Energie Matching

Sleutelconcept voor het ontwerpen van duurzame fotovoltaisch gevoede producten

Proefschrift van Sioe Yao Kan, 19 december 2006

Dit promotieonderzoek is uitgevoerd in het kader van het Syn-Energy programma dat onderdeel is van het duurzame energie stimulerings programma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). In dit proefschrift worden de condities vermeld waaronder een nieuw ontwikkeld Energy Matching Model en daarmee gerelateerd Figure of Matching algorithme kunnen worden toegepast bij het ontwerpen van fotovoltaisch (PV) gevoede producten. Beginpunt van dit onderzoek is de constatering dat er tegenwoordig reeds een groot aantal PV gevoede producten op de markt is. Echter, bij tal van deze producten is de keuze van de PV-cellen willekeurig en wordt PV-technologie vooral vaak toegevoegd om het product een groene uitstraling te geven. Door dit willekeurig toevoegen van PV cellen zijn deze technisch veelal niet optimaal afgestemd op de toepassing van deze producten en het gebruik door de consument. Het sleutelwoord is dus energie matching.

Dit proefschrift beperkt zich tot de energieketen in mobiele PV-gevoede producten. De volgende onderzoekvraag staat centraal: Welke systematische matching is te bereiken tussen de elementen in de energieketen van mobiele draadloze PV gevoede producten?

De nadruk ligt dus op het optimaal afstemmen van elementen in de energieketen. Om dit doel te bereiken is een Energie Matching Model van de keten ontwikkeld. De analyse in dit proefschrift beperkt zich tot de elementen: PV-cellen en energie- opslagmedia. Andere elementen, zoals de gebruikers context, worden als exogeen beschouwd en daarom slechts zijdelings genoemd. Om de afstemming tussen de elementen te analyseren en te kwantificeren zijn interfaces gedefinieerd: MI:1 tot en met MI:3. Tevens is een Figure of Matching algoritme ontwikkeld. Het getal als uitkomst van de Figure of Matching geeft aan welke mate van Matching is bereikt: hoe hoger hoe beter.

In hoofdstuk 2 wordt de energie-overdracht tussen inkomend licht en de PV-cel geanalyseerd. Hierbij is de spectrale Figure of Matching berekend. Het verband tussen de spectrale Figure of Matching en de meer bekende PV-conversie efficientie wordt verkregen door de introductie van een op vermogen gebaseerde spectrale respons SRPPV. Ook wordt de afstemming tussen PV-cel en de opslagmedia van elektrische energie worden in dit hoofstuk geoptimaliseerd.

In hoofdstuk 3 komen de elektrische opslagmedia aan de orde. Het betreft hier batterijen en condensatoren. De matching tussen deze energie-opslag-elementen en de andere twee elementen in de energieketen, namelijk de PV-cel en het gebruik van deze energie, is geanalyseerd. Doel van de analyse is om aan de inputzijde van het systeem een zodanige matching te bewerkstelligen dat zo veel mogelijk energie van de PV-cel in de opslagmedia terecht komt. Tevens wordt onderzocht hoe aan de outputzijde van het systeem een zodanige matching kan worden bereikt dat zo veel mogelijk van de opgeslagen energie voor het gebruik van het apparaat beschikbaar komt. De Figure of Matching kan worden bepaald door de ratio te berekenen tussen het oppervlak onder de uitstroomkromme van de PV-cel en dat van de instroomkromme van de batterij te correleren. Omdat bij mobiele/draadloze apparaten de vermogensvraag meestal gepulst komt, worden de Figure of Matching waarden hier berekend met de puls respons van batterijen. Dit kan bijvoorbeeld bij verschillende temperaturen zoals +20 °C en - 20 °C. Door twee tolerantiegrenzen te benoemen, resp. van 5% en 10%, kan men een gebied definieren waarbinnen deze batterij nog functioneert. De batterijspanning vertoont alleen voor de 5% tolerantie bij +20 °C nog een correlatie. De Figure of Matching is hierbij 50%. Bij - 20 °C is er geen correlatie met de 5% tolerantie, zodat de Figure of Matching nul is.

In hoofdstuk 4 wordt de energiebalans berekend door de beschikbare energie te vergelijken met de vraag. Hierbij worden simulaties met - het speciaal voor dit doel ontwikkelde computerprogramma - PowerQuest uitgevoerd en kan met de spectrale Figure of Matching het benodigde PV-vermogen worden berekend. Of, in de omgekeerde richting, als de energievraag bekend is, kan de benodigde PV-oppervlakte worden berekend.

In hoofdstuk 5 wordt een aantal demonstratievoorbeelden geanalyseerd met behulp van het Figure of Matching algorithme en kan als resultaat het Energie Matching Model worden verfijnd.

Tot slot wordt in hoofdstuk 6 een opsomming gegeven van de conclusies van het onderzoek en aanbevelingen voor verdere studie. De belangrijkste uitkomsten van dit proefschrift zijn een Energie Matching Model en een gerelateerd Figure of Matching algorithme die kunnen worden gebruikt voor analyse en ontwerpverbeteringen van de interfaces tussen de elementen van een PV-product alsmede ontwerpregels voor duurzame - op PV gebaseerde - productontwikkeling.