Zonnecollectoren worden in steeds meer Duitse huishoudens gebruikt. Ze nemen zonne-energie op en zetten deze om in warmte. Of het nu wordt gebruikt om warm water op te wekken of om verwarming te ondersteunen - de toepassingsgebieden zijn divers en een stap in de richting van duurzaam leven.
Zonnecollectoren (thermische zonne-energie) en zonnecellen (fotovoltaïsche zonne-energie) kunnen de energie van de zon opslaan en omzetten in warmte (thermische zonne-energie) of elektriciteit (fotovoltaïsche zonne-energie). Dit is een geweldige prestatie, want de ster in het midden van het zonnestelsel is een enorme energiebron: elke dag valt er ongeveer 1,8 x 1014 kilowatt op de aarde. Wij mensen hebben niet eens zoveel energie nodig - een energie-output van 1.010 kilowatt dekt al de wereldwijde vereisten, en we krijgen elke dag ongeveer 10.000 keer meer energie.
Hoewel het gebruik van zonne-energie in de oudheid begon en de voorloper van de huidige zonnecollectoren in de 19e eeuw werd uitgevonden, begon het echte gebruik van thermische zonnetechnologie in Europa pas tijdens de oliecrisis in 1973. Destijds werd gezocht naar alternatieven voor stookolie, dus slechts een paar jaar toen kwamen de eerste zonnepanelen op de markt. De meeste waren te duur en technisch onbetrouwbaar.
Maar er is de afgelopen 45 jaar veel gebeurd. Zonnecollectoren staan inmiddels op veel daken van huizen en zijn een goede manier om extra warmte op te wekken.
Dankzij hun discrete uiterlijk zijn zonnecollectoren nu geschikt voor elke architectonische oplossing. De dakintegratie heeft zich jarenlang bewezen en biedt bescherming tegen weer en wind.
Opbouw en functie van de zonnecollector
Een zonnesysteem is nodig om de energie van de zon te gebruiken voor het verwarmen van water of voor verwarming. Maar let op: een tweede warmtegenerator is altijd nodig, omdat de energie die wordt opgewekt door het zonnesysteem niet voldoende is, vooral in de winter. Duur maar enige alternatief: u bespaart de warmte van de zon met enorme tanks in de winter.
Het hart van een zonnestelsel is de collector. Binnenin zit een absorber die zonnestraling opvangt en daarbij opwarmt. Hierdoor ontstaat warmte, die op zijn beurt wordt overgedragen op een warmteoverdrachtmedium. Het warmteoverdrachtmedium is een vloeistof (zonnevloeistof), meestal bestaande uit water en propyleenglycol. Het belangrijkste doel van propyleenglycol is om te voorkomen dat het water in de winter bevriest en in de zomer te warm wordt. De verwarmde vloeistof wordt door de leidingen door de absorber gepompt en vervolgens in de zonne-opslagtank. De absorber is meestal aan de zijkant en aan de onderkant geïsoleerd om warmteverlies te voorkomen.
Soorten zonnepanelen
Afhankelijk van de installatieruimte en het budget kunt u kiezen uit twee basismodellen: de vlakke plaatcollector en de buiscollector.
Vlakke plaatcollector
- absorber
De vlakke plaatcollector wordt zeer vaak gebruikt. Het bevat een platte, doorlopende absorber, bijvoorbeeld van gezwart metaal, aan de achterkant waarvan de waterleidingen zijn bevestigd zodat ze warmte geleiden. Hoeveel zonnestralen door de absorber worden geabsorbeerd, is afhankelijk van het materiaal, de vorm, de plaatsing van de buizen en de coating. De panelen absorberen de zonnestralen het beste als het materiaal zo zwart, dun en warmtegeleidend mogelijk is.
- Warmteoverdracht medium
Het circulerende water is verrijkt met antivriesmiddelen zoals propyleen of ethyleenglycol zodat vriestemperaturen de leidingen niet barsten. Additieven moeten echter ecologisch neutraal zijn.
- Collectorbehuizing
De absorber rust in een goed gesloten doos die vocht en stof weghoudt. De behuizing moet van corrosiebestendig materiaal zijn gemaakt.
- Isolatielaag
De behuizing is bekleed met een licht maar sterk materiaal. Het moet een lage U-waarde hebben en bestand zijn tegen de hoge temperaturen in de collector. Hardschuimpanelen in combinatie met minerale wolmatten, maar ook schapen- en steenwol zijn wijdverbreid. Pas op met uitgassende ingrediënten: ze vormen een neerslag aan de binnenkant van de beglazing en verminderen de lichtinval.
- De glazen kap
De opvangbak is afgedekt met een glasplaat. De zogenaamde transmissiegraad is belangrijk voor de keuze van het glas. Het geeft aan hoeveel lichtstraling het glas doorlaat. Het glas moet een waarde van 0,9 bereiken. Hiervoor wordt gehard glas gebruikt dat weinig ijzer bevat. Het is meestal zo gestructureerd dat het niet verblindt. Sinds een aantal jaren zijn er antireflecterende glazen die een hogere doorlaatbaarheid hebben dan gestructureerde glazen. Ze kosten echter iets meer.
