Thermische zonnesystemen

Wegwijzer

Het aantal duurzame energie oplossingen is legio. Zonnestroom en windstroom alleen zijn niet voldoende om aan de gevarieerde vraag naar duurzaam opgewekte energie te voldoen. De Groene Energie Maatschappij heeft informatie over verschillende energieproductie, energieopslag en energiedistributiemethoden gebundeld.

Kies in het het menu aan de linkerzijde het onderwerp van uw keuze. Klik hier voor een introductie over BIPV. Klik hier voor BIPV dakbedekkingen (dak of gevel geintegreerde zonnepanelen).

Op deze eerste pagina vindt u informatie over thermische zonnesystemen. Thermische zonnesystemen zoals zonnecollectoren leveren warm water voor (lage temperatuur) verwarmingsdoeleinden of tapwater en kunnen eenvoudig kleinschalig worden toegepast. Toepassing van zonnewarmte op grote schaal vindt plaats in geconcentreerde zonthermische centrales die net als fotovoltaische zonnepanelen stroom leveren maar dan op een geheel andere wijze.

Van zonlicht naar warmte

Thermische zonne-energie is een verzamelnaam voor oplossingen die gebruik maken van warmtewinning uit bestraling door de zon.

Zonlicht bestaat uit verschillende kleuren licht. Elke kleur licht heeft een eigen golflengte en stralingsintensiteit. Zonlicht is voor een deel zichtbaar, de kleuren van de regenboog. Een ander deel van zonlicht is niet zichtbaar, zoals infrarood licht. Infraroodlicht is wel voelbaar in de vorm van warmte.

Waar zichtbaar licht met een hoge intensiteit gebruikt wordt door fotovoltaische toepassingen, wordt het onzichtbare licht aan de rechterzijde van het infrarood spectrum door zonnecollectoren aangesproken.

Het warmte-absorptieproces van een zonnecollector kan daarom onder meer worden verbeterd door zonnecollectoren te voorzien van een coating waardoor voornamelijk warmtestraling wordt doorgelaten, en andere zonnestraling wordt tegengehouden.

Omdat photovoltaische panelen en thermische panelen elkaar feitelijk geen zonlicht afnemen is een combinatie van beide technieken prima mogelijk. Dit type hybride zonnepanelen staan bekend als PVT modules (photovoltaische thermische zonnecollectoren).

Direct versus diffuus zonlicht

Het diffuse deel van het zonlicht, dat wil zeggen het deel van het licht dat verstrooid is door wolken en deeltjes in de atmosfeer, is niet te bundelen en wordt daarom door thermische zonne-energiesystemen niet gebruikt. Daardoor zijn thermische zonne-energiesystemen alleen geschikt voor gebieden met weinig bewolking. In Nederland bereikt gemiddeld zo'n 70% van de zonnestraling het aardoppervlakte. Echter, gemiddeld is hiervan 55-60% diffuus licht en maar 40-45% direct licht. Meer informatie Siderea.

De hoeveelheid zonnestraling in Nederland is daarmee voldoende voor PV zonnepanelen die ook gebruik maken van diffuus licht. Voor thermische systemen is de hoeveelheid direct zonlicht in Nederland aan de krappe kant. Wel is de variatie over het jaar erg groot. Om in Nederland voldoende systeemrendement te halen uit een thermisch systeem, is het dan ook zaak een oplossing te kiezen waarbij de extra warmte die in de zomer kan worden geoogst in de winter kan worden gebruikt. Met andere woorden een seizoensgebonden warmteopslag al dan niet in de vorm van een Warmte- en Koude Opslagsysteem of WKO (DGEM).

Typen zonnecollectoren

Thermische zonnecollectoren worden volgens een internationaal definitie onderverdeeld in lage-, midden- en hogetemperatuurverzamelaars.

