Beginners Handleiding Voor Zonnecollector Installatie Waarom leren over zonnecollector installatie? Het antwoord is omdat het je energierekening kan beperken gedurende de hete zomermaanden. INHOUD 1. Introductie 2. Hoofdonderdelen voor een zonnecollector systeem voor heet water productie 3. Verschillende type heetwater zonnecollectoren Vlak paneel (Flat Plate) collectoren Vacuüm pijp collectoren 4. Opslagtank en warmtewisselaar 5. Conclusie 1
1. INTRODUCTIE De zon is de grootste energiebron voor de aarde. Licht, infrarood, ultraviolet en andere straling van de ster worden constant naar de aarde uitgestraald. Over het algemeen noemt men deze straling zonne-energie. Deze energie gebruiken maar in heel kleine mate. In slechts één week geeft de zon de aarde al meer energie dan we met al onze aardse energiebronnen samen over kunnen beschikken. In Nederland hebben we niet het meest geschikte klimaat voor zonne-energie, maar met gemiddeld 1550 zonuren per jaar is het zeker wel een heel bruikbare optie. De kuststreken doen het wat beter en de oostelijke provincies wat slechter. Het gebruik van deze zonne-energie is geheel gratis en belast niet het milieu. 2
2. HOOFDONDERDELEN VOOR EEN ZONNECOLLECTOR SYSTEEM VOOR HEET WATER PRODUCTIE. Het zonnewarmte systeem voor heet water bestaat uit de volgende componenten: zonnecollector, pomp of pompstation, heet water reservoir / opslagtank, warmtewisselaar, pijpsysteem en controle mechanisme. Additioneel kunnen kranen, douches en badkranen worden aangesloten. En kunnen, mits hiervoor geschikt door voorziening van een heet water inlaat, zelfs was- en afwasmachines op het systeem worden aangesloten. In het zomerseizoen kunnen deze systemen 100% van de heet water voorziening voor hun rekening nemen. De controlesystemen zorgen er voor dat de installatie in de winter tegen bevriezing en in de zomer tegen oververhitting is beschermd. Het aantal zonnecollectoren en het formaat van de opslagtank hangen af van de hoeveelheid en capaciteit die benodigd is. Alle overige onderdelen van het systeem worden aan de hand hiervan berekend en ontworpen en zorgen zo voor een veilig, duurzaam en betrouwbaar systeem. De zonnecollector is de motor van het heet water productie systeem! Zonnecollectors worden gebruikt voor eengezinswoningen gedurende het hele jaar. Ze nemen 94% op van de zonnestralen en brengen deze warmte, met een minimum aan thermische verliezen, over naar een vloeistof. Een aantal voordelen zijn: Buitengewoon bestendig tegen natuurrampen en atmosferische condities. Al na slechts 2 minuten blootstelling aan de zonnestraling leveren ze warmte. Lichtgewicht en solide constructie. Lage kosten en gemakkelijk op het bestaande watersysteem aan te sluiten. Functioneren, weliswaar met mindere prestaties, ook op indirect zonlicht, bewolkte of mistige dagen. 3
De zonnecollector moet op een geschikte plaats worden geïnstalleerd. Daar zal de warmte worden opgenomen en vandaar door pijpen worden getransporteerd naar de opslagtank. Vanaf de opslagtank gaat warm water naar alle tappunten. Een vereiste is dat de heet water opslagtank een warmtewisselaar bevat. Omdat de meeste zonnecollectoren niet zelf het hete water genereren maar een transportvloeistof verhitten (Propyleen - glycol, een soort antivries), welke naar de warmtewisselaar wordt rondgepompt. Daar zal de warmte worden afgegeven aan het water en de afgekoelde vloeistof worden teruggepompt naar de zonnecollector en opnieuw worden verwarmd. Het is een volautomatisch gesloten systeem. Als de heet water opslagtank boven de zonnecollector is geplaatst, zal de transportvloeistof automatisch naar de opslagtank stijgen. Deze techniek noemt men ook wel het thermo-syphon principe. Net als bij een koffiezetapparaat, waar ook geen pomp in aanwezig is, zal de warmte het water automatisch voort stuwen. Als de tank zich onder de zonnecollector bevindt, zal de vloeistof door het circuit worden rondgepompt. Dit noemt men ook wel het geforceerde circulatie principe. 4