Vacuümbuiscollector
De vacuümbuiscollectoren bestaan uit een groot aantal vacuümbuizen omgeven door metalen reflectoren. Het zonlicht wordt zo door de reflectoren in de buis gereflecteerd. Deze bevatten een donkere absorber. Omdat de buizen worden geëvacueerd, wordt warmteverlies tot een minimum beperkt. Bovendien komen hogere temperaturen voor op een kleiner gebied. De collector werkt ook effectief bij diffuus zonlicht. Buiscollectoren genereren bijvoorbeeld evenveel warm water op 3,5 vierkante meter als vlakke collectoren op een oppervlakte van vijf vierkante meter. In de zomer is dit bijna volledig genoeg om het water van een gezin van vier personen te verwarmen. In een jaar tijd wordt in 60 procent van de warmwaterbehoeften van het gezin voorzien. Nadeel: de buizencollector kost twee keer zoveel als een vlakke platencollector.
Als het gaat om buizencollectoren, moet worden opgemerkt dat er twee verschillende soorten zijn die we hieronder zullen introduceren:
- Heatpipe-principe
Elke gesloten buis vormt een gesloten circuit. Door de zonnestralen die de absorber in de buis raken, verdampt een speciale vloeistof. Bovenaan de buis koelt de stoom af op een warmtewisselaarblok. De stoom wordt weer vloeibaar. De vloeistof in de buis stroomt terug naar beneden - de verdamping begint opnieuw. De warmte die daarbij vrijkomt, verwarmt de circulerende vloeistof die langs de warmtewisselaar stroomt. Het heat pipe-systeem heeft een minimale hellingshoek van ongeveer 30 procent nodig om het circuit te laten functioneren.
- Buizen met directe stroom
Bij dit systeem verwarmt de zon direct de warmteoverdrachtsvloeistof in de absorberbuis in het midden van de buis. Het warmteoverdrachtmedium loopt door meerdere buizen. Een groot voordeel van dit systeem is dat de buizen zowel verticaal als horizontaal gemonteerd kunnen worden.
Vacuümbuiscollectoren leveren optimale energieopbrengsten, ook bij weinig zonnestraling en in het koude seizoen.
Van welke voorwaarden is de opbrengst afhankelijk?
De jaaropbrengst van een zonnecollector is afhankelijk van meerdere factoren:
- De klimatologische omstandigheden: Er kunnen aanzienlijke verschillen zijn tussen de afzonderlijke locaties binnen Duitsland. Er zijn locaties met meer dan 1.000 kilowattuur per vierkante meter per jaar en locaties met minder dan 900 kilowattuur per vierkante meter per jaar.
- De oriëntatie: het beste is een oriëntatie op het zuiden en een hellingshoek van ongeveer 45 graden.
- Schaduwen van andere gebouwen of bomen.
- Vervuiling: Regen en sneeuw voeren meestal een groot deel van het vuil af. Bij hardnekkige vlekken kunt u het beste zachte wasmiddelen en een zachte borstel gebruiken. Gebruik geen hogedrukreinigers.
De grootte van de collectoren voor het verwarmen van water
Wie vlakke collectoren gebruikt, heeft 1,5 vierkante meter collectoroppervlak per persoon in het huishouden nodig om het water te verwarmen. Voor krachtigere buiscollectoren is 1 vierkante meter per kop voldoende. Vuistregel voor de grootte van de wateropslagtank: Bereken 40 liter 45 graden Celsius warm water per persoon en dag maal 2. Een huishouden van 4 personen kan rondkomen met 6 vierkante meter vlakke of 4 vierkante meter buizencollectoren en een opslagtank met 300 liter. Kosten: ongeveer 3.500 euro.
Verwarming met zonnewarmte
Als u zonnewarmte wilt gebruiken voor ruimteverwarming, moet u in goed geïsoleerde huizen 3 tot 4 vierkante meter collectoroppervlak per persoon berekenen. De opslagtank moet ongeveer 60 liter per vierkante meter collectoroppervlak bevatten, iets groter voor buiscollectoren. Kosten: vanaf circa 6.000 euro. In een goed geïsoleerd huis kan het zonnesysteem tot 25 procent van de energie voor verwarming en warm water leveren.
Effect van sneeuw
Als de zonnepanelen eenmaal bedekt zijn met sneeuw, leveren ze meestal geen opbrengst meer op. Vaak is er op deze dagen echter sowieso geen opbrengst omdat de zonnestraling meestal te laag is.
Met buiscollectoren is op heldere, koude dagen echter nog een goede opbrengst mogelijk, dus het verwijderen van de sneeuw kan handig zijn.
Als de zonnecollector bedekt is met sneeuw, neemt deze meestal geen zonlicht op en kan daarom geen energie in de vorm van warmte opslaan.
Het rendement van zonnecollectoren en zonnecellen in vergelijking
Wat meer is - zonnecollectoren of zonnecellen? De ervaring heeft geleerd dat zonnecollectoren aanzienlijk efficiënter zijn dan fotovoltaïsche modules. Zonnecollectoren behalen rendementen van ongeveer 90 procent, met warmteverliezen van bijna 50 procent. Dit is echter nog steeds beter dan het rendement van een fotovoltaïsch systeem met een rendement van slechts 20 procent. De reden hiervoor is dat zonlicht een breed spectrum beslaat. Elke vorm van straling kan worden omgezet in warmte. Fotovoltaïsche systemen kunnen echter maar een klein deel van de straling omzetten in elektriciteit.