Lagetemperatuurcollectoren zijn eenvoudige vlakke en eventueel flexibele plaatcollectoren die veelal gebruikt worden voor het verwarmen van zwembaden. Deze type zonnecollectoren zijn vaak alleen effectief bij veel zon en hoge temperaturen.
Middentemperatuurcollectoren zijn meer geavanceerde (vacuum) vlakke plaat collectoren of vacuum buis collectoren met een hoger thermisch rendement. Deze collectoren kunnen worden ingezet voor het maken van warm water voor huishoudelijk en commercieel gebruik. Deze collectoren kunnen los worden geplaatst, op een dak of in een dak geintegreerd. Bij geïntegreerde (onafgedekte) thermische zonne-energie systemen spreekt men van “zonthermische daken”. De temperatuur in lage- en middentemperatuur collectoren zal veelal niet boven de 200ºC uitkomen. Voor conversie naar electriciteit is dit een te lage temperatuur.
Hogetemperatuurverzamelaars concentreren het zonlicht met behulp van spiegels en / of lenzen. Hierbij worden hoge temperaturen bereikt voor stoomproduktie of voor het voeden van chemische reacties. De verzamelnaam hiervoor is 'Concentrated Solar Power' (CSP) ofwel geconcentreerde zonne-energie.

Vlakke plaat zonnecollector

In een vlakke plaat collector wordt water (open systeem) of een vloeistof (gesloten systeem) door een collector gepompt (druksysteem) die meestal is opgebouwd uit een leidingwerk van koper.

De bovenzijde van een vlakkeplaatcollector is meestal afgedekt met een glazen plaat al dan niet voorzien van een speciale coating.
De warmte wordt opgevangen en vastgehouden door een absorber. De absorber is in de regel voorzien van een (mat) zwarte warmte absorberende coating.
Een absorber kan van verschillende materialen zijn gemaakt zoals:
- Koper
- Aluminium
- Kunststof (polymeer, elastomeer, in een mix met een metaal
Een absorber geeft warmte aan een vloeistof. Hoe de vloeistof door de aborber loopt gebeurd op verschillend manieren.
- Harp absorber. Evenwijdige verticale vloeistof kanalen.
- Serpentine absorber. Doorlopende S-vorm vloeistof kanalen.
- Flooded absorber (Engelse term). Dit is een systeem waarbij de vloeistof door de absorber zelf circuleert. Waarbij de absorber is gemaakt van 2 platen metaal of kunstof die op elkaar zijn geplaatst. Zie afbeeldingen.
- Meerlaagse absorber. Een systeem waarbij de warmte dieper in het systeem wordt opgeslagen met een eventuele efficientere warmteafgifte als gevolg
De absorber wordt in een isolerende bak geplaatst om de warmte goed vast te kouden.
De hete absorber geeft zijn warmte af aan het water. Dit water circuleert tussen de zonnecollector en de warmtewisselaar of boiler (warm water opslagtank).

Vacuumbuis zonnecollector

Een vacuumbuis zonnecollector werkt op een geheel andere manier. De techniek is gebaseerd op de volgende vijf fysicawetten:

Hoge warmteabsorptie van een zwart vlak
Wanneer een metalen voorwerp een tijd in de zon ligt, wordt het warm
Isolerend vermogen van het vacuüm (zoals een thermoskan)
Warmtetransport door alcohol te verdampen en te condenseren (condensor)
Verhoogd kookpunt van een gas onder druk (zoals een snelkookpan).

Een vacuumbuis systeem maakt gebuik van zogeheten heatpipes (afkorting HP). Van dit systeem zijn er twee varianten. Een variant met een open heatpipe waar het water doorheen loopt, genaamd direct flow (DF) en een gesloten heatpipe variant (afkorting HP). Dit laatste systeem werkt als volgt:

Het zonlicht valt op de buis van dubbelwandig glas
Het licht gaat door een eerste glaslaag die doorschijnend is
Het licht wordt geabsorbeerd door een tweede laag glas, die bedekt is met een zwarte warmteabsorberende coating
De warmte kan niet meer naar buiten door de isolerende vacuümlaag tussen de twee glazen wanden (thermosprincipe)
De warmte wordt binnen in de Heat Pipe (koperen buis) afgegeven aan alcohol, die reeds kookt bij 25°C (hoe warmer, hoe hoger de druk, hoe hoger het kookpunt)
Verdampt alcohol stijgt en als het boven in de (schuinstaande) Heat Pipe komt, geeft het zijn warmte af aan een koperen reservoir (condensator), condenseert en druppelt naar beneden, waardoor de cyclus opnieuw kan beginnen
Ook de warmte van de Heat Pipe zelf wordt naar boven geleid en geeft ook zijn warmte af aan het koperen reservoir (manifold). Dit reservoir kan een temperatuur 250°C bereiken
Het koperen reservoir geeft zijn warmte af aan het water of aan een antivriesmiddel (glycol), maar komt er niet mee in contact
Het opgewarmde glycol wordt bovenlangs de zonnecollector door geïsoleerde buizen gepompt naar de buffervaten
Het glycol geeft via een spiraal in een buffervat zijn warmte af aan kraanwater en/of CV-water.

