Zonnecollectoren

Bij thermische zonne-energie wordt de warmte van de zon door straling en geleiding opgenomen door in een collector. Het opgewarmde medium, veelal water, kan dienen als warmtebron voor bijvoorbeeld verwarming van zwembaden of sanitair water bij huishoudens. Meestal is een zonneboiler gekoppeld aan een combiketel. De zonneboiler verwarmt het water voor en de combiketel (gas, elektriciteit, …) zorgt voor de uiteindelijke gewenste temperatuur.

Zonneboilers worden veel toegepast bij particulieren, maar ze worden steeds vaker toegepast in collectieve watersystemen zoals bijvoorbeeld voor ziekenhuizen, scholen en sportaccommodaties. Daarnaast zijn zonneboilers ideaal als bijverwarming voor zwembaden.

Zonneboilers bestaand standaard uit de volgende onderdelen:
·         de collector
·         het circuit
·         het opslagvat
·         de regeling

Werking zonneboiler

De collector
De collector is het belangrijkste onderdeel van de zonneboiler. Hij vangt het zonlicht op, zet het licht om in warmte en geeft deze warmte af aan langsstromend water. Ze bestaat uit een glazen afdeklaag, een absorber en isolatie-materiaal. De absorber is het belangrijkste onderdeel van de collector. De absorber bestaat uit een of meerdere platen metaal, die onder invloed van het zonlicht opgewarmd worden. Door de platen lopen buizen waar water doorheen kan stromen. Het water voert een deel van de warmte af naar het opslagvat. Een deel van de warmte gaat verloren doordat de absorber warmte verliest aan de omgeving. Hoe minder energie verloren gaat, hoe beter de collector is. Om het energieverlies door geleiding naar de omgeving tegen te gaan wordt aan de achterkant en de zijkanten van de absorber een laag isolatiemateriaal van enkele centimeters aangebracht. Aan de voorkant verliest de absorber warmte aan langsstromende lucht (convectie), hoe kouder de buitenlucht hoe groter het verlies. Om dit verlies tegen te gaan wordt een glasplaat als afdekkingsmateriaal gebruikt.

Naast de vlakkeplaatzonnecollectoren bestaan ook de zogenaamde heatpipes. Dit zijn naast elkaar geplaatste, vacuümgezogen glazen buizen. Hierin bevindt zich een absorber vast verbonden met een zogenaamde heatpipe. Dat is een gesloten buis die gevuld is met één enkele stof. Onderaan is deze stof vloeibaar, bovenaan gasvormig. De vloeistof verdampt onder invloed van de zon. De damp verspreidt zich over de buis en condenseert bovenaan waar de buis in contact is met een tweede gesloten circuit waarin de koude vloeistof circuleert.
Daar geeft de condenserende damp zijn warmte af aan de koelvloeistof. De opgewarmde koelvloeistof gaat dan naar de warmtewisselaar in het voorraadvat en zo terug naar de heatpipe. In de heatpipe stroomt het condensaat naar beneden en de cyclus begint opnieuw.

Het opslagvat
Het vermogen van de collector waarmee het water wordt verwarmd is onvoldoende om onmiddellijk warm water te produceren, daarom is het systeem voorzien van een opslagvat. Het opslagvat is een waterreservoir met een inhoud van enkele honderden liter. Het wordt gemaakt van koper, roestvast staal of geëmailleerd staal. Het opslagvat vormt een waterbuffer tussen het langzaam opslaan van zonnewarmte en het snel onttrekken tijdens het tappen. Daarnaast zorgt de warmtebuffer voor een overbrugging van zonloze uren. Het water uit het collectorcircuit is gescheiden van het water uit het opslagvat. Warmte-overdracht vindt plaats via een warmtewisselaar. Hiermee is de kwaliteit van het tapwater gewaarborgd. Het warmste water zit altijd boven in het voorraadvat. Boven in het voorraadvat zit ook de afnameleiding, zo kan altijd de hoogste temperatuur water gebruikt worden.

Het collectorcircuit
Het collectorcircuit bestaat uit: de collector, de warmtewisselaar, het opslagvat en de verbindende leidingen. In dit circuit wordt water met behulp van een pompje rondgepompt.

Het regelsysteem
De zonneboiler is uitgerust met een regelsysteem. De regeling meet voortdurend 2 temperaturen, die in het opslagvat en aan de top van de absorberplaat. Als de temperatuur van de collector hoger is dan die van het vat, kan de collector warmte leveren en slaat de circulatie-pomp aan. Als de collectortemperatuur lager is dan die van het opslagvat dan slaat de pomp af. De collector loopt nu leeg. Hierdoor wordt voorkomen dat warmte uit het opslagvat afgegeven wordt aan het water in het collectorcircuit. Tevens is hierdoor geen water in de collector aanwezig als er kans is op bevriezing. Daarnaast is een beveiliging voor oververhitting ingebouwd.

Oriëntatie en hellingshoek van de zonnecollectoren
Een zonnecollector werkt voor ongeveer 40 % op direct zonlicht en voor 60 % op diffuus licht, daarom kan een zonnecollector in veel situaties een goede opbrengst leveren. De beste opbrengst wordt bereikt als de collectoren op het zuiden zijn gericht onder een hellingshoek tussen 15 en 70 graden, waarbij het optimum, wordt bereikt onder een hoek van 36o en 5o westelijk van het zuiden. Maar ook collectoren die op zuidoost of zuidwest zijn gericht hebben nog een goed opbrengst. Als een dak meer naar het westen of het oosten is gericht, is een goede opbrengst alleen mogelijk als de collector iets vlakker op het dak ligt.

De naverwarming
Het warmwatergebruik is afhankelijk van het gebruiksgedrag . Zo kan het warmwaterverbuitk variëren in een huishouden van 10 tot 100 liter per persoon per dag. De temperatuur van het water in het voorraadvat schommelt tussen de 10º en de 90º Celsius. Om een vaste temperatuur van bijvoorbeeld 60ºC uit de tappunten te krijgen, wordt daarom in de meeste gevallen gebruik gemaakt van naverwarming. Met behulp van naverwarming kan water met een te lage temperatuur worden naverwarmd tot de gewenste tapwatertemperatuur. Indien de temperatuur van het tapwater in het voorraadvat lager is dan 60ºC moet het worden naverwarmd in verband met het gevaar voor legionella.

De opbrengst van een zonneboiler

Hoeveel energie een zonneboiler jaarlijks bespaart, is niet exact te berekenen. Een globale berekening van de besparing is wel te maken. Belangrijke factoren die invloed hebben op de opbrengst van de zonneboiler zijn:

· de referentiesituatie, dit is de energiesituatie voordat de zonneboiler wordt geplaatst

· de hoeveelheid warm water die wordt gebruikt

· de hoeveelheid zoninstraling die op de collector valt

· de oriëntatie en hellingshoek van de collector

Gemiddeld levert een standaardzonneboiler, die in België bij een vierpersoonshuishouden met een gemiddeld warmwaterverbruik en waarvan de collector onder een hoek van 35º op het zuiden gericht is ongeveer 4,2 GJ per op. Dit betekent dat voor de boven beschreven situatie iets minder dan de helft van het water wordt opgewarmd door de zon, de rest door de naverwarmer. Het deel dat door de zon wordt opgewarmd, wordt de dekkingsgraad genoemd.

Voor meer gedetailleerde informatie over zonneboilers : zie http://www.zonnecollectoren.com