Zonnewarmte. Artikel zonnewarmte. Inhoud. Deel II

Transcriptie

1 Artikel zonnewarmte Inhoud Deel II Zonnewarmte Wat is zonnewarmte? Geschiedenis Zonnewarmtecollectoren en toepassingen Soorten zonnewarmtecollectoren Soorten zonnecollectoren voor het opwekken van elektriciteit Warmwaterproductie met zonnewarmte Bronvermelding

2 Wat is zonnewarmte? Zonnewarmte is zonne energie omgezet in bruikbare warmte energie. De straling die het aardoppervlak bereikt, bedraagt gemiddeld ongeveer 165 W/m 2 per dag (24 uur) (met significante verschillen, afhankelijk van de breedtegraad, de hoogte en het weer). Om deze energiebron te kunnen benutten, is de mens steeds beter naar zonnewarmte (warmte van zonnestraling) en fotovoltaïsche zonne energie (elektriciteit van de zon) gaan kijken. De totale hoeveelheid energie die op het aardoppervlak terechtkomt, is meer dan vijfduizend maal groter dan de energiebehoefte van de mensheid. Het potentieel is groter dan de hoeveelheid van alle andere hernieuwbare energie samen. Geschiedenis Al in de oudheid (800 v. Chr. 600 na Chr.) werd gebruikgemaakt van zonnewarmte, toen brandspiegels en holle spiegels gebruikt werden om lichtstralen te focusseren. In het oude Egypte, Mesopotamië en in vroege Zuid Amerikaanse beschavingen werd zonne energie op een passieve manier in gebouwen gebruikt. Deuren werden bijvoorbeeld zo geplaatst dat zij midden op de dag aan de schaduwkant lagen. In koude klimaten zijn ramen en deuren bij voorkeur gelegen aan de lijzijde van het huis, maar indien mogelijk wel in de richting van de middagzon. In de 18 e eeuw vond de wetenschapper Horace Bénédict de Saussure de voorloper van het hedendaagse zonnepaneel uit. Als gevolg van de eerste oliecrisis in het midden van de jaren zeventig van de vorige eeuw werden praktische toepassingen voor het gebruik van zonne energie ontwikkeld. In 1891 werd het eerste patent op een zonne energiesysteem in de wereld toegekend aan de metaalbewerker Clarence M. Kemp uit Baltimore. Het was een eenvoudige warmtecollector voor warm water. De Olympische toorts wordt traditiegetrouw aangestoken met brandspiegels. Zonnewarmtecollectoren en toepassingen Een collector is een instrument om zonne energie om te zetten in een beter bruikbare vorm van energie die ook beter opgeslagen kan worden. De energie in zonlicht is aanwezig in de vorm van elektromagnetische straling, van infrarood (lange golflengtes) tot ultraviolet (korte golflengtes). Het hangt af van de weersomstandigheden, de locatie en oriëntatie van het oppervlak hoeveel zonneenergie de aarde bereikt, maar gemiddeld is het ongeveer watt per vierkante meter onder een onbewolkte hemel, wanneer het oppervlak loodrecht op de richting van de zonnestralen staat. Een zonnewarmtecollector is een zonnecollector die gemaakt is om warmte te genereren door zonlicht te absorberen. Deze term wordt gebruikt voor warmwaterpanelen op zonne energie, maar ook voor ingewikkelder installaties zoals een parabolische zonnecollector, een zonnetrog en een zonnetoren of voor eenvoudiger installaties, zoals luchtverwarming op zonne energie. De ingewikkelder collectoren worden meestal gebruikt in zonne energiecentrales waar zonnewarmte wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken: de zonnewarmte wordt gebruikt om het water te verwarmen en de hierdoor opgewekte stoom drijft een turbine aan die verbonden is met een elektrische generator. De eenvoudiger collectoren worden meestal gebruikt als extra ruimteverwarming in woningen en de utiliteitsbouw. Soorten zonnewarmtecollectoren Zonnecollectoren kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: niet concentrerend en

3 concentrerend. Bij het niet concentrerende type is het collectoroppervlak (dit is het oppervlak dat de zonnestraling opvangt) gelijk aan het absorberend oppervlak (dit is het oppervlak dat de straling absorbeert). Bij deze typen wordt het licht door het hele zonnepaneel geabsorbeerd. Vlakkeplaatcollectoren en zonnecollectoren met vacuümbuizen worden gebruikt om warmte op te vangen voor verwarming of warmwaterproductie in huizen.