De enkel- of dubbelwandige vacuum buis zorgt voor goede thermische isolatie. Een heatpipe is beveiligd tegen bevriezing doordat er metaal poeder aan toegevoegd is. Een HP vacuum buis collector moet onder een hoek van minimaal 15°, beter 30° en maximaal 75° worden geplaatst zodat de gecondenseerde vloeistof, door de zwaartekracht, terug naar beneden kan stromen. Een eventuele optie is de heatpipe te voorzien van een capillaire laag waardoor druppels ook tegen de zwaartekracht in kunnen kruipen. Dit geeft meer mogelijkheden voor plaatsing van HP vacuum buis zonnecollectoren. Dit nadeel hebben direct flow (DF) vacuum buis collectoren niet. Doordat er druk in het systeem is opgeboiuw kunnen DF panelen zelfs geheel verticaal worden geplaatst.

Notabene: Het vacuum in een vacuum buis zou 25 jaar stand moeten houden. Meer details: Nederlands of in Engels.

Voordelen van de vaccumbuis collector

In vergelijking met andere manieren om dit te bewerkstelligen, hebben de vacuümbuizen de volgende voordelen:

Dankzij de dubbelwandige vacuümbuizen is door het thermosprincipe en de coating de absorptie (=warmteopname) maximaal en de emissie (= verlies naar de omgeving) minimaal, hetgeen leidt tot een bijzonder hoge temperatuur\
De ingestraalde warmte van een groot oppervlak wordt door de Heat Pipe geconcentreerd naar een klein oppervlak (boven in de buis) waar deze geaccumuleerde warmte kan worden overgedragen aan het te verwarmen water of glycol
Een Heat Pipe heeft een hele lage soortelijke warmte, doordat deze voornamelijk gevuld is met alcoholdamp. Slechts een fractie van zijn volume is gevuld met vloeibare alcohol
Een Heat Pipe heeft een veel grotere warmtetransportcapaciteit dan massief koper of een leiding met water. Dit komt doordat alle vacuümbuizen parallel gebruikt kunnen worden.

Voordelen van een vacuum buis collector ten opzichte van een vlakke plaat collector:

Door het thermosfles principe is de vacuum buis zonnecollector beter geisoleerd dan de vlakke plaat zonnecollector. Bij lagere omgevings temperatuur zal de vacuum buis zonnecollector beduidend minder warmte verliezen dan de vlakke plaat zonnecollector. Dit zorgt er vooral in de winterdag, voor- en na-jaar voor dat de vacuum buis zonnecollector meer warmte oplevert.
Door de ruimte tussen de vacuum buizen onderling (ong. 20mm) is de hoeveelheid zonne energie constant over een ruim gedeelte van de dag (zolang de buizen niet in elkaars schaduw liggen). Dit komt doordat de buizen ook vanaf de zijkant stralings energie opnemen.
De warmtecapaciteit alsmede de vloeistof inhoud van de vacuum buis heat-pipe zonnecollector is beduidend lager dan die van een vlakke plaat collector. De vacuum buis collector warmt daardoor sneller op dan conventionele vlakke plaat zonnecollectoren. Een vacuum buis zonnecollector met heatpipe zal daarom tijdens bewolkte dagen meer rendement opleveren.

PVT zonnecollector

Omdat photovoltaische panelen en thermische panelen elkaar feitelijk geen zonlicht afnemen is een combinatie van beide technieken prima mogelijk. Dit type hybride zonnepaneel staat bekend als PVT module (photovoltaische thermische zonnecollector).

Meer informatie over PVT modules klik hier.

Voor een aantal fraaie close-ups van vacuum buis zonnecollectoren zie deze pagina.

