DANSK LYS: Fremtidens bæredygtige solcelledrevne LED systemdesign i øjenhøjde. 31. maj 2014

Transkript

1 DANSK LYS: Fremtidens bæredygtige solcelledrevne LED systemdesign i øjenhøjde. 31. maj 2014 Projektleder: DTU Fotonik, Peter Behrensdorff Poulsen Partnere: out-sider, AKJ Inventions, Morten Lyhne Design Periode: 1. januar december 2013 Overordnede formål Solceller i øjenhøjde er udsat for væsentligt forringede lysbetingelser i forhold til placering på tage. De voldsomme årstidsvariationer set fra solcellen giver nogle betydelige udfordringer i at lave solcellebaseret kvalitetslys til de mørke timer i vinterhalvåret stor afstand fra ækvator. For at udnytte de knappe energiressourcer optimalt, er det derfor nødvendigt at såvel optimere energiforbruget af enhederne som at optimere lysenergiens optiske vej fra himmellegemets lys rammer enheden til den opsamles af solcellen. Der er i projektet brugt en forskningsbaseret tilgang til enkeltkomponenterne i systemet for at optimere energisystemet på opsamlingssiden og brugerdrevne adfærdsregulerede forbrugsscenarier til optimal udnyttelse af den opsamlede solenergi. Solceller, batterier, og LED er en optimal kombination for at generere lys inden for denne ramme. De væsentlige udfordringer ligger i den elektriske sammensætning såvel hardware- som softwaremæssigt, den optiske del foran solcelle og LED samt ikke mindst udvikling af en velfungerende brugerinteraktionsplatform, således at fx bevægelsessensorik etc. understøtter et energioptimeret system. Der har hidtil endvidere ikke eksisteret skræddersyet simuleringsværktøjer til dimensionering af solcelleprodukter, hvor et specialværktøj med fokus på optimering i forhold til brug ved solcelledrevne LED produkter udvikles i projektet. Der har i projektet været sat fokus på emnerne: Udvikling af simuleringsværktøj til dimensionering af PV drevne LED produkter til byrummet. Udvikling af elektrisk hardware platform til styring af energihøst fra solpaneler, og intelligent forbrug på LED siden. Implementere sensorteknologi, således at en bevægelsessensor kan gøre systemet mere intelligent i forhold til disponering af energi når brugere er til stede. Realisering af softwareplatform i styringen, der gør det muligt at disponere den høstede solenergi optimalt gennem den mørke periode. Implementering af dataopsamling i hardwaren, så der kan opsamles data for energisystemet, der kan validere forudsigelserne via simuleringsværktøjet og fremhæve svage led i energikæden i fieldtest. Realisering af prototyper hvor såvel dimensioneringsværktøj som hardware testes af i reelle 0 serie produkter Realisering af Field-Lab på RISØ Campus, hvor produkterne kan stå under kontrollerede og solmæssigt velkarakteriserede forhold.

2 Det matematiske modelsystem bygget i projektperioden er en relativt grov MATLAB baseret model, der har følgende konceptuelle opbygning: Modellen bygger grundlæggende på identificering af det aktuelle brugssted og via GPS koordinater (location) kendes solens bane/position tidsopløst alle dage hen over året og dermed dag- og natlængder samt de geometriske indstrålingsvinkler af det direkte sollys. Der kan vælges at anvendes målte data eller eksternt indhentede vejrdata. Solpanelets orientering og skyggebetingelser beskrives i systemet, da disse principielt er de forhindringer solen, ud over skyerne og andet atmosfæreindhold, møder på sin vej mod solpanelerne. De resterende moduler i modelsystemet beskriver de forskellige komponenter i systemet: Solpanel, batteri og LED samt den elektriske styringsenhed. Hvert modul giver mulighed for at lægge databladsværdier eller målte data for de forskellige enheder ind. Den elektriske styringsenhed består grundlæggende af en konvertering mellem solpanel og batteri, samt konvertering