3. TYPEN ZONNECOLLECTOREN Zonnecollectoren bestaan uit twee verschillende typen: Vlakke plaat en vacuüm buis. PLATTE COLLECTOREN De platte collector is een dikke plaat van ongeveer 5-10 centimeter, bestaande uit vier hoekprofielen van koper of aluminium, een achterplaat van mat zwart hitte absorberend materiaal en een ontspiegelde glasplaat. Op of in de mat zwarte achterwand loopt een leidingstelsel waardoor de hitte transportvloeistof loopt. Meestal een mengsel van water met glycol, een antivries vloeistof. Deze collectoren op het dak zijn lastig te onderhouden vocht, regen en sneeuw kunnen ze beschadigen. Dit is waarom ze zeer goed moeten worden afgesloten tegen de weersinvloeden. Paneelventilatie moet voorkomen dat er condensatie kan vormen. De achter- en zijwanden moeten thermisch goed worden geïsoleerd. De levensduur van deze panelen is 15 tot 25 jaar, afhankelijk van de situatie en het onderhoud. (Voornamelijk de afdichtingen goed onderhouden en de ruiten schoon houden om mos, condens en schimmelvorming tegen te gaan). In de meeste gevallen is een installatie van 3 collectoren voldoende voor een eengezinswoning. Als één collector defect raakt, werken de andere gewoon door. De vlakke panelen worden in verschillende maten gefabriceerd; kleine collectoren van 2 m2 oppervlakte of grote collectoren tot een formaat van 8 m2 oppervlakte zijn beschikbaar. 5
- Vlakke collectoren met een zwarte geoxideerde warmte absorptie coating Deze worden gebruikt in seizoensystemen, omdat ze onvoldoende prestaties leveren voor gebruik gedurende het gehele jaar. Dit zijn de goedkoopste systemen. - Vlakke collectoren met selectieve warmte absorptie coating Deze worden gebruikt voor gebruik het hele jaar door. Ze hebben een groter thermisch verlies dan vacuüm buis collectoren, hebben minder rendement maar compenseren dat met een groter actief oppervlak. Het zijn de meest wijdverspreide zonnecollectoren vanwege hun zeer gunstige prijs / prestatie verhouding. VACUÜM-BUIS ZONNE COLLECTOREN Deze collectoren zijn veel effectiever dan de platte plaat ontwerpen. Ze zijn zo effectief, dat ze naast de heet water voorziening ook kunnen worden gebruikt voor verwarming of kunnen bijdragen aan de verwarming van ruimten. De functie: 1) De zonnestraling schijnt door de buitenwand van een dubbelwandig glazen buis, en geeft zijn stralingsenergie af aan de dubbele wand, die voorzien is van een speciale zonnestraling absorberende coating. De ruimte tussen de twee wanden is vacuüm en voorzien van een speciaal isolerend inert gas. De binnenste glazen buis wordt erg heet en in deze binnenste glazen buis bevind zich de heat pipe of in het Nederlands vertaald de hittepijp. In sommige varianten is ook de binnenste glazen buis transparant, en is de hittepijp van metalen vinnen voorzien die een zonnestraling absorberende coating bevatten. Het resultaat is in beide gevallen hetzelfde; de hittepijp zal erg heet worden. Het rendement van laatst genoemde constructie ligt net ietsjes hoger. 2) De hittepijp zelf is gedeeltelijk met een vloeibaar gas gevuld. De opgenomen warmte verhit het vloeibare gas dat verdampt, waarop het gas de hitte naar boven transporteert en afgeeft aan de warmte terminal; een massief metalen aansluiting aan het einde van de pijp, de condensator genoemd. Het gas condenseert en vloeit weer terug naar de bodem van de pijp waarna het proces zich oneindig herhaald. De terminal (Condensator) is erg heet en is het punt waar de hele buis zijn ontvangen energie over draagt aan de rest van het systeem. 6
3) Alle zogenoemde hittepijpen zijn aan de kant van de condensator verbonden met een thermisch geïsoleerde metalen rail, de zgn. manifold. Door deze metaal op metaal verbinding, wordt de warmte van de condensator op de rail overgedragen. Door deze rail stroomt de hitte transportvloeistof van de collector naar de opslagtank, door de warmtewisselaar en weer terug. 