4 Vlakkeplaatcollectoren Vlakkeplaatzonnecollector voor het verwarmen van water op een plat dak. Bron: De in de jaren vijftig van de vorige eeuw ontwikkelde vlakkeplaatcollectoren zijn het meest gangbaar. Zij bestaan uit een donkere, vlakke plaat die zonne energie absorbeert, een doorzichtige bedekking die het mogelijk maakt dat de zonne energie door de plaat heen gaat waarbij het warmteverlies wordt gereduceerd, een warmtetransporterende vloeistof (lucht, antivries of water) die ervoor zorgt dat de warmte van de absorberende plaat wordt afgevoerd, en een warmte isolerende achterkant. De absorberende plaat bestaat uit een dunne laag (van thermisch stabiele polymeren, aluminium, staal of koper, waaraan een matzwarte of selectieve coating wordt toegevoegd) met op de achterkant een leidingenspiraal in een isolerende bak, afgedekt met glas of polycarbonaat. In zonnecollectoren waarbij water als transportmedium fungeert, circuleert de vloeistof meestal door buizen, zodat de warmte van de absorberende plaat naar een apart watervat wordt getransporteerd. Dit kan direct of met behulp van een warmtewisselaar gebeuren. De meeste apparaten met lucht als transportmedium en sommige met water als transportmedium zijn uitgerust met een warmtewisselaar die bestaat uit twee platen metaal waar de vloeistof tussendoor stroomt. Aangezien het oppervlak voor warmte uitwisseling groter is, is hun rendement soms iets hoger dan dat van traditionele apparaten. Er bestaan verschillende soorten warmtewisselaars: het traditionele harpmodel met stijgbuizen en een verzamelbuis aan de bovenkant. Dit model wordt gebruikt bij thermosifons en bij pompsystemen het serpentinemodel, een ononderbroken spiraal, waarbij de temperatuur weliswaar maximaal oploopt, maar de totale energieopbrengst achterblijft bij een variabele doorstroming. Dit model wordt gebruikt in compacte huishoudelijke warmwatersystemen op zonne energie (zonder ruimteverwarmingsfunctie)

5 warmtewisselaar die bestaat uit twee metalen platen dicht bij elkaar waardoor circulatie ontstaat. Aangezien het warmtewisselaaroppervlak groter is, is hun rendement soms iets hoger dan dat van traditionele absorbers. De meeste vlakkeplaatcollectoren gaan meer dan 25 jaar mee.

