is opgebouwd en werkt.
Bevindingen Ci1
Uit overleg met Skipss B.V. bleek dat er in het concept ruimte voor verbetering is, op gebied van veiligheid. Doordat alle bevestiging aan de onderkant van de dwarsroede zit, wordt het gehele gewicht van de module, gedragen door alleen het schroefdraad van de bouten.
Ci1A - Iteratie op veiligheid
Door extra flenzen toe te voegen, kan de zijkant van de dwarsroede gebruikt worden om het gewicht te ondersteunen, waardoor de gehele bout belast wordt op afschuiving, in plaats van alleen het schroefdraad.
Werking/Opbouw Ci1A
In onderstaand overzicht zijn de belangrijkste verschillen tussen Ci1 en Ci1A te zien (klikken om te vergroten).
Bevindingen Ci1A
Behalve de verbetering op veiligheid die in voorgaande sectie benoemd wordt, is er op gebied van specifieke eisen, voornamelijk winst behaald op het zoveel mogelijk assembleren, alvorens het ophangen. De afsluitende kap, kan immers al bevestigd worden, voor het ophangen. In het volgende concept, wordt er geïtereerd op de te verbeteren aspecten van C1.
Concept inpassing 2 (Ci2)
Gedurende het ontwerpproces van Ci1(A), is er geëxperimenteerd met bevestigingsmethoden/locaties. Gedurende het ontwerpproces van Ci2, is er gefocust op efficiënte productie en assemblage.
Bij concept 1(a), bleek dat er nog ruimte is voor efficiëntere massaproductie, lees in onderstaande sectie, hoe, en met welke productiemethoden dit aspect verbeterd kan worden.
Gezien een plaatsingslocatie niet altijd zal beschikken over de precieze glasverhoudingen (2x1M), die als uitgangspunt gebruikt zijn. Zou een massa-productie vriendelijke oplossing, die ook nog ingepast kan worden bij verschillende verhoudingen, ideaal zijn.
Werking/Opbouw Ci2
Onderstaand wordt visueel weergegeven, hoe Ci2, globaal is opgebouwd, en geassembleerd kan worden.
Bevindingen Ci2
Het concept, maakt nu nog gebruik van een spindelmechanisme, in plaats van een lineaire actuator. Uit overleg met Skip van de Kandelaar van SKIPSS B.V. bleek dat de toepassing van een lineaire actuator, een sterke vooruitgang is, op gebied van onderhoud & levensduur. Dit is overigens gedurende de idee- en conceptfase pas geconcludeerd, maar wel toegevoegd aan de analysefase, en later ook aan het PVE.
Zijn de eisen waaraan in Ci1 niet (helemaal) voldaan werd, nu wel behaald?
– De behuizing moet universeel/schaalbaar zijn bij andere inpasdimensies dan huidig prototype
– De behuizing moet op grote schaal (massa) kosten-efficient geproduceerd kunnen worden
– Het ontwerp dient, waar mogelijk en zonder negatieve neveneffecten, geassembleerd te worden, vóór bevestiging dak
Door te kiezen voor extrusie, in plaats van snijden en kanten van plaatmateriaal, wordt er significant bespaard op productiekosten, en ontstaat de mogelijkheid tot massaproductie, in plaats van serieproductie (m.u.v. nabewerkingen). Ook kunnen er in het geval van extrusie, makkelijk verschillende modellen voor net afwijkende afmetingen gemaakt worden; de extrusieprofielen kunnen immers op de juiste maat ‘afgezaagd’ worden. Op gebied van assemblage, zal het concept vergelijkbaar zijn in tijdsduur om op te hangen, met Ci1, echter, zullen de toleranties van Ci2 wel voordeliger zijn, vanwege de meer solide ‘body’.
Ci2A - globale iteratie
Door een tussenstuk te gebruiken, dat verbonden wordt aan de zwenkarm en lineair actuator, zal de actuator een kleinere afstand (stroke) hoeven overbruggen, waardoor de inkoopkosten af zullen nemen, en er gemakkelijker een zwenkhoek van 150 graden bereikt kan worden.
Werking/Opbouw Ci2A
In linksstaand overzicht zijn de belangrijkste verschillen tussen Ci2 en Ci2A te zien.
Bevindingen Ci2A
Gedurende het feedbackmoment m.b.t. Ci2A bij SKIPSS B.V., is er geconcludeerd, dat het aantal locaties dat voldoet aan de eisen voor de integratie van een LCPV-constructie, toch erg gering is. Ci2A, kan doorontwikkeld worden voor bestaande constructies, die voldoen aan de eisen en ruimte bieden voor een dergelijke constructie, echter biedt het focussen op nieuwbouwlocaties veel ruimte voor optimalisatie van het huidige concept. Daarom is er in overleg met het lectoraat Duurzame Energie en SKIPSS B.V. besloten, om het ontwerpproces voort te zetten, voor een oplossing die zich richt op nieuwbouw. En verdere ontwikkeling van een type concept zoals C2, stop te zetten.
