Voor deze opdracht zal er gebruik gemaakt worden van de PowerFilm Solar OEM Module zonnecel. Als LED-lampjes is gekozen voor de Flora RGB Smart NeoPixel v2, welke worden aangestuurd door de FLORA microcontroller van Adafruit, de gemma 2.
Er is voor deze componenten gekozen, omdat hier al eerder mee getest is binnen het TexEnergie project. Voor de flexibele zonnecellen bestaan er slechts vier merken. Op het Saxion is echter alleen maar de powerfilm voor handen. Daarnaast worden de producten van Adafruit in meerdere wearables gebruikt. De ervaringen met deze producten zijn tot op heden dan ook positief.
Het circuit
Volgens R. Zwikker, docent Mechatronica Saxion (persoonlijke communicatie, 7 juni 2017), moet er op het circuit een spanning van 6 volt (V) en een stroom van 0.5 ampère (A) komen te staan. Daarbij mag de weerstand van het circuit zelf maximaal 10% per meter zijn. Dit houdt in dat de weerstand over één meter maximaal 0.6 Ohm mag bedragen.
Zonnecel
Zoals eerder vermeld, wordt er gewerkt met de PowerFilm Solar OEM Module SP4.2-37. Deze zonnecel levert in het volle zonlicht 22 mA (0.022A) bij 4.2 volt. Het aantal ampère van deze zonnecel is echter wat aan de lage kant. Om het aantal ampère te verhogen, kunnen deze zonnecellen parallel geschakeld worden. De zonnecel heeft een afmeting van 37x84x0.2mm (Global Reach Internet Productions, 2017)1).
LED-lampjes
De Flora RGB Smart NeoPixel v2 dienen in deze opdracht als LED-lampjes. Deze LED-lampjes zijn speciaal ontworpen voor wearables (draagbare artikelen). Deze LED-lampjes kunnen in serie worden geschakeld. Tevens zijn ze middels een datadraad aan te sturen. Op de NeoPixel zijn drie LED-lampjes bevestigd. Deze zorgen samen voor een 24-bit kleurbereik.
De NeoPixels hebben een diameter van 12.5 mm en zijn 2.5 mm hoog. Ze werken het beste tussen de 5 volt en de 9 volt gelijkstroom. Het is ook mogelijk om de NeoPixel op 3,5 volt te laten werken. Het nadeel hiervan is dat ze dan gedimd zijn. Ook hebben de NeoPixels een constante stroom nodig van 18.5 mA per lampje. Het maximale aantal ampère is ongeveer 55 mA per NeoPixel (Adafruit Industries, 2017)Adafruit Industries. (2017). Flora RGB Smart NeoPixel version 2 – Pack of 4 ID: 1260 – $7.95 : Adafruit Industries, Unique & fun DIY electronics and kits. Adafruit.com. Retrieved 30 October 2017, from https://www.adafruit.com/product/1260.
Uit deze bron blijkt dat de LED-lampjes gewassen kunnen worden. Hierbij is het beter om een handwas te doen, omdat de fysieke belasting in de wasmachine ervoor kan zorgen dat het circuit onderbroken kan worden. Verder moet voor het wassen de batterij worden verwijderd en moet het geheel compleet opgedroogd zijn voordat de batterij weer aangesloten kan worden. Bij voorkeur wordt het opgehangen of plat neergelegd (Stern, 2017)2).
Microcontroller
Als microcontroller is gekozen voor de Adafruit Gemma V2. De Gemma is een microcontroller die op Arduino is gebaseerd. Deze microcontroller heeft minimaal 2.3 volt nodig (tot maximaal 16 volt). Daarbij verbruikt de Gemma 9 mA. Ook heeft deze microcontroller een flashgeheugen van 8KB. De instructies, welke dienen als aansturing voor de LED-lampjes, kunnen naar dit geheugen worden toegestuurd (Adafruit Industries, 2017)6).
Batterijen
Er is bij dit project gekozen om gebruik te maken van de Prologium. Dit is een flexibele batterij met een capaciteit van 235 mAh per cel. De batterij levert een spanning van 3.75 V. De laadspanning van deze flexibele batterij is maximaal 4.25 V. Volgens R. Zwikker (persoonlijke communicatie, 7 juni 2017) is het voor de levensduur van de batterij het beste om deze op te laden met een nominale laadstroom van 0.2 C (met een maximale laadstroom van 0.5 C). C staat in dit geval voor de capaciteit van de batterij, waarbij 0.5 C een half keer de capaciteit van de batterij is. Om de laad- en ontlaadstroom niet te overschrijden, is het mogelijk om meerdere accu’s parallel te schakelen.
In overleg met Carlos Kuhlmann, medewerker van het lectoraat en leidinggevende in het onderzoek naar batterijen binnen TexEnergie (persoonlijke communicatie, mei 2017), is echter naar voren gekomen dat de betrouwbaarheid van de flexibele batterijen te wensen over laat. Het is namelijk zo dat een batterijcel dun is, maar dat deze na verloop van tijd op gaat bollen. Het is niet duidelijk wat de invloed is op de flexibiliteit en de werkzaamheid van de batterij. Een belangrijke vraag hierbij is of de batterijcel nog in staat is om te leveren wat er aangegeven is. Daarbij speelde ook nog eens de vraag over hoe het dan zit met de brandveiligheid: Is er een kans dat zo’n opgebolde cel spontaan ontbrandt? Er vinden binnen TexEnergie nog verschillende onderzoeken plaats naar deze batterijen. Op dit moment zijn de betrouwbaarheid en veiligheid nog niet te garanderen.
Naast de flexibele batterij bestaat de mogelijkheid om gebruik te maken van een oplaadbare knoopcel batterij of een Li-ion accu. Voor dit project is er uiteindelijk gekozen voor een Li-ion accu. Binnen het TexEnergie project zijn er al meerdere toepassingen vervaardigd met behulp van deze accu. Deze accu heeft een acceptabele hoeveelheid ampère, namelijke 2000 mAh. Tevens werkt deze accu op een spanning van 3.7 volt. De standaard ontlaadstroom is 0.2C (met een maximum van 0.5C). Hierdoor kan deze accu de benodigde hoeveelheid van een 0.5 A leveren (Kingkong, 2017)8).
Doordat deze accu werkt op een voltage van 3.7 volt en het circuit werkt op 6 volt moet er nog een extra stap gezet worden. Om het voltage op 6 volt te krijgen, wordt er gebruik gemaakt van een step-up/down regulator .
Solar lithium ion/polymer charger
Om de accu te kunnen opladen, is er een charger nodig. Er is gekozen voor de charger van Adafruit. Er is voor deze charger gekozen omdat er, binnen eerdere TexEnergie projecten, succesvolle resultaten hiermee zijn bereikt.
Deze charger heeft een invoerspanning nodig van 6 volt. De hoeveelheid ampère is afgeschermd op 0.5. De zonnecellen moeten in serie worden geschakeld om het gewenste voltage te bereiken. Echter is dit voltage dan te hoog. Derhalve moet er sowieso gebruik gemaakt gaan worden van een step-up/down regulator (Adafruit Industries, 2017)11).