CONSOLE: Ontwikkeling van geconcentreerde zonne-energiesystemen voor commerciële toepassingen

Nederland streeft naar een verduurzaming van het energiesysteem. In 2020 moet 14% van onze energie duurzaam opgewekt zijn, waarbij de zon, naast wind, als belangrijkste duurzame energiebron gezien wordt.
Systemen voor geconcentreerde zonne-energie kunnen worden ingezet voor het opwekken van elektrische en/of thermische energie. Grootschalige systemen (multi-MW) met spiegels worden reeds toegepast in zonnevelden. Het HAN Lectoraat Duurzame Energie werkt al enige jaren aan innovatieve systemen met lenzen waarbij naast het concentreren van direct licht het overblijvende diffuse licht beschikbaar is voor verlichting van de onderliggende ruimte.
We willen de in eerdere projecten opgedane kennis en ervaring nu inzetten in een nieuw project, waarin we streven van prototype naar toepassing te komen. De bedrijven zijn benaderd over de nog openstaande vragen. Hieruit is een nieuwe onderzoeksvraag gevormd: Hoe kan voor systemen van geconcentreerde zonne-energie voor toepassingen in glastuinbouw en gebouwde omgevingen voor de productie van zowel elektriciteit als warmte, de energie-opbrengst verhoogd worden door een optimaler gebruik van de lichtinval en met een compacter en duurzamer systeem?
In dit project, CONSOLE (acroniem voor CONcentrated SOLar Energy), gaan we werken aan het optimaliseren van de bestaande systemen en het ontwerpen van verbeterde (hybride) systemen voor het opwekken van warmte en elektriciteit in kassen en gebouwde omgeving. We gebruiken hiervoor zowel modellering als meten en testen en komen vanuit een inventarisatie tot een pakket van eisen wat uiteindelijk tot verbeterde prototypes leidt die geschikt zijn voor commerciële toepassing. We doen dit vanuit een nauwe samenwerking met 12 MKB’s, een branche-organisatie en een Centre of Expertise. Daarnaast is er een directe koppeling met het onderwijs, door de betrokkenheid van docent-onderzoekers en studenten in semesterprojecten, stages en afstudeerprojecten.