Concept inpassing 3 (Ci3)
Door te kiezen voor integratie in de dwarsroede, ontstaan er veel nieuwe mogelijkheden en voordelen, t.o.v. eerdere concepten.
Werking/Opbouw Ci3
De precieze werking van dit concept, wordt verder toegelicht in het eindconcept, onderaan de webpagina. Het principe komt neer, op een profiel (bevestigingsprofiel), waaraan de lineaire actuator en bijbehorende componenten aan bevestigd kunnen worden. Deze module, kan vervolgens in zijn geheel, in de dwarsroede bevestigd worden, middels bouten en moeren, en een afsluitend profiel.
Bevindingen Ci3
De integratie in architectuur, komt met veel voordelen; alle mechaniek is netjes afgewerkt, en leidt niet af van omliggende architectuur. In principe zal alleen de naad van de afdekking, en de zwenkarmen i.c.m. koellichaam en PV te zien zijn. Dit ontwerp is daarom doorgezet en geïmplementeerd in de definitieve ‘assembly’.
Lagering
Goede lagers, zijn een cruciaal punt voor een lange en veilige levensduur van een constructie. De keuze en mogelijkheden op gebied van lagers, is grotendeels gedaan in overleg met SKIPSS B.V.
Waar zijn lagers nodig, en waarom?
Ook bij het herontwerp, zal er gebruik gemaakt moeten worden van lagers. Dit om de wrijving tussen bewegende componenten te minimaliseren, en zo de levensduur en veiligheid van de constructie te garanderen.
In de productanalyse is er al even ingegaan op de lagering in het prototype, in het filmpje te zien aan de linkerzijde, is nogmaals aangegeven, waar gebruik gemaakt wordt van lagers, en van wat voor type.
Hoe kan de lagering gerealiseerd worden in het herontwerp?
In de animatie aan rechterzijde, worden de twee meest voor de hand liggende oplossingen m.b.t. tot de glijlagers gevisualiseerd.
De toepassing van een (kunststof) glijlager, die dóór de gehele zwenkarm loopt (optie 1 in video, rechts), heeft als voornaamste voordeel, dat er in geval van benodigd onderhoud, de aandrijvingsmodule, gemakkelijk verwijderd kan worden, zonder de zwenkarm los te koppelen.
De toepassing van een kunststof (‘passieve’) of metalen (‘actieve’) -lager, die zich verplaatst door de gleuven van de zwenkarm, is een optie die in het veld vaker gebruikt wordt, en op lange termijn betrouwbaarder is dan voorgaande optie. Echter wordt het hierdoor moeilijker om de aandrijvingsmechaniek te vervangen/repareren, zonder de zwenkarmen los te koppelen.
Koeling
In de analysefase, werd al even ingegaan op de keuze tussen passieve en actieve koeling. Passieve koeling is onderhoudsvriendelijker en goedkoop, waar actieve koeling, zal zorgen voor optimaal rendement van de PV
Gedurende de ideefase & conceptfase, is er verder onderzoek uitgevoerd op gebied van mogelijkheden voor actieve koeling. Onderstaand is het ‘denkproces’ terug te vinden, dat heeft geleid tot de uiteindelijke koelingsconstructie.
Denk & Ontwerpproces
Actief, of toch passief?
Onderzoek d.m.v. simulaties
Aan de hand van warmtestroom-simulaties (zie slide-show rechts), is er onderzocht, of actieve koeling benodigd is om het rendement van de PV-cellen constant te houden. In de bijlage ‘MATERIALISATIE-, VALIDATIE- & REALISATIEFASE’ is het complete ‘simulatierapport’ te vinden, en de overwegingen om te kiezen voor passieve of actieve koeling.
In het geval van optimale actieve koeling, met (1) krachtige ventilator, bleek dat er gekoeld kan worden naar de optimale werkingstemperatuur van de PV (25 graden), echter bleken de kosten en energieverbruik van deze oplossing, niet op te wegen tegen de positieve effecten op het rendement. Uiteindelijk is er gekozen voor toepassing van twee goedkopere, minder krachtige ventilatoren aan weerszijden van het koellichaam (zie afbeelding rechtsonder). Er is i.v.m. tijd, niet gesimuleerd of deze oplossing de juiste is. Dit kan gedaan worden in toekomstige iteraties van het project. Indien modules achterelkaar doorgekoppeld worden, is het belangrijk dat de (warme) luchtstroom, afgevoerd wordt in benedenrichting, zodat de warme lucht niet opnieuw gecirculeerd kan worden naar een volgende module.
