De zonnevolger

Onderwerp: Licht, Optica (licht en lenzen) (havo), Signaalverwerking, Werktuigbouw

Jelle Miedema, Marcel Snijers en Giljaam van de Meulen RSG ‘t Slingerbos

Het idee van Jelle, Marcel en Giljaam is om een zonnevolger te ontwerpen en te bouwen. De bedoeling is dat deze zonnevolger energie levert d.m.v. zonnecellen die de stand van de zon volgen. Een zonnecel zal maximaal energie leveren als de zonnestralen loodrecht invallen. Dan zal de zonnecel namelijk de meeste "lichtstralen" opvangen (de flux is dan maximaal). Door op een zonnecel een stroom- en een spanningsmeter aan te sluiten en bij verschillende hoeken van lichtinval te meten, hebben de leerlingen dit bewezen. Het blijkt dat de hoek van inval maximaal 30° mag variëren, voordat het rendement van de zonnecel significant daalt.

De leerlingen hebben van te voren de volgende eisen aan hun ontwerp gesteld:

  • Nadat het systeem eenmaal in werking is gesteld, volgt het zonnepaneel de zon van zonsopgang tot zonsondergang zonder behulp van een mens.
  • Wanneer de zon ondergaat draait het zonnepaneel automatisch terug naar het punt waar de zon de volgende ochtend weer opkomt.
  • De hoek die de invallende lichtstralen met de normaal (van het vlak van het zonnepaneel) maakt is maximaal 30°.

De aandrijving van de zonnevolger gebeurt m.b.v. een elektromotor (die voorheen werd gebruikt om ruitenwissers van een auto aan te drijven). Op de aandrijfas van de motor is het zonnepaneel bevestigd. Het in dit onderzoek gebruikte zonnepaneel kan niet kantelen. Om toch rekening te houden met het verschil in zonnestand tijdens verschillende jaargetijden, wordt het paneel in een bepaalde stand gezet. Aangezien de zon door het hele jaar gemiddeld onder een hoek van ±20° invalt, wordt het zonnepaneel zodanig ingesteld dat het een hoek van ±70° met het aardoppervlak maakt. Aan beide zijkanten van het paneel zit een lichtsensor. Eén sensor (1) is aan het paneeloppervlak bevestigd, zodat het altijd licht vangt en dus een hoog signaal geeft (behalve ‘s nachts). De andere sensor (2) is "dieper" in het oppervlak gemonteerd, zodat het alleen licht vangt als de zon loodrecht invalt of binnen een afwijking van 30°. Wanneer sensor 1 en 2 allebei een hoog signaal geven, staat de motor stil, want dan kunnen de zonnecellen genoeg licht vangen. Wanneer sensor 1 een hoog signaal geeft en 2 een lage, dan draait de motor met de zon mee. ‘s Nachts vangen beide sensoren geen licht meer en zal de elektromotor de andere kant op draaien. De motor draait de andere kant uit wanneer de stroom ook de andere kant op loopt door de motor. Dit gebeurt door twee afzonderlijke stroomkringen door de elektromotor aan te leggen. Zodra de zonnevolger weer in de beginstand staat, draait een as dat gemonteerd is op de pilaar tegen een breekcontact aan, waardoor de stroomkring wordt verbroken. Hierdoor zal de zonnevolger stilstaan totdat de zon weer opkomt.

Het ontwerp van Jelle, Marcel en Giljaam heeft echter enkele tekortkomingen. Het zonnepaneel kan bijvoorbeeld niet kantelen, waardoor de rendement niet optimaal is. Ook wordt er geen rekening gehouden met de weersomstandigheden. Wanneer het erg bewolkt is zullen beide sensoren niet meer genoeg licht vangen en zal de zonnevolger naar zijn beginstand draaien. Dit kan opgelost worden door de stroomkring voor het terugdraaien na bv. 10 minuten pas aan te schakelen (m.b.v. een pulsenteller). Een andere oplossing is het gebruik van een referentie-sensor. Deze zorgt ervoor dat de drempelwaarde van de sensoren 1 en 2 aangepast wordt aan de hoeveelheid licht overdag.