som strømforsyning for bluetooth sendere Test, resultater og konklusioner fra marts april 2010

Transkript

1 SOLCELLE JW s20 som strømforsyning for bluetooth sendere Test, resultater og konklusioner fra marts april 2010 Indhold Indledning Batteribaseret energiforsyning side 1 side 2 Solcelle og batteribaseret energiforsyning til bleu toothsender Solens energi over året Er målingerne på JW s20 i slutningen af marts 2010 realistiske? Delkonklusion på Er målingerne på JW s20...realistiske? Kombinationen solcelle og batteriudskiftning Konklusion side side side side side side Test, rapport og konklusion: Bjergtaget v/lars Steen Hansen

2 Denne rapport er udarbejdet i forbindelse med EU INTERREG IVA projektet Destination Fehmarnbelt.

3 Indledning Østdansk Turisme, Friluftsrådet og Bjergtaget udarbejder i samarbejde et løsningsforslag til Bluetooth kommunikation på danske vandre og cykelruter. Bjergtaget arbejder med at udvikle en holdbar løsning til strømforsyning til Bluetooth sendere som baserer sig på sol og/eller vindenergi. Allerede i november 2009 udførte Bjergtaget en række forsøg med solceller, hvor konklusionen blev, at en løsning alene baseret på solceller ikke var mulig, hvis kravet om drift 24 timer/365 dage årligt skal holdes. Kravet 24/365 vil fordre for store arealer med solceller og/eller for stor batterikapacitet til at opretholde driften i vintermånederne. Skal kravet 24/365 opretholdes er et godt alternativ at lade energien levere af en vindmølle. Ud fra oplyste fabrikantdata, har jeg beregnet, at vindmølle Rutland 913 sammen med batterikapacitet på 5 dage, vil kunne holde energi til bleu toothsenderen 24/365. Det skal dog siges, at Rutland 913 endnu ikke er testet og det således ikke er verificeret at møllen i praksis kan udføre arbejde. Jeg har imidlertid arbejdet en del med den vertikale mølle V20 som har ca. ½ kapacitet og som starter med at producere ved 4 m/sek. Rutland 913 starter med at producere ved 2,2 m/sek og jeg vurderer således, at denne mølle kan levere energi med tilstrækkelig margin og at Rutland 913 således er en troværdig løsning. Imidlertid finder beslutningstagere for placering af blooth sendere det problematisk at opsætte vindmølle Rutland 913 på visse fredede og på anden vis følsomme områder og arealer. Der må således tænkes i alternativer og måske alternativer hvor 24/365 kravet ikke er opfyldt. Alternativer. Ren batteribaseret energiforsyning Solcellebaseret energiforsyning i de 8 lyse måneder og batteribaseret i de 4 mørke måneder. At driften stoppes i de 2 eller 4 mørke måneder. Strømforsyning via 230 volts nettet. 1

4 Batteribaseret energiforsyning I en ren batteribaseret energiforsyning til bleu toothsenderen er det faktorerne senderens energi eller strømforbrug/timen, batterikapaciteten og batteritemperaturen, som bestemmer hyppigheden af batteriskift og dermed hvor lang tid driften kan opretholdes uden batteriskift. Bleutoothsender type BleuGiga AP 3201 forbruger 130 ma (v/ 9 30 volt) Batteriet skal være et forbrugsbatteri (ikke et startbatteri) på 12 volt. Batteriet skal være 12 volt da det ligger med en passende magin over laveste spænding til AP 3201 og 12 volts batterier er standardvare. Batteritemperaturen skal helst være på 5 7 gr. C. Levetiden reduceres hvis temperaturen er højere, og kapaciteten reduceres hvis temperaturen er for lav. Batteriet kan nedgraves til en dybde på cm. dybde. Herved kan temperaturen med diverse isolationsmåtter kan holdes over eller i nærheden af frysepunktet om vinteren og ikke over 10 grader om sommeren. Jeg vil antage at batterikapaciteten i værste fald er reduceret med 20%. Med strømforbruget den ønskede forbrugstid tid kan batterikapaciteten udregnes. Ønskes der drift af senderen i 1 måned kræver det batterikapacitet på 0,130A x 24timer x 30 døgn = 93,6 Ah Batteriet som skal drive bleutoothsenderen i en måned må derfor være 93,6 Ah + 25% ~ 120 Ah. (Der tillægges 25% for at sikre kapaciteten ved lave temperaturer) Forslag til drift af bleu toothsender alene på batteri. 4 stk. Exide nautilus Freeline/marine (12 volt 90 Ah. C1001 (19,5 kg/stk.) pris ca kr./stk 2 stk. dioder 15 A /stk pris ca. 20 kr. Vandtæt kasse eller box (til nedgravning) pris ca kr. Diverse ledninger, vandtætte bøsninger mv. pris ca. 250 kr. 2 stk. Exide nautilus Freeline/marine monteres parallelt dog med 2 dioder i plusforbindelsen fra hvert batteri til senderen. Dioderne bevirker at batterierne ikke kan se hinanden og dermed ikke slider hinanden op. Samtidig opnås med dioderne, at batterierne kan udskiftes på skift uden strømforsyningen afbrydes til senderen. 1 C20 eller C100 er antallet af timer hvorved afledningen sker. C100 er således 100 timer. Til vores brug taler vi ikke timer men døgn, og kapaciteten er således større end 90 Ah for Exide nautilus Freeline/marine 2

