Zonne-irrigatie voor de schooltuin
Een leerlingenteam bouwt voor een partnerproject een zonne-irrigatiesysteem voor een schooltuin. Het systeem bestaat uit twee panelen van 100 Wp, een 12 V pomp met een opgegeven debiet van 8 L/min bij 6 m opvoerhoogte en een buffertank van 150 L die 4 m hoger staat dan de pomp. Vanuit de tank lopen twaalf druppelleidingen met elk vier druppelaars van 2 L/h. De pomp slaat aan zodra de zon op de panelen staat en stopt bij zonsondergang; er is geen enkele regeling. Na twee weken verwelken de planten, vooral in de middag. De tuinman meldt dat de tank 's ochtends bijna leeg is en dat de pomp op bewolkte dagen helemaal niet draait. Het team berekent dat de panelen op een zonnige dag ongeveer 800 Wh leveren en de pomp bij continu draaien 60 W vraagt. In de praktijk haalt de pomp bij 6 m opvoerhoogte plus leidingverliezen nog maar 3 L/min in plaats van de opgegeven 8 L/min.
1. Bereken de dagelijkse waterbehoefte en vergelijk die met wat het systeem kan leveren. Laat zien of het probleem in de energie, het debiet of de opslag zit.
Read the worked answer
Waterbehoefte: 12 leidingen × 4 druppelaars × 2 L/h = 96 L/h = 1,6 L/min. Per dag is 96 L nodig (bij één uur druppelen).
Debiet: de pomp levert in de praktijk 3 L/min, dus 96 L vergt 32 minuten pompen. Dat is ruim binnen de capaciteit; het debiet is niet de bottleneck, mits de pomp daadwerkelijk kan draaien.
Energie: 60 W × (32/60) h ≈ 32 Wh, tegen 800 Wh opbrengst op een zonnige dag. Ook energie is dus niet de beperkende factor - er is zelfs een factor 25 over.
Opslag en regeling: de tank van 150 L is groot genoeg voor 1,5 dag, maar raakt 's ochtends leeg. De pomp draait alleen overdag, terwijl de druppelaars continu doorlopen zolang er water in de tank staat. Er is geen niveauregeling en geen afsluiter, dus het beschikbare water stroomt weg op het heetst van de dag, wanneer verdamping maximaal is en de planten juist water nodig hebben. Het probleem zit dus in de regeling en de timing, niet in paneelvermogen of pompcapaciteit. Oplossing: water overhevelen zodra de zon schijnt, opslaan in de tank en 's ochtends en 's avonds gericht druppelen.
2. Beredeneer met een systeemdiagram welke terugkoppelingen in dit systeem ontbreken. Stel een regeling voor met sensor en actuator en leg de keuze uit.
Read the worked answer
Systeemgrens: panelen, pomp, tank, leidingnet en bodem. Subsystemen: energie (paneel → pomp), water (pomp → tank → druppelaars) en de tuin als verbruiker.
Ontbrekende terugkoppelingen:
- Niveau in de tank ontbreekt: de pomp kan overvullen of droogdraaien zonder dat iets ingrijpt.
- Vochtigheid van de bodem ontbreekt: er wordt gedoseerd op basis van zonuren, niet op basis van waterbehoefte.
- Energieopbrengst ontbreekt: op bewolkte dagen valt het systeem stil zonder alternatief.
Regeling: een vlotter met magneetventiel in de toevoer naar de tank voorkomt overvullen en droogdraaien. Een bodemvochtsensor met hysteresis (pomp aan onder 25 % vocht, uit boven 35 %) voorkomt pendelen rond één drempel. Een 12 V magneetventiel in de druppelleiding met een timer doseert 's ochtends en 's avonds. Kies bij voorkeur een eenvoudige, robuuste regeling: hoe minder actuatoren, hoe minder storingsgevoelig in een schooltuin zonder onderhoud. Voeg een terugmeldingslamp toe zodat de tuinman ziet of het systeem daadwerkelijk water geeft.
3. De pomp haalt in de praktijk 3 L/min in plaats van 8 L/min. Laat met een berekening zien of dit genoeg is en welke ontwerpkeuze je maakt om de druk bij de druppelaars te waarborgen.
Read the worked answer
Genoeg? De vraag is 1,6 L/min, het werkelijke debiet 3 L/min. Er is dus ongeveer een factor 1,9 reserve; de pompcapaciteit is toereikend zolang de opvoerhoogte niet verder stijgt.
Druk bij de druppelaars: de tank staat 4 m boven de pomp, wat neerkomt op circa 0,4 bar statische druk. Veel druppelaars vragen 0,5 tot 1,0 bar om betrouwbaar te doseren, dus 0,4 bar is krap; zonder drukcompensatie gaat de bovenste leiding meer geven dan de onderste. Leidingverliezen over 20 m slang versterken dat verschil.
Ontwerpkeuzes: (1) drukgecompenseerde druppelaars toepassen, zodat elk emissiepunt doseert ongeacht de positie; (2) de tank hoger plaatsen of de leidingen in twee zones splitsen met een verdeler, zodat het debiet per zone kleiner wordt en het verlies kwadratisch afneemt; (3) een dikkere hoofdleiding (20 mm in plaats van 16 mm) kiezen om het drukverlies te beperken. Verhoog de opvoerhoogte niet zonder meer: dat kost debiet, en de pompcurve laat zien dat debiet en opvoerhoogte elkaar beïnvloeden.