6 Collectoren met vacuümbuizen Bron: De meeste collectoren met vacuümbuizen maken gebruik van warmtebuizen in plaats van er direct vloeistof doorheen te laten stromen. Vacuümbuizen voor warmteproductie zijn van glas en bevatten ieder een absorberende plaat die vastzit aan een warmtebuis. De warmte van het warme uiteinde van de buizen wordt overgebracht op de transportvloeistof (water of een antivriesmengsel meestal propyleenglycol) van een huishoudelijk warmwater of een ruimteverwarmingssysteem met water in een warmtewisselaar die een "manifold" wordt genoemd. De manifold is geïsoleerd en afgedekt met een metalen plaat of een kunststof behuizing. Het vacuüm dat de buitenkant van de buis omringt, reduceert het warmteverlies als gevolg van straling en geleiding naar de buitenkant, waardoor een groter rendement wordt bereikt dan bij vlakkeplaatcollectoren, vooral onder koudere omstandigheden. Dit voordeel gaat grotendeels verloren in warmere klimaten, behalve wanneer erg warm water nodig is, bijvoorbeeld industrieel proceswater. Vanwege hoge temperaturen die kunnen ontstaan, is het soms nodig om speciale systemen te installeren om oververhitting te voorkomen of te beperken. Dubbelglas vacuümbuis Bron: Sommige vacuümbuizen (glas metaal) worden gemaakt van een laag glas die aan de bovenkant aan de warmtebuis wordt vastgesmolten en de warmtebuis en de absorber in het vacuüm omringt. Andere (glas glas) buizen worden gemaakt met een dubbele laag glas die aan een of beide kanten is vastgesmolten, met een vacuüm tussen beide lagen (zoals een vacuümfles of kolf), waarbij de absorberende plaat en de warmtebuis een normale atmosferische druk hebben. Dubbelglas buizen hebben een zeer betrouwbare vacuümafdichting, maar de twee glaslagen reduceren het licht dat de absorberende plaat bereikt. Ook bestaat er een mogelijkheid dat er vocht binnendringt in de ruimte van de buis die niet vacuüm is, waardoor corrosie ontstaat. Glas metaal buizen maken een grotere lichtinval op de absorberende plaat mogelijk en beschermen de absorberende plaat en de warmtebuis (in het vacuüm) tegen corrosie, zelfs als zij worden gemaakt van verschillende materialen (zie galvanische corrosie). De ruimtes tussen de buizen maken het mogelijk dat er sneeuw door de collector valt, waardoor het productieverlies bij sneeuw geminimaliseerd wordt, hoewel het feit dat de buizen geen warmte afgeven er ook toe kan leiden dat de sneeuw blijft liggen.

7 Hetelucht zonnecollectoren Heteluchtcollector zonder glas Bron: Hetelucht zonnecollectoren verwarmen de lucht direct en worden bijna altijd gebruikt voor ruimteverwarming. Zij worden ook toegepast voor voorverwarming van verse lucht in commerciële en industriële HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) systemen. Er bestaan twee soorten: met en zonder glas. Glassystemen hebben een transparante bovenkant en geïsoleerde zij en achterkanten om warmteverlies naar de omringende lucht te minimaliseren. De absorberende platen in moderne panelen kunnen een absorptievermogen hebben van meer dan 93%. Lucht passeert doorgaans aan de voor of achterkant van de absorberplaat en voert de warmte direct af. Verwarmde lucht kan vervolgens onmiddellijk gedistribueerd worden om ruimtes te verwarmen of om te drogen. Ook kan de verwarmde lucht opgeslagen worden voor later gebruik. Systemen zonder glas, ook wel transpired air systems genoemd, bestaan uit een absorberende plaat waar de passerende lucht de warmte afvoert. Deze systemen worden meestal in de utiliteitsbouw gebruikt om verse lucht voor te verwarmen. Deze technologieën behoren tot de efficiëntste, betrouwbaarste en zuinigste zonnetechnologieën. De kosten van heteluchtsystemen met glazen panelen kunnen (afhankelijk van de vloeistof die wordt vervangen) in minder dan 9 tot 15 jaar terugverdiend worden. Verschillende soorten zonnecollectoren voor het opwekken van elektriciteit De parabolische troggen, schotels en torens die in dit hoofdstuk worden beschreven, worden bijna uitsluitend gebruikt in energiecentrales op zonne energie, of voor onderzoeksdoeleinden. Parabolische trog Dit type collector wordt meestal gebruikt in zonneenergiecentrales. Een parabolische reflector in de vorm van een trog wordt gebruikt om het zonlicht te concentreren op een geïsoleerde, op het brandpunt geplaatste buis (Dewar tube) of warmtebuis met koelmiddel dat in de energiecentrale de warmte van de collectoren op de boiler overbrengt. Zonne energiecentrales in Californië, VS. Lees hier meer over dit project

