1 De commerciële zonneboiler

Zonneboiler

1

1 De commerciële zonneboiler

1.1 Inleiding Een boiler is een toestel dat koude water opwarmt. Een zonneboiler warmt dan het water op met behulp van de zon. De commerciële zonneboiler warmt water op met behulp van de zon en nog een extra verwarmer, indien het nodig is. Dit is degene die je kunt bestellen of kopen bij een firma. Meestal wordt een commerciële zonneboiler gewoon een zonneboiler genoemd. Dit is omdat tot nu toe nog geen zonneboiler op de markt is gebracht die volledig op zonne-energie werkt. En het is juist diegene die wij hebben geconstrueerd.

1.2 De werking Bij een commerciële boiler (fig.1.2.1) heb je volgende hoofdzakelijke onderdelen: de collector, de boiler, de regeling.

Fig 1.2.1: Commerciële zonneboiler

Zonneboiler

2

De vloeistof in de collector bestaat uit water met daarbij gevoegd een antivries. Deze moet namelijk voorkomen dat het water zou bevriezen in de collector en deze zo zou beschadigd worden. Om dit op een andere manier op te lossen kan dit ook doormiddel van een leegloopsysteem. Dit wil zeggen dat men de vloeistof uit de collector laat lopen zodat deze niet kan bevriezen of te warm worden. Dit wordt gedaan doormiddel van een leegloopvat. De vloeistof die hier dan gebruikt wordt is gewoon water. De zonnecollector (fig. 1.2.2) bestaat uit een pijpleiding, een absorber (zwart materiaal), een afdekplaat en een dikke isolatielaag.

Fig. 1.2.2: zonnecollector

De afdekplaat (glas) zorgt ervoor dat de absorber en de pijpleiding droog blijft. De absorber zorgt ervoor dat de stralingsenergie van de zon wordt opgenomen in warmte. Door de pijpleiding stroomt dus die vloeistof die bestaat uit water en eventueel antivries. De opgenomen warmte van de absorber zal worden afgestaan aan de vloeistof in de pijpleiding. Wanneer het regelsysteem een temperatuursverschil zal vaststellen die voldoende is om het water in de boiler bij te warmer, zal deze de circulatiepomp in werking laten treden. Deze zal de warmere vloeistof laten circuleren tot in de boiler. Daar kan het op zijn beurt de warmte die werd opgenomen door de vloeistof van de pijpleiding, nu haar warmte afgeven aan het water in de boiler zelf, dit gebeurt via een warmtewisselaar. Een warmtewisselaar is een toestel die ervoor zorgt dat de warmte van het ene medium naar het andere overgaat.

Zonneboiler

3

Warmtewisselaar kunnen in verschillende vormen voorkomen. Men kan een warmtewisselaar hebben gewoon in de vorm van een buis (fig. 1.2.3), gevormd door platen, in de vorm van een spiraal (fig. 1.2.4). Deze 2 laatst genoemde worden het meest gebruikt omdat men dan een groter oppervlakte heeft om warmte af te geven dan een gewone rechte buis. Men kan ook meerder spiralen bij elkaar monteren. Indien het water in de boiler nog niet warm genoeg is om te gebruiken dan wordt het bijverwarmd door een naverwarmer. (De soorten naverwarmers worden later vermeldt.)

Doordat warm water een lager dichtheid heeft dan koud water zal het

warme water altijd naar boven stijgen en koude water zakken. Indien men dus warm water nodig heeft zal men water aftappen van bovenaan de boiler en koude water er terug indoen onderaan.

Fig. 1.2.3: een buizenwarmtewisselaar

Zonneboiler

4

Fig. 1.2.4: een spiraalwarmtewisselaar

1.3 Naverwarmers Als de zonnecollectors geen warmte genoeg kunnen afstaan aan het water in de boiler, dan heeft men een naverwarmer nodig. Deze zorgen ervoor dat de nodig minimum temperatuur bereikt wordt van 60°C. Men kan een naverwarmer hebben die werkt op elektriciteit, op gas of op stookolie. Daarnaast heeft men ook nog 2 soorten naverwarmers, de geïntegreerde (fig. 1.3.1) en de externe (fig. 1.3.2). Een geïntegreerde naverwarmer wil zeggen dat zowel de warmtewisselaar van de collector als deze van de naverwarmer in dezelfde boiler plaats vinden. De warmtewisselaar van de naverwarmer is bovenaan gelegen. Dit omwille van dat het water dat door de warmtewisselaar van de collector, die zich onderaan in de boiler bevindt, al reeds is opgewarmd naar boven stijgt. Dit water wordt dan verder verwarmd om dan gebruikt te worden. Indien men de warmtewisselaars omgekeerd zou plaatsen zou dit geen nut meer hebben dat je het water opwarmd met de zon. Want de naverwarmer voegt de warmte toe die te kort is, maar aangezien men koud water onderaan de boiler telkens weer toevoegt na verbruik van warm water, en dat warm water naar boven stijgt ten opzichte van koude, zou de naverwarmer alles opwarmen en zou de zonnecollector dan nutteloos zijn. Een externe naverwarmer daar in tegen is anders opgebouwd. Men heeft dan namelijk 2 boilers. In de eerste boiler bevindt zich de warmtewisselaar van de zonnecollector. Deze zorgt voor de opwarming van het water in de eerste boiler. Daarachter aangekoppeld een boiler met de warmtewisselaar van de naverwarmer. Het kan ook zijn dat deze naverwarmer rechtstreeks het kraanwater opwarmt. Beide

Zonneboiler

5

brengen indien nodig het water op de juiste temperatuur. Een variant op deze laatste naverwarmer is de compacte zonneboiler (fig. 1.3.3). Hier wordt het kraanwater opgewarmd in de collector zelf. Hier heeft men geen