5 Batteriernes kapacitet er 90 Ah pr. stk. Hvis batterierne monteres parallelt bliver den samlede kapacitet 180 Ah. For at sikre at vi også har kapaciteten ved lave temperaturer fraregnes 20%. Batteriernes effektive kapacitet bliver 144 Ah. kapacitet / strømforbrug = driftstid => 144 Ah/0,130 A ~ 1107 timer ~ 46 døgn. Ønskes der flere driftsdøgn kan der evt. monteres et tredje batteri af typen Exide nautilus Freeline/marine. Et tredje batteri vil bringe driftstiden op på knapt 3 måneder. Batteriet Exide nautilus Freeline/marine 90 Ah C100 er valgt, da det er et standard marine forbrugsbatteri med god kapacitet(90 Ah ved afladetider på 100 timer eller mere) og til forholdsvis få penge. Der findes selvfølgelig batterier med større kapacitet men som er væsentligt dyrere. Der findes også andre typer af batterier f.eks. lithium ion batterier. Et lithium ion batteri i denne størrelse er væsentlig dyrere end Exide nautilus Freeline/marine. En umiddelbar undersøgelse på internettet har vist, at lithium ion batterier er en faktor 10 dyrere end traditionelle bly batterier. 3

6 Solcelle og batteribaseret energiforsyning til bleu toothsender Et andet løsningsforslag er at benytte en kombination af solceller og batteri/batteriudskifning til at dække energiforsyningen 24/365 til BleuGiga AP Kombinationen består i at solcellen i årets lyse måneder (marts til oktober) leverer energien, imens der igennem vinteren i årets mørke måneder november til februar bliver nødvendigt med én til tre batteriudskiftninger afhængig af batterikapaciteten (jf. forgående afsnit). Solcelle JW s20 fra Jiawei (se vedlagte data blad) har været under test på Lundhoff i Odder. Solcelle Jw s20 er en såkaldt 20 watts mono krystalinsk solcelle indkøbt hos Actec i Randers til en pris på ca. 650 kr. Solcellen måler 29 x 58,5 cm. Solcelle Jw s20 har været opstillet med med front direkte imod syd og med en vinkel eller hældning på ca. 45 grader. 4

7 Nedenstående koordinatsystem viser grafer for data indsamlet fra 15. marts til 4. april 2010 på Lundhoff i Odder. Dataindsamlingen har været svingende og pågår endnu. Desuden har solprocenten været svær at fastsætte, og fastsættelsen af solprocenten er da også alene baseret på en personlig vurdering fra min side. Graferne viser på trods af den begræsede datamængde tendenser og en grafisk midling viser... Solprocent Produktionstimer Produktion ~ 90 % ~ 9 ~ 950 ma./h ~ 75 % ~ 7 ~ 600 ma./h ~ 50 % ~ 7 ~ 300 ma./h ~ 20 % ~ 10 ~ 50 ma./h Det antages, at der i en 4 dages periode i slutningen af marts forekommer 4 dage med netop disse 4 solprocenter og det således kan udgøre et gennemsnit for produktionen i slutningen af marts måned. Produktionen over 4 dage i marts vil således blive. 9x950mA + 7x600mA + 7x300mA + 10x50mA = 15350mA..hvilket gennemsnitlig vil være 3840 ma./døgn 5