Eindrapportage

Om in de toenemende vraag naar duurzame energie te kunnen voorzien zal ook in de gebouwde omgeving energie duurzaam opgewekt moeten worden. In dit project hebben we ons gericht op het ontwikkelen en verbeteren van systemen voor zonne-energie voor gebruik achter glas. Uitgangspunt was om met gebruik van lenzen het direct invallende zonlicht te focusseren op een kleine collector, terwijl het indirecte licht wordt doorgelaten naar de (woon)ruimte. Op deze wijze kan elektriciteit en/of warmte worden opgewekt, met als voordelen dat er minder airconditioning, zonwering en kunstlicht nodig is, terwijl zicht naar buiten behouden blijft. Eenzelfde technologie kan ook worden toegepast de glastuinbouw.
Binnen dit project is voornamelijk gewerkt aan een geconcentreerd zonne-stroom (CPV) systeem gebaseerd op een 30x30 cm2 lens met een hoog-efficiënte zonnecel van 1 cm2 en aan een geconcentreerd zonnewarmte (CSP) systeem gebaseerd op een 100x200 cm2 lens met een langwerpige warmtecollector. Daarnaast zijn een aantal kleinere innovatieve systemen ontwikkeld, doorgerekend en uitgewerkt voor specifieke commerciële toepassingen voor de gebouwde omgeving, ingaand op specifieke bedrijfsvragen. Dit heeft geleidt tot een aantal nieuwe initiële ontwerpen, eerste prototypen en haalbaarheidstudies.
Het CPV-ontwerp uit een eerdere studie is in meerdere stappen geoptimaliseerd op energieopwekking, transparantie voor diffuus licht, gewicht, beweegbaarheid, koelvermogen en veiligheid. Het systeem heeft een elektrische efficiëntie van rond de 20%, een potentiële warmte opwekkings-efficiëntie van 33% en heeft een transparantie van meer dan 70% voor diffuus licht. Er zijn twee paden voor opschaling onderzocht, waarbij meerdere individuele modulen gezamenlijk als één systeem worden aangestuurd. De matrix-configuratie voor gebouwde omgeving (meerdere modulen in een frame) is binnen het project werkzaam gemaakt en in operatie genomen. Voor de truss-constructie (voor glastuinbouw) is een nieuwe truss ontwikkeld die aanmerkelijk lichter is en minder licht onderschept, zonder in te leveren op stevigheid en stijfheid. Een trussopstelling met vier cpv-modules is operationeel gemaakt en proof-of-concept tests zijn gedaan. Een van onze afstudeerders heeft op basis van een herontwerp voor seriematige productie van onderdelen voor onze CPV-basismodule de eerste prijs van de CleanTech Battle 2019 gewonnen (https://vimeo.com/338030092/75099de29d). Ook zijn stappen richting commercialisatie van CPV-systemen in daklichten gemaakt DOOR te werken aan een esthetisch aantrekkelijker ontwerp. Hier zijn 3D-renders van gemaakt en is een techno-economische haalbaarheidsstudie uitgevoerd.
Middels de programmatuur ‘SolTraQ’ kan het CPV-systeem de zonnebaan gedurende de dag en veilig volgen. SolTraQ gebruikt de SolTrack code die op +- 0.003 graden nauwkeurig de zonpositie kan bepalen voor een willekeurige plaats op Aarde en willekeurige datum en tijdstip. Voorheen was de programmatuur open-loop, Nu is functionaliteit om te communiceren via arduino en DAQ systemen met sensoren voor closed-loop, en hybride feedback ontwikkeld en geïntegreerd. De code is ook ontwikkeld voor gebruik met raspberry pi en PLC. De code is open-source beschikbaar via Github.
Ons prototype voor concentrated solar power (CSP), de 'lineaire lens opstelling', is in dit project herontworpen en geoptimaliseerd, met name wat betreft bevestigingsframe, bewegingshardware, controller, meet- en regelsysteem. Het systeem volgt de hoogte van de zon door de lenzen te kantelen, en de azimut van de zon door gekoppelde buiscollectoren een schommelbeweging uit te laten voeren en heeft zo een veel kleinere installatieoppervlakte nodig dan vergelijkbare systemen. Er is een robuuste regeling voor het systeem ontwikkeld die het systeem continu in de juiste positie houdt. ’s Nachts is er een reset en het systeem wordt bij foutieve beweging afgeschakeld en teruggekeerd naar een neutrale stand. Met een meetsysteem kan op basis van vloeistofstroom, instraling, buitentemperatuur en vloeistoftemperatuur de opbrengst van het systeem nauwkeurig in situ worden bepaald. Er zijn tests met verschillende collectoren uitgevoerd, waarbij met name aandacht is besteedt aan de uitersten van wat mogelijk is: enerzijds een goedkope, laag efficiënte zwart geverfde aluminium buis; anderzijds een state-of-the-art vacuümbuis collector. De efficiëntie van de verschillende configuraties is ligt tussen de 10% en 40% resp., afhankelijk van de gewenste temperatuursverhoging. Met name bij hoge temperaturen zitten er veel voordelen aan het gebruik van de vacuümcollector.
Voor CSP is ook een simulatiepakket ontwikkeld in NX, waarmee op basis van vloeistofstroom en belichtingspatronen, de thermisch geïnduceerde mechanische stress in een warmtecollector kan worden bepaald. De simulaties zijn gevalideerd met labtests waarin onder invloed van belichting, buiging optrad in een van de collectoren. Het model behaalt een precisie van rond de 10% en leent zich daarom voor het optimaliseren van systeemconfiguraties.
Een groot aantal studenten is betrokken geweest bij de diverse ontwikkelingen en resultaten zijn op meerdere manieren gepresenteerd aan zowel een breed als gespecialiseerd publiek.