4) Als het u allemaal nog duidelijk is hoe de functie van dit systeem is, begrijpt u waarom dit systeem maarliefst 30% meer efficiënt is dan het standaard vlakke paneel. Het hele ontwerp staat in het teken van maximaal rendement en duurzaamheid met minimaal onderhoud. Het heeft een minimum aan bewegende onderdelen, gebruikt daarom dus ook minimaal elektrische energie en is storingsongevoelig. Als er onverhoopt een hittepijp defect raakt, of zelfs mist, zijn er nog voldoende warmtepijpen over om niet te veel rendement in te hoeven leveren. Vervanging van de defecte pijp is eenvoudig en snel te realiseren. De voordelen zijn: - De relatief lage kosten, - Zijn hoge opbrengst van warmte. - Voortreffelijke selectieve coating gecombineerd met hoog behoud van warmte door het vacuüm. - Opstart is heel snel, zelfs tijdens bewolkt weer. - Kan functioneren bij lage buiten temperaturen, zelfs onder nul. - Bij 24 C zonnig weer is het al mogelijk transportvloeistof temperaturen te genereren van meer dan 100 C. Indien vorst in aantocht is, dient het vervangen wel te geschieden voor de vorst begint. De condensator kan eenvoudig een temperatuur van 250 C of hoger bereiken. Om oververhitting van het systeem te voorkomen, een klusje voor een sombere / bewolkte dag. Het vervangen van de pijp zelf is een paar minuten werk. 7
Er zijn verschillende typen vacuüm collectoren: Een hittepijp bestaande uit een thermische, transparant glazen buis met daarin een speciale vloeistof in een metalen pijp in het centrum van de glazen buis. Om deze metalen pijp zit een tweede glazen buis. De ruimte tussen twee glazen buizen is een vacuüm. De speciale vloeistof in de metalen pijp wordt door de zon verhit en kookt in het onderste gedeelte van de pijp en wordt weer afgekoeld in het bovenste gedeelte van de pijp, een condensator genoemd. Op deze manier transporteert de speciale vloeistof in de pijp, zijn warmte naar de warmte transportvloeistof in het systeem. De U-pijp, bestaat uit een U-vormige koperen pijpje dat (meestal) door de binnenste, niet vacuüm glazen pijp loopt. In dat opzicht dus hetzelfde als de hittepijp. De bovengenoemde systemen noemt men dus vacuüm pijp zonnecollectoren. De warmte opnemer zelf bevind zich niet in een vacuüm. Het vacuüm betreft alleen de ruimte tussen de twee glazen buizen. Bij het eerste type U-pijp vacuüm zonnecollector, zeg maar de initiële uitvinding, bevind de U-pijp hitte opnemer zich wel degelijk in het vacuüm van de pijp. Dit is de duurste van de drie hittepijp varianten, maar ook de variant met het grootste rendement. De U-pijp varianten zijn beide van het zgn. direct-flow (Direct stroom) principe waarbij de hitte transportvloeistof direct door de hittepijp heen stroomt ipv. alleen door de eerder genoemde rail. 8
DUBBELWANDIGE VACUÜM BUIS MANIER VAN WERKING: Elke vacuüm buis bestaat uit twee glazen buizen van buitengewoon robuust boorsilicaatglas. De buitenste buis is transparant en laat de zonnestraling vrij door met een minimum aan reflectie. De binnenste glazen buis is bedekt met een speciale selectieve coating met een extreem hoog zonnestraling absorptievermogen tegen minimale uitstraling verliezen. De buizen zijn aan het begin en einde met elkaar versmolten. De ruimte tussen de twee buizen is vacuüm gepompt waardoor men hogere temperatuur prestaties kan bereiken door de zonnestraling. Om het vacuüm tussen de twee glaslagen te behouden gebruikt men barium (Dezelfde stof die men in Tv-beeldbuizen gebruikt). Tijdens het productieproces van de vacuüm buizen worden deze blootgesteld aan zeer hoge temperaturen. Deze laag absorbeert actief alle CO, CO 2, N 2, O 2, H 2 O en H 2 moleculen in de buis gedurende de opslag en hun gebruik. De barium laag blijft een visuele indicator voor het behoud of verlies van het vacuüm. Als de buis niet meer vacuüm is, dan kleurt door oxidatie het barium wit en de gehele buis heeft dan een wit-achtige kleur. Zo is dus eenvoudig vast te stellen of de buis in goede conditie is of niet. De interne laag in de buis is behandeld met een selectieve optische coating die de zonne-energie absorbeert en een minimale lichtreflectie heeft. Alle lucht is uit de ruimte gepompt tussen de twee glaslagen en het thermos effect treedt op en, net als bij een thermosfles, voorkomt dat warmte door de lucht kan worden overgedragen. De thermische verliezen worden verder gereduceerd door de lage warmte-uitstraling eigenschappen van dit speciale type glas. De vacuümbuizen zijn parallel aan de montagehoek geïnstalleerd, welke afhankelijk is van de geografische breedtegraad van uw locatie. In het noordelijk halfrond is de oriëntatie naar het zuiden en kan de buis de hele dag passief warmte van de zon absorberen. 9