Multifunctionaliteit & Kleurgeving
Gezien de constructie zichtbaar en duidelijk aanwezig zal zijn in de ruimte, kan dit wellicht in het voordeel gebruikt worden, door de locatie juist op te laten vallen, of te voorzien van extra functionaliteiten en mogelijkheden
Moodboard, ontstaan na brainstorm met VerBuiten Design
Bron: https://www.youtube.com/watch?v=8FkBA3xTne0&ab_channel=Dezeen (10/03)
Wat voor mogelijkheden biedt bevestiging aan het plafond?
De toepassing in plafond/dak van een ruimte, komt met een aantal mogelijkheden (zie onderstaande sectie), ook kan de mogelijkheid tot bewegen van de zwenkarmen, wellicht gebruikt worden op een innovatieve en interessante manier
Moodboard o.b.v. brainstorm met Manon Verijdt van VerBuiten Design
Gedurende het interview en de brainstorm met Manon Verijdt (zie doelgroepanalyse in bijlage voor volledig interview), zijn er een aantal interessante ideeën ontstaan m.b.t. het gebruiken van de constructie als ‘show’ of entertainment. Links is een moodboard te zien dat is gemaakt naar aanleiding van de brainstorm. Onder het moodboard, is een installatie te zien, met een vergelijkbare werking, als wellicht toegepast kan worden in de LCPV-constructie.
Wat wordt er doorgaans bevestigd aan plafonds in publieke ruimtes?
Sprinklers zijn vaak moeilijk toe te passen bij glazen daken, er is onderzocht of de onderhangende LCPV-constructie hier wellicht een oplossing voor kan zijn. Uit overleg met leden van het lectoraat Duurzame Energie, bleken de hoge (veiligheids)eisen aan dit soort systemen echter een te cruciaal punt te zijn, om toe te kunnen passen op deze maneir
In vorige sectie, werd al even ingegaan op de mogelijkheid tot het gebruiken van de constructie als ‘lichtshow’. Echter is normale LED-verlichting een realistischere oplossing, waar meer locaties baat van zullen hebben. Indien er gekleurde LED’s toegepast worden, kunnen er alsnog interessante kleurpatronen en animaties geprogrammeerd worden.
Luidsprekers, verspreid over een groot dakoppervlak, kunnen een interessante akkoestiek verwerkelijken. Indien de luidsprkers niet de zwaar zijn, en voldoende kwalitatief en luid zijn, kan dit een interessante oplossing zijn.
Uit telefonisch overleg met ex-stagebedrijf InventDesign (interieur, exterieur & show-verlichting), is er gekeken naar de mogelijkheden voor de toepassing van LED, geïntegreerd in de LCPV-module. Hieruit bleek dat dit inderdaad een interessante mogelijkheid is, waar InventDesign graag over meedenkt in een later stadium. Uit overleg met Leon Bunthof, blijkt de toepassing van LED-verlichting, in in vergelijking met overige bovenstaande opties, de meest realistische.
Hoe kan er ingemengd worden met omliggende architectuur?
Het gebruik van aluminium-extrusie, biedt ruimte tot het poedercoaten van de onderdelen. Dit is een kosten-effectieve, en simpele manier, om per locatie te kunnen kiezen voor een verschillende kleur. Ook is het mogelijk om houttextuur toe te passen in dit type bewerking. Links is te zien, hoe er is geëxperimenteerd met verschillende kleuren en rexturen.
Wat voor huisstijl/pallet hebben bestaande locaties?
Gedurende de doelgroepanalyse, zijn er een aantal kleurpaletten gemaakt, op basis van de meest aanwezige kleurtonen in een ruimte.
Initieel eindconcept (vóór herkansing)
In eerste instantie (vóór de herkansing), is onderstaand concept ontstaan, als eindconcept. Echter, kon er i.v.m. de kerstvakantie, niet voldoende gevalideerd worden met relevante stakeholders (SKIPSS B.V. & Lectoraat), of dit concept aan alle eisen voldoet, op gebied van veiligheid, en de samenwerking van componenten. Bij dit concept, werd er sterk gefocust, op de mogelijkheid om de aandrijvingsmechaniek te kunnen verwijderen, zonder de zwenkarmen te verwijderen (voornamelijk door te kiezen om de as, dóór de zwenkarm te laten lopen)
Welke laatste stappen moeten genomen worden, om te komen tot het definitieve concept?
