Zonne-energie voor een weerstation in het bos
Een weerstation meet elke 10 minuten temperatuur, luchtvochtigheid en fijnstof en verstuurt de data via LoRa naar een server. Het station staat in een natuurgebied op 15 km van de dichtstbijzijnde stroomaansluiting en draait op een zonnepaneel van 50 Wp met een loodaccu van 12 V en 20 Ah. Het verbruik is continu 2,5 W. De accu mag tot 50% ontladen worden. In december levert een paneel in Nederland gemiddeld ongeveer 0,4 kWh per kWp per dag, in juni ongeveer 4,0 kWh per kWp per dag. Laadregelaar en bekabeling hebben samen een rendement van 85%. Bij temperaturen onder nul verliest een loodaccu ongeveer 25% van zijn capaciteit. Het projectteam wil het station minimaal drie jaar zonder onderbreking laten draaien.
1. Bereken voor december en juni of de energiebalans sluit. Gebruik het dagverbruik, de dagopbrengst na rendementsverlies en de bruikbare accucapaciteit.
Read the worked answer
Verbruik - 2,5 W × 24 h = 60 Wh per dag, in elk seizoen gelijk.
December - 50 Wp = 0,05 kWp; 0,05 × 0,4 kWh = 0,02 kWh = 20 Wh per dag vóór verliezen; na 85% rendement ≈ 17 Wh per dag. Tekort ≈ 43 Wh per dag. De bruikbare accu is 12 × 20 × 0,50 = 120 Wh, bij vorst 25% minder ≈ 90 Wh. De accu is dus na twee donkere dagen leeg en herstelt daarna niet, omdat het paneel structureel minder levert dan het verbruik.
Juni - 0,05 × 4,0 = 0,2 kWh = 200 Wh per dag; na verliezen 170 Wh per dag, een overschot van ≈ 110 Wh per dag. Dat is ruim voldoende, maar de zomerbuffer van 120 Wh kan een tekort van 43 Wh per dag in december niet compenseren.
Conclusie - de balans sluit in juni ruim en in december niet. Het systeem is voor de zomer ontworpen, niet voor continu gebruik het hele jaar.
2. Noem twee technische maatregelen om het station ook in december betrouwbaar te laten werken en beredeneer welke van de twee de energiebalans het sterkst verbetert. Benoem ook de zwakste plek in je aannames.
Read the worked answer
Maatregel 1: verbruik omlaag. Van 2,5 W naar 0,8 W (minder vaak zenden, sensor tussen metingen in slaapstand) brengt het verbruik op ≈ 19 Wh per dag. December levert ≈ 17 Wh per dag, dus je zit dan bijna op nul en met een paneel van 75 Wp ruim positief.
Maatregel 2: paneel vergroten. 150 Wp levert in december 0,15 × 0,4 × 1000 × 0,85 ≈ 51 Wh per dag en geeft ruime marge, zonder de meetfrequentie aan te tasten.
Afweging - verbruik verlagen is het goedkoopst en werkt in alle seizoenen, maar beperkt de datakwaliteit. Paneelvergroting kost meer en vraagt ruimte en een steviger mast, maar tast de metingen niet aan. Een grotere accu lost niets structureel op: die verschuift het tekort met hooguit twee dagen.
Zwakke aanname - de tabelwaarde 0,4 kWh/kWp per dag is een langjarig gemiddelde. Sneeuw op het paneel of een reeks zwaar bewolkte dagen kan de opbrengst dagenlang tot bijna nul terugbrengen; dat is met een gemiddelde niet af te dekken.
3. Het station moet ook bij −10 °C blijven werken. Beredeneer welk onderdeel het eerst problematisch wordt en welke maatregel je neemt. Betrek in je antwoord dat ook een LiFePO₄-accu beperkingen heeft.
Read the worked answer
De accu wordt het eerst problematisch. Een loodaccu verliest bij −10 °C ongeveer een kwart tot een derde van zijn capaciteit en mag onder 0 °C niet met volle stroom geladen worden; de laadregelaar beperkt de laadstroom en de effectieve capaciteit daalt verder. Het paneel zelf levert bij kou juist iets meer spanning, dus dat is niet de beperkende factor.
Maatregel - isoleer de accubehuizing en verwarm die met een klein vermogen (1-2 W) uit de accu zelf, zodat de temperatuur boven 0 °C blijft. Dat kost energie, dus de maatregel moet in de energiebalans worden meegenomen.
LiFePO₄ is geen vanzelfsprekende oplossing - die chemie mag onder 0 °C ook niet geladen worden. De laadregelaar moet de temperatuur meten en het laden uitstellen tot de accu warmer is; dat vraagt weer een grotere buffer en dus meer capaciteit.
Conclusie - kou is vooral een laad- en capaciteitsprobleem, niet een paneelprobleem; de oplossing zit in temperatuurbeheersing plus voldoende reserve.