8 Parabolische schotel Het is het krachtigste type collector dat via één of meer parabolische schotels zonlicht concentreert op één enkel brandpunt. De opstelling van de schotels lijkt op die van een telescoop die het licht van de sterren opvangt, of van een schotelantenne die radiogolven focusseert. Deze opstelling kan gebruikt worden in zonneovens en zonne energiecentrales. Bron:

9 Zonnetoren Een zonnetoren is een grote toren die omgeven wordt door zonnevolgende spiegels die heliostats genoemd worden. Deze spiegels volgen de zon en focusseren het zonlicht op de ontvanger bovenop de toren. De verzamelde warmte wordt naar beneden naar een energiecentrale overgebracht. Bron: juelich.de/en Lees meer in het artikel geconcentreerde zonne energiesystemen Warmwaterproductie met zonnewarmte Een op het dak bevestigde, gekoppelde thermosifon zonneboiler, Bron: Zonneboilers zijn telkens verbeterd op basis van nieuwe hernieuwbareenergietechnologieën die in de meeste landen reeds jaren algemeen geaccepteerd zijn. Deze systemen worden in Israël, Australië, Japan, Oostenrijk en China op grote schaal gebruikt. In een "gekoppeld" systeem is het voorraadvat horizontaal, direct boven de zonnecollectoren op het dak bevestigd. Er is geen pomp nodig, aangezien het warm water dankzij de thermosifon vanzelf de tank binnenstroomt. In een pompsysteem zit het voorraadvat aan de grond of de vloer vast, onder het niveau van de collectoren; een pomp zorgt ervoor dat het water of de warmtegeleidervloeistof tussen de tank en de collectoren stroomt. Deze systemen zijn ontworpen om bijna het hele jaar de gevraagde hoeveelheid warm water te leveren. Het kan echter zijn dat er in de winter onvoldoende zonnewarmte wordt opgevangen om genoeg warm water te leveren. In dat geval wordt het water vaak verwarmd met een hulpbron op gas of elektrisch.

10 Nieuwe installaties van zonneboilers in 2007, wereldwijd, Bron: Na 1960 nam het gebruik van met zonnewarmte geproduceerd warm water sterk toe. Zowel in Japan als in Australië kwamen systemen op de markt. Door technische vernieuwingen zijn de prestaties en het gebruiksgemak van deze systemen verbeterd, en is de levensduur verlengd. Vanwege de overmaat aan zonlicht in landen als Japan, Australië en Mediterrane landen is de installatie van systemen voor warmwaterproductie met zonnewarmte daar tegenwoordig de standaard. In 2005 was Spanje het eerste land ter wereld dat de installatie van een systeem om fotovoltaïsche elektriciteit op te wekken in nieuwe gebouwen verplicht stelde, en in 2006 het tweede land (na Israël) dat de installatie van zonneboilers verplicht stelde. Sinds 1997 kent Australië verschillende premies (op nationaal en staatsniveau) en wet en regelgeving (op staatsniveau) voor thermische zonne energie vastgelegd in de MRET (Mandatory Renewable Energy Target). Zonneboilers zijn populair geworden in China, waar basismodellen bestaan vanaf een prijs van yuan (190 Amerikaanse dollar). Deze prijzen liggen veel lager dan in Westerse landen (ongeveer 80% goedkoper voor een collector van een bepaalde grootte). Er wordt gezegd dat ten minste 30 miljoen Chinese huishoudens nu een zonneboiler bezitten en dat de populariteit te danken is aan efficiënte vacuümbuizen, die het mogelijk maken dat de verwarmers ook werken bij een bewolkte lucht en bij temperaturen onder het vriespunt. Israël en Cyprus zijn per hoofd van de bevolking koplopers in het gebruik van zonneboilers: meer dan 30 à 40% van de huishoudens maakt er gebruik van.

11 Bronvermelding juelich.de/en, a, usa%29.html