Voordelen van vacuüm buizen in vergelijking met vlakke panelen. Geen pomp, pijpmateriaal en andere additionele apparatuur benodigd om de collector te laten functioneren. Vol jaar gebruik zelfs in de winter, mits voldoende zonlicht aanwezig is. De vacuüm buizen hebben een levensduur van minimaal 20 jaar. Het systeem werkt zonder opgevoerde druk en is absoluut veilig. Het absorberende oppervlak absorbeert ongeveer 93-94% zonnestraling. Dit systemen met deze technologie blijven functioneren, zelfs als individuele pijpen gebroken zijn. In het geval van de U-pijp technologie, moet deze pijp wel aangesloten blijven om het systeem te laten functioneren met een gebroken pijp. De kosten om de zonnecollector op het bestaande watersysteem aan te sluiten zijn minimaal. Het ontwerp maakt ze relatief wind ongevoelig. Het systeem houdt geen of nagenoeg geen sneeuw en stof vast. De installatie in buitengewoon eenvoudig. De buizen werken zeer efficiënt, zelfs als de plaatsing t.o.v. de zon niet optimaal is. Dit is te danken aan de cilindrische vorm van de buizen. In de winter zijn ze maarliefst tot twee maal zo efficiënt in vergelijking met vlak paneel collectoren. 10
4. TANK - WARMTEWISSELAAR Om goede prestaties te garanderen van het heet tapwater systeem, is het noodzakelijk dat de opslagtank zich boven de collector bevindt. Als er geen bruikbaar hoogteverschil is tussen de collector en de tank, zal er gedurende nacht warmte verlies optreden in de tank. Dit komt door het fenomeen backflow genoemd. Dat wil zeggen dat de transportvloeistof in tegengestelde richting gaat stromen dan tijdens normaal functioneren het geval is. De hete vloeistof stroomt richting de collector waar het zal worden afgekoeld door de omgevingstemperatuur. Er zijn regelaars, pompen en kleppen in de handel beschikbaar om dit gedrag tegen te gaan. Handig als je de tank niet op het dak kan / wil plaatsten maar een etage lager. De opslagtank voor heet water is zo ontworpen dat deze opereert onder normale druk. Dit maakt de tank veilig tijdens het gebruik. Een ander belangrijk aspect is in het ontwerp is de anticorrosie bescherming. Het belangrijk te weten dat de het water in de tank temperaturen kan bereiken van 90 C - 95 C en dat is waarom de interne en externe wanden van de opslagtank zijn gemaakt van een dunne laag roestvrij staal. Heet water opslagtanks moeten voorzien zijn van een 50-65mm dikke isolatielaag van bijvoorbeeld Polyurethaanschuim. 11
5. CONCLUSIE De zonnecollectoren werken voor mensen door ze geld te besparen! Bijvoorbeeld: Een familie van 4 personen heeft een 6 m 2 oppervlak zonnecollector nodig en een opslagtank van 400 liter. Percentage zon verwarmd water van de totale hoeveelheid benodigd heet water is maarliefst 74,6%. Als het hete water voorheen verhit werd door elektriciteit, dan is dat een besparing van 3556.8 kwh. Dat is een reductie van 2368,84 Kg CO 2 uitstoot per jaar. De zonnecollectoren hebben een minimale levensduur van 25 jaar en het is daarmee eenvoudig uit te rekenen hoeveel energie en geld met de installatie zal worden bespaard. Oké, dat is het weer voor deze leermodule. Wat kun je nu doen? Neem eens een (voorzichtig) kijkje op je dak om te zien of het geschikt is voor het plaatsten van een zonnecollector. Hoe groot is het? Is het dak richting het zuiden? Als het dak niet geschikt is, dan is wellicht het dak van uw schuur of een stuk van de tuin wel geschikt hiervoor. 12
Other learning units you might like to study: A Beginner s Guide to Energy and Power A Beginner s Guide to Using Solar Energy in your own home A Beginner s Guide to Renewable Energy Author details Contact details: This information was presented as part of the Senior Engagement in a Green Economy Project (SEE-GREEN) funded by Lifelong Learning Programme (Gruntdvig) through the European Commission. The project time line is November 2011 to 2012. For more information and to take part in our online community visit: http://www.see-green.eu/seegreensite/en/ 13