Bevindingen
Uit overleg met SKIPSS B.V., bleek dat de mogelijkheid tot het vervangen van de geïntegreerde aandrijving, minder belangrijk is, dan in eerste instantie gedacht werd. De levensduur van de componenten is immers erg lang, en er zal naar verwachting geen reparatie of onderhoud benodigd zijn vóórdat het maximaal aantal cycli, van de lineaire actuator is bereikt, uit overleg met leverancier TiMotion, is hiervan pas sprake na 20.000 ‘cycles’, wat in het geval van een LCPV-DAK constructie, zal resulteren in circa ~50 jaar, indien de constructie elke dag een volledige zwaai maakt (i.v.m. snachts/savonds hangen onder grote hoek, ter voorkoming stofval). Onderstaand worden nog twee aspecten uitgelicht, die verder doorontwikkeld moeten worden in een laatste iteratie.
De kracht die komt te staan op de lagers en voornamelijk de as komt te staan in het concept, is naar verwachting te hoog. Ook is het type lagering te onconventioneel, om met zekerheid te kunnen zeggen of hiermee een lange levensduur behaald kan worden.
In het concept, is geen rekening gehouden met het opvangen van neerwaartse, en zijwaartse krachten, die nu komen te staan op de actuator. Lineaire actuatoren zijn niet berekend op krachten, anders dan in de duw en trekrichting.
Definitieve iteratie op eerste gecombineerde 'eind' -concept
In bijlage ‘WERKING & OVERZICHT EINDCONCEPT’ wordt per onderdeel/onderdelengroep, nauwkeurig uitgelegd, hoe ieder (sub)onderdeel in werking treed. Onderstaand worden de belangrijkste werking en onderdelen toegelicht middels animaties.
Overzicht / Exploded-view
Werking & Principes
Lagering in zwenkarm
Het lagersysteem in de zwenkarm, en translatiemechaniek, is het voornaamste punt geweest, dat is verbeterd ten opzichte van het initiële ‘eind’-concept. Dit nieuwe systeem is ontstaan in consult met projectpartner SKIPSS B.V. en zorgt ervoor, dat er minder krachten komen te staan op de as die de overbrenging van translatie naar rotatie realiseert. Zie voor de werking en opbouw van het systeem, de video’s aan rechterzijde en onderstaand overzicht.
Werking
De translatie (glij-)lager brengt de neerwaartse en zijwaartse krachten die ontstaan door de aanstuwing van de zwenkarm, over op het bevestigingsprofiel, waarin de actuator is bevestugd.
De rotatielager, vastgeklemd in de zwenkarm, zorgt ervoor dat er zo min mogelijk wrijving ontstaat, gedurende de draaing van de armen. Vanwege de kleine hoeveelheid beweging over het verloop van de dag, is een ‘low-friction’ kunststoflager, naar verwachting voldoende sterk.
De translatie (glij-)lager in de zwenkarm, zorgt ervoor dat er zo mogelijk wrijving ontstaat tussen de zwenkarm en de lager zelf.
Modulair koellichaam
In het eindconcept is er in het koellichaam rekening gehouden met ruimte aan de onderzijde, om per locatie te kunnen kiezen voor verschillende modules (LED, Luidsprekers, etc.)
Constructie als 'show'
Indien er LED-verlichting wordt toegepast, kan de ruimte in de avond en nacht, omgetoverd worden tot een interessante installatie
Assemblagevriendelijk & veilig aandrijvingsmechanisme
Het eindconcept is erg assemblage-vriendelijk, bestaat uit significant minder onderdelen, dan het initiele prototype (hierover meer in de materialisatie, validatie & realisatiefase), en kan op iedere locatie op dezelfde manier geassembleerd worden. Er wordt gebruik gemaakt van betrouwbare ‘standaardmethoden’ en principes voor de bevestiging van losse componenten. Door de plaatsingslocatie, kan wanneer wenselijk, besloten worden om eerst de complete dragende architectuur (dwarsroeden zonder interne mechaniek) en glaslegging te realiseren, alvorens het bevestigen van de aandrijvingsmechaniek. Echter kan ook gekozen worden, om de dwarsroede direct te integreren, mét de inliggende componenten erin.
Locaties hoeven geen rekening te houden met speciale (dure) schoonmaak
Doordat de Fresnel-lens, wordt geïmplementeerd tussen dubbelglas, wordt de Fresnel-structuur altijd beschermd in een veilig vacuüm tussen twee glazen panelen. Hierdoor kan de lens ook niet buigen, zoals het geval was bij het prototype.
Er kan bespaard worden op kosten en aantal onderdelen, door het aandrijvingsmechanisme te delen over meerdere modules
Indien meerdere LCPV-modules zich achterelkaar bevinden, kan de aandrijvingsmechaniek gedeeld worden over beide modules.
Bekijk het zelf! (navigatie met linker-muis en inhouden scrollwiel)
Gerealiseerd middels ‘vectary’ web-plugin
Bonuscompilatie
Om te oefenen met het ontwerpen in virtual reality, is er een eerste indruk van het LCPV-DAK concept op een grotere locatie ontworpen. In onderstaande compilatie, komen hiervan een aantal beelden aan bod