3 mellem batteri og LED og effektiviteterne her er vigtige at kende for at kunne dimensionere systemerne korrekt. Endvidere haves i nærværende projekt en energistrategi, der sikrer, at den opsamlede solenergi disponeres intelligent i den mørke periode. Modellen kan herved beregne den optimale energistrategi, hvilken så efterfølgende kan programmeres ind i produkterne. Elektronikken arbejder softwaremæssigt med at inddele energien i følgende perioder P1: kl (folk sover, mindst lys) P2. kl (fade ned mod solopgang, mange folk på gaden, meget lys) P3. kl (intet forbrug om dagen) P4: kl (fader op fra solnedgang, flest folk på gaden, meget lys) P5: kl (færre folk på gaden, mindre lys) Den opsamlede energi via solcellerne i løbet af dagen disponeres i disse perioder hen over natten og indlæses i softwaren i mikroprocessoren på elektronikenheden. Værdierne indlæses i værdier mellem svarende til 256 lysniveauer af LEDerne og dermed stort set lineært effektforbrug fra 0-X W, hvor X er maxeffekten af LEDerne i systemet ved den strømværdi systemet er sat til at køre ved. Der anvendes puls bredde modulation (PWM) i systemet til at styre LEDerne, da dette sikrer en stabil farvetemperatur heraf i de forskellige indstillinger. Værdierne opnås via det matematisk modelsystem, eller der kan kommes med kvalificerede gæt. Det elektriske system er udviklet på en sådan måde, at det justerer sig relativt i forhold til batteriets ladetilstand. Er energiforbruget derved større end forventet vil forbruget dæmpes, således at der ganges en dæmpningsfunktion på alle PWM værdierne og det samlede energiforbrug bliver mindre men der opretholdes stadig en prioriteret energifordeling i de forskellige mørke perioder.

4 Den udviklede elektronik er inddelt i en power-unit (til venstre) og en kontrollerunit (til højre). Power-uniten har til formål at konvertere mellem solpanel og batteri, samt fra batteri til LED mens hjernen i systemet, der disponerer energien, er placeret i controller enheden. Systemet er bragt til at fungere efter hensigten, men energihøst fra solceller med høj effektivitet i et stort dynamikområde (både høj og lav solindstråling) er en meget kompliceret udfordring, og er en større forskningsopgave at løse, da der ikke findes noget teknologi på markedet, der umiddelbart kan løse denne opgave effektivt nok. Derfor blev der som spin-off fra projektet realiseret et EUDP projekt - PV LED Engine - en ny generation intelligent soldreven LED belysning, som netop har til delformål at udvikle en højeffektiv konverteringsenhed med >90% effektivitet i hele dynamikområdet fra 50 W/m W/m 2 solindstråling på solpanelet. Dette er i særlig grad vigtigt for anvendelse af PV produkter i Danmark, hvor der i vintermånederne er meget lange perioder, hvor der kun kan høstes energi ved relativt lave indstrålingsforhold, så derfor er det vigtigt også at kunne indhente denne energi med høj effektivitet. Elektronikken har en udgang til PIR sensor, der ved aktivering kan sættes til at overstyre i forhold til det programmerede lysniveau. Det kan fx sættes til at gå på max lys eller stige med x% (dog aldrig over max). Systemet har endvidere implementeret et dataopsamlingsplatform, hvor relevante energidata kan lagres i mikroprocessorens hukommelse, og energidata for solpanel, LED og batteri kan hentes ud med mellemrum og analyseres, om produkterne levere op til det forventede. Der har i projektet været en række udfordringer med at få elektronikken og dermed produkterne til at fungere optimalt, og denne dataopsamlingsfunktion har vist sig meget nyttig også hertil. De i projektet realiserede værktøjer til simulering/dimensionering samt den elektriske platform er anvendt i nedenstående 0-serie produkter:

5 DOT, by out-sider - Design: Niels Grunnet Jello by out-sider - Design: NATiON + KSA DESIGN

6 Adelie by Morten Lyhne Design Produkterne er testet i fieldtests både hos kunder og på DTU RISØs PV FIELD LAB, hvor der kan etableres ekstern datalogning på produkterne og en mere præcis datalogning af energistrømmende kan findes. Billeder fra PV FIELD LAB kan ses nedenfor:

7

8 Projektet har ført til en række PV LED produkter og udvikling af en elektrisk styringsenhed hertil, ligesom rammerne for et matematisk modelsystem for dimensionering af solcelledrevene LED produkter til byrummet er lagt. Da den videnskabelige udfordring med at tilvejebringe et optimeret matematisk modelsystem til dimensioner af solcelledrevne LED produkter såvel som en meget energieffektiv energikonverteringsenhed mellem solceller og batteri er væsentligt større end, hvad dette projekt har kunnet rumme, er projektet blevet suppleret med et EUDP projekt - PV LED Engine - en ny generation intelligent soldreven LED belysning målrettet til dette formål. Det er projektgruppens klare opfattelse, at der er nedbrudt videnskabelige barrierer af afgørende karakter gennem dette projekt og med afslutningen af det supplerende EUDP projekt, vil et meget effektivt og skalerbart elektrisk styringssystem til solcelledrevne LED produkter unik i effektivitet af sin art på markedet være færdigudviklet og vil bane vejen for en pallette af produkter (nogen af dem nævnt i nærværende rapportering), der vil være funktionelle solcelledrevne lysprodukter, der også vil fungere tilfredsstillende på vores breddegrader, trods de svære klimatiske forhold for solceller i de mørke måneder.