Open en gesloten systemen

Zowel vlakke plaat collectoren als vacuumbuis zonnecollectoren kunnen aan een open of een gesloten systeem worden gekoppeld.

Bij een open systeem is het water dat door het systeem wordt gepompt direct beschikbaar voor gebruik of om te worden naverwarmd. Het systeem wordt gevoed met koud water of tijdelijk circulerend (opgewarmd) water.
Bij een gesloten systeem blijft de verwarmingsvloeistof in het systeem. De vloeistof is meestal een glycol oplossing (water met een antivries-middel). De warmte die wordt opgebouwd in het systeem wordt afgegeven aan een warmtewisselaar of een warmtepomp. Bij een warmtewisselaar wordt de opgebouwde warmte afgegeven aan (een voorraad) tap- en of verwarmingswater. In het geval van een warmtepomp heeft de opgewarmde vloeistof het doel de warmtepomp efficienter te laten functioneren. Een airconditioning die gebruik van van warmtepomp voor efficiency verbetering kan zowel ingezet worden voor verwarming als koeling.

Geconcentreerde zon-thermische energie

Naast vlakke plaat en vacuum buis zonnecollectoren zijn er zon-thermische systemen die gebruik maken van geconcentreerde zon-thermische energie. Systemen voor geconcentreerde thermische energie bestaan altijd uit spiegels en / of lenzen die het directe zonlicht bundelen en een receptor / ontvanger met daarin een vloeistof of gas die door het gebundelde licht verhit wordt.

Geconcentreerde zon-thermische energie: torensystemen

In een zonne-torensysteem zijn een groot aantal spiegels op een centraal punt gericht, gewoonlijk hoogegeplaats in een toren. De spiegels kunnen met de zon meedraaien, zodat ze de hele dag naar hetzelfde punt de zon reflecteren. Hier ontstaan op het focuspunt temperaturen van meer dan 1000°C. Hiermee kan aan stoomturbine efficiënt worden aangedreven en elektriciteit worden opgewekt. De warmte kan ook worden opgeslagen, bijvoorbeeld in de vorm van vloeibaar gemaakt zout of de warmte kan direct voor chemische processen worden gebruikt.

Hoewel dit systeem een toren gebruikt, is het niet te verwarren met een zonnetoren, die met lage temperaturen werkt.

De zonnetoren

Een afwijkende toren-variant die gebruikt maakt van thermische zonne-energie is de zonnetoren of zonneschoorsteen (solar-chimney / solar-updraft). Deze bestaat uit een hoge toren met een brede basis en een aaneengesloten collector die rondom de toren is gebouwd. Het principe van een zonnetoren is gebaseerd op de kracht van opstijgende warme lucht. Het 'schoorsteeneffect'.

Een cirkelvormige collector waarvan de bovenzijde hermetisch gesloten is en waarvan de randen open zijn om lucht in te kunnen laten is rondom de zonnetoren gebouwd en sluit daar naadloos op aan.
De lucht onder de collector wordt opgewarmd door zonnewarmte. Hierdoor onstaat een opslagruimte voor warme lucht.
In het midden van de cirkel staat een toren, die aan de basis een grote doorsnede heeft. Omdat hete lucht lichter is dan koude lucht, stijgt deze op door de toren. De toren zuigt hierdoor lucht aan. Deze koude lucht wordt aangevoerd vanaf de rand van de opslagruimte, maar warmt op voordat deze door het torenkanaal wordt opgezogen.
Tussen de collector / opslagruimte en toreninlaat zijn windturbines opgesteld.
De opwaartse luchtstroom wordt door de windturbines omgezet in mechanische energie en met generatoren wordt deze mechanische energie omgezet in elektrische energie
Een continue proces kan worden bereikt worden door in de collector een warmtebuffer aan te leggen. Overdag warmt deze buffer op ’s nachts geeft de buffer warmte af zodat het proces doorloopt.
Veelal is de inlaatruimte geschetst als een broeikas-omgeving waardoor de toren 2 doelen dient. Het geconditioneerd kweken van gewassen en het opwekken van electriciteit.

Een grootschalige zonnetoren wordt gezien als relatief duur en de benodigde hoogtes zijn een constructieve uitdaging. Het aantal realisaties is tot op heden dan ook gering / nihil.