8 Solens energi over året Tidligere i december 2009 har Bjergtaget og dermed jeg udført målinger på solcelle JW s20. Jeg har foretaget målinger henholdsvis den 7. og 9. december med solcellen vendt mod syd og med den hældning som medførte største produktion kl. 12. Vejret 7/ : overskyet med en enkelt solstråle. Vejret 9/ : overskyet mørkt Tid (7/12) produktion ma Tid(9/12) produktion 100 ma ,5 ma ma ,0 ma ma ma ,0 ma ma ,0 ma ma ma Som det ses af resultaterne er produktionen den 7. og 9. december 2009 meget lille. Hvis det er overskyet er produktionen så lav som ma. i døgnet. Hvis der falder en solstråle igennem ind imellem, som den 7. december, bliver produktionen ma. i døgnet, hvilket kun er tilstrækkeligt til at drive bleutoothsenderen i cirka 3 timer. På de foregående side viser målinger og beregninger at produktionen i slutningen af marts 2010 for JW s20 måles og beregnes til 3840 ma./døgnet. Kurt Nyborg fra Actec i Randers oplyser at sollysindfaldet[energien] på 1 m2 i Tåstrup forløber som det fremgår af nedenstående tal. Actecs tal er midlet over måneden ligesom evt. skydække også afspejles i tallene. Forholdet imellem laveste indfald i december og i højeste indfald i juni udgør et forhold på 16,8. jan. feb. marts april maj juni juli aug. sep. okt. nov. dec. 0,50 1,15 2,25 5,41 5,72 5,37 4,48 2,76 1,34 0,64 0,34 4,09 [kwh/m2/døgn] Fra El fra solen s hjemmeside under support findes forholdstal for enegiproduktionen på mono krystalinske solceller igennem året. Solcellen som El fra solen benytter har været vendt direkte mod syd og havde fast hældning på 38 grader. Forholdet imellem månederne december med minimal produktion og maj med maximal produktion er i El fra solen s resultater 9. Heraf ses at forholdet imellem mindste og meste produktion ( El fra solen s tal) er forskellig fra tallene for solindfaldet (Actecs tal). 6

9 Tallene viser desuden at produktionen for maj er overraskende højere end produktion i juni, hvor der ifølge Actecs tal er størst solindfald. Overraskende er det også, at både juli og majs produktioner ligger højere end igen junis. De lidt overraskende tal skyldes vil jeg antage 1) at idet solcellens hældning er fast 38 grader, er solcellen ikke i optimal position for maksimal produktion når solen står højest på himlen. Og 2) at produktionen i mono krystalinske solceller falder som funktion af temperaturen (op til 15% ved høje temperaturer), og solcellen er varmere i juni juli end i maj. At produktionen falder som funktion af stigende temperatur er uden betydning i vores tilfælde, da produktionen for os ikke er kritisk i sommermånederne. Solcellens hældning er derimod af største betydning i vores brug af solceller. El fra solen oplyser... at maksimal produktion igennem året opnås med en hældning på 38 grader. Ønskes maksimal produktion i sommerhalvåret skal solcellens hældning helt ned på grader. Og ønskes maksimal produktion i vinterhalvåret skal solcellens hældning være grader.jævnfør kurver fra El fra solen 2 kan produktionen i november, december og januar øges med ca. 10% ved at montere solcellen med hældning 60 grader

10 Forholdet i solindfald og produktion imellem marts april 2010 og 7 9 december 2009 Bjergtagets målinger på JW s ma. : 350 ma.3 = 11 Kurt Nyborgs (actec) tal for solindfald i Tåstrup ~ 3,0 : 0,34 = 8,8 El fra solen ś tal for strømproduktion i København ~ 0,6 : 0,11 = 5,5 Jeg vil antage at forskellen i forholdstallene fra henholdsvis Actec og El fra solen skyldes, at der i Actec tilfælde er tale om solindfald hvilket er uafhængig af en solcelles hældning, imens El fra solens tal er målinger på en aktuel solcelle fast montere i hældning 38 grader. Mine tal på forholdet imellem mats april og december er støre end både solindfaldet og El fra solen s produktionstal. Jeg vil antage at tallene for december (350 ma) er alt for usikre til at indgå i en forholdsberegning som denne. Vigtig er det derimod at vurdere mine produktionstal på næsten 4Amp. for JW s20 i slutningen af marts i Odder Er målingerne på JW s20 i slutningen af marts 2010 realistiske? Bjergtaget har målt solcelle JW s20ś produktion i et vurderet gennemsnitsdøgn i slutningen af marts til 3840 ma. ved 12,5 volt... hvilket kan omregnes til (3,84 A x 12,5 V) = 48 W/døgn. Ifølge Actec er solindfaldet i slutningen af marts i Tåstrup... ca W/m2/døgn El fra solen oplyser at virkningsgraden for mono krystalinske solceller er. 0,104 ved 12,5 volt Solcelle JW s20ś areal udgør 0,17 m2 hvilket er ca. 1/6 m2 JW s20 antages at kunne producere i slutningen af marts (3000 x 0,1 x 1/6) ca. 50 W/døgn Med det teoretisk mulige udbytte af solcelle JW s20 på 50W/døgn i slutningen af marts er det muligt at finde det teoretiske break even for solcellen. Dvs. det er muligt at finde de to tidspunkter på året hvor solcelle JW s20 netop kan drive bleu toothsenderen fra BleuGiga. Samtidig er det muligt at finde det samme break even punkt for to parallelkoblede solceller eller 1/3 m2 mono krystalinsk solcelle. BleuGiga AP 3201 bruger (strømforbrug x tid) x spænding) 0,130A. x 24 x 12,5 = 39 W/døgn Det skal indføjes et strømforbrug i laderegulatoren på. ca. 2 W/døgn Det teoretiske break even for 1 solcelle er hvor solindfaldet er.. (døgnforbruget x arealforholdet x 1/virkningsgraden) = 41 W x 6 x 10 = W/m2/døgn Det teoretiske break even for 2 solceller er hvor indfaldet er (½ x 2460) W/m2/døgn ma er yderst usikkert og baseres på kun én dag med blandet vejr. 4 El fra solen oplyser at virkningsgraden er 0,13 men også at virkningsgraden reduceres yderligere som funktion af at der lades med 12,5 13,5 volt på et 12 volts batteri. Den optimale udnyttelse af solcellen vil være ved en ladespænding på 17,2 volt. 8

11 Jævnfør tabellen på side 6 vil det teoretiske break even for 1 solcelle være i... midten af marts og i slutningen af september. Tilsvarende vil break even for 2 parallelle solceller ligge i. slutningen af februar og i slutningen af oktober. Delkonklussion på Er målingerne på JW s20... realistiske? Solcelle JW s20 er målt og vejrvurderet til at kunne producere 48 W/døgn i slutningen af marts. Tilsvarende viser beregninger ud fra Actecs og El fra solen s tal, at JW s20 gennemsnitlig burde kunne producere 50 W/døgn. Det må konkluderes målingerne og beregningerne fra slutningen af marts 2010 stemmer godt overens med de teoretiske beregninger ud fra henholdsvis Actecs og El fra solens s tal. En solcelle baseret strømforsyning til BleuGiga AP 3201 med solcelle JW s20 vil således fungere med 20% margin fra slutningen af marts til slutningen af september. (midten af marts og begyndelsen af oktober uden 20 % magin) Solindfaldet i Danmark (Tåstrup) reduceres ikke liniært imod årets korteste dag, men derimod svagt eksponentielt. En solcelle baseret strømforsyning til BleuGiga AP 3201 med 2 stk. solcelle JW s20 eller en mono krystalinsk solcelle på 1/3 m2 vil fungerer (uden 20% magen) fra slutningen af februar til slutningen af oktober. Jævnfør El fra solen som det er vist på side 7 kan produktionen dog øges med 10% i vintermånederne hvis solcellen(erne) monteres med en hældning på 60 grader. Jeg synes at energiforsyningen til Bleutoothsenderne skal have en margin på mindst 10%. Monteres solcellerne med en hældning på 60 grader sikres at 2 stk. solceller JW s20 eller anden mono krystalinsk solcelle med et areal på 1/3 m2 kan opretholde strømforsyningen (med et lille back up batteri) til bleu tooth senderen Bleu giga AP 3201 fra slutningen af februar til slutningen af oktober. 9