Een zonnetoren hoeft niet perse gebruik te maken van een verticale toren. Een tunnel bergopwaarts is ook mogelijk. Er zijn eveneens andere kleinschaligere toepassingen voor woningen, appartementen- of kantoorgebouwen die gebruik maken van hetzelfde opstijgende lucht principe.

Geconcentreerde zon-thermische energie: parabolische trog

Een parabolische trog is een langgerekte u-vormige spiegel. In het focuspunt van de parabool loopt een veelal vacuum glazen buis met een vloeistof. Gebruikelijke vloeistoffen zijn synthetische olie, gesmolten zout en stoom onder druk. De vloeistof wordt door de geconcentreerde zonne-energie opgewarmd tot temperaturen tussen de 150°C en 400°C. Hiermee wordt in de regel via een warmtewisselaar een stoommotor/turbine aangedreven die electricteit produceert. Ongeveer 1e derde van de warmte wordt omgezet in stroom.

Voor een optimale werking draaien de troggen / spiegels over de lengteas met de zon mee.

Geconcentreerde zon-thermische energie: ingesloten parabolische trog

Een variant op de parabolische trog is de ingesloten parabolische trog. Een parabolische trog wordt hierbij in een broeikas geplaatst. In dit ontwerp worden de elementen buitengesloten wat een positief effect heeft op de betrouwbaarheid en efficiency van het systeem.

Voor meer informatie klik hier.

Geconcentreerde zon-thermische energie: CLFR

Een Compact Linear Fresnel Reflector maakt geen gebuik van gebogen spiegels maar van goedkopere platte spiegels die het zonlicht tot een factor 30+ kunnen concentreren op een glazen buis met vloeistof of gas, eender principe als parabolische trog of op verschillende absorbers. De spiegels worden automatisch in hellingshoek versteld om met het veranderen van de zonnestrand de focus van de ene op de andere absorber te kunnen wijzigen.

Voor meer informatie klik hier.

Geconcentreerde zon-thermische energie: parabolische schotel

In dit geval wordt een parabolische, schotelvormige spiegel gebruikt om het zonlicht te bundelen. Een receptor bevindt zich in het brandpunt van de schotel. Een eenvoudige toepassing van dit principe is de solar cooker. Bij grotere schotels, met bijvoorbeeld een doorsnede van 10 meter kan er op het focuspunt een temperatuur van 1000°C bereikt worden. Hiermee kan een Stirling motor worden aangedreven.

Stirling schotel

In een Stirling schotel wordt met behulp van geconcentreerde zonnestraling lucht verwamt die een Stirling heteluchtmotor aandrijft. De heteluchtmotor drijft vervolgens een generator aan die electricteit produceert. De omzettingsefficiency zou de 30% benaderen. Dat is zo'n 10% beter dan een gemiddeld photovoltaisch systeem. Een Stirling motor werkt op basis van een temperatuurverschil, dat kan zowel een verschil aan de warme of koude kant zijn.

Een Stirling schotel kent de volgende componenten:

Een zonlicht-concentrator op basis van een parabolische schotel met tracking systeem (volg de zon)
Een warmtewisselaar, ook wel receiver genoemd
Een Stirling warmte-motor met generator
Voor een video 'how it works' klik hier
Voor uitleg en een animatie klik hier
Meer over Stirling motors klik hier (DGEM.nl)

Omzetting van zonnewarmte

EDIT: Warmtewisselaars, warmtepompen

De opbrengst van een zon-thermisch systeem

Hoeveel nuttige warmte levert de zon? Op elke vierkante meter in Nederland valt per jaar ruim 1000 kilowattuur (kWh) zonne-energie. Een zonnecollector haalt daar 400 kWh bruikbare warmte uit. De relatieve jaarlijkse bijdrage van de zon hangt af van de toepassing. Voor sanitair warm water kan de zon minstens de helft van de energie leveren, voor grotere systemen die woningverwarming ondersteunen is de bijdrage 15 à 25%. Een buitenzwembad blijft de hele zomer aangenaam warm dankzij een thermische zonne-installatie en zonder naverwarming.

Thermische zonnesystemen

Meer

Wegwijzer