12 Kombinationen solcelle og udskiftning af batterier Forslag til et kombinationsanlæg: 2 stk. solpaneler af typen JW s20 eller 1 stk. med dobbelt areal (1/3 m2) monteres på informations standerens tag med en hældning på 60 grader. 2 stk. Exide nautilus Freeline/marine12 volt/90 Ah C100)5 (pris 1000 kr/stk.) monteres i nedgravet vandtæt kasse. Udstyret startes op om sommeren. men omkring 1. november ophører produktionen fra solcellerne med at kunne dække forbruget. Beregninger side 3 viser, at 2 stk. fulde Exide nautilus Freeline/marine om vinteren har kapacitet til at opretholde driften i endnu 46 dage. Idet der stadig foregår opladning igennem de mørke måneder vil jeg antage at driften kan opretholdes til jul. Omkring jul i uge må de 2 stk. Exide nautilus Freeline/marine, som nu er næsten flade, udskiftes med 2 stk. fuldt opladede batterier. Batterierne som udskiftes i uge vil efter beregningerne kunne holde til næste jul (uge 50 51). Solcellerne vil nemlig i uge 7 8 begynder at producere tilstrækkeligt til at overtage energi forsyningen og opretholder den hen over sommeren. Batterierne oplades hen over sommeren og er fuldt opladede, når solcellerne slipper i slutningen af oktober, og hvor batterierne igen (næsten alene6) må opretholde forsyningen indtil batteriudskiftningen. Strømforsyningen til BleuGiga AP3201 kan etableres 24 timer i døgnet og 365 dage om året ved 2 stk. solceller JW s20 eller anden 1/3 m2 mono krystalinsk solceller(er) (i alt 40 Watt), 2 stk. batterier af typen Exide nautilus Freeline/marine (12 volt/90 Ah. C100) og én gang udskiftning af batterier i uge (Jeg overvejer desuden og undersøger om det er muligt ved en servicerunde at booste en stor strøm ind i batterierne (og hvor lang tid det vil tage) ved et besøg ved informationsstanderen. Et strømboost til batterierne kan måske erstatte en egentlig udskiftning af batterierne.) 4 stk. Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100 vil desuden uden batteriudskiftning kunne opretholde driften igennem hele vinteren til solceller(erne) igen tager over i slutningen af februar. Andre kombinationsmuligheder kan udregnes... med flere eller færre batteriudskiftninger og med flere eller færre solpaneler. 5 C20/C100 er et spørgsmål om ladestrømmens størrelse. C20 betyder at strømmen aflades på 20 timer. C100 betyder at afladningen foregår over 100 timer eller mere. Vi kan altså til vores brug tale om kapacitet på 90 Ah. 6 Næsten alene da solcellerne selv om de ikke kan producere tilstrækkeligt dog producere i de mørke måneder. 10

13 Konklusion Det kan således konkluderes, at solcelle JW s20 sammen med et passende batteri kan opretholde driften på Bleu toothsender AP3201 fra BleuGiga fra midten af marts til slutningen af september. Det viser sig i beregningerne side 8 9, at solindfaldet ikke falder liniært imod årets korteste dag men nærmere svagt eksponentielt. To solceller JW s20 eller en anden mono krystalinsk solcelle med et areal på 1/3 m2 vil derfor kun kunne opretholde driften fra slutningen af februar til slutningen af oktober altså i 8 måneder. Energiproduktionen for solceller i vintermånederne kan dog øges ved at vælge en hældning på solcellen, som retter sig imod den lavthængende sol. Energiproduktionen kan øges med 10% i vintermånederne i forhold til maksimal helårlig produktion ved at sætte hældningen til 60 grader. Skal driften af BleuGigasenderen AP 3201 således opretholdes igennem året skal... 1) Solcellen(erne) monteres med fronten direkte imod syd og med en hældning på 60 grader. 2) Batterierne skal have usædvanlig stor kapacitet eller udskiftes én eller to gange i løbet af vinteren. Vælges en løsning med én batteriudskiftning om året, kan batteriløsningen være 2 stk. Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100. som udskiftes hvert år ved juletid i uge stk. Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100 har en samlet kapacitet på 180 Ah og selv om der fratrækkes i kapaciteten ved evt. frost, vil der når vi regner med at solcellerne stadig leverer et bidrag være kapacitet til ca. 2 måneder. Der vil således være kapacitet fra at solceller(erne) mister tilstækkelig forsyningsevne i slutningen af oktober indtil jul. Nye batterier i uge vil opret holde driften af AP 3201 indtil slutningen af februar, hvor solcellerne igen overtager forsyningen. 4. stk Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100 vil tilsvarende når vi også medregner solcellernes vinterbidrag kunne opretholde driften helårligt. Der er således tre alternativer mht. størmforsyning af bleutooth senderen BleuGiga AP ) Vindmølle Rutland 913 med batteri backup med f.eks. 1 stk. Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100 (Batteriet kan med Rutland 913 også være væsentlig mindre) 2) Batteridrift med batteriudskiftning hvert 6 uge af de 2 Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100. 3) Kombination af solcelle og batteriskift ved brug af 2 stk. solceller JW s20 eller anden mono krystalinsk celle med et areal på 1/3 m2 samt 2 stk. batterier af typen Exide Nautilus Freeline/marine 90 Ah./C100 som udskiftes en gang i uge April 2010 Bjergtaget v/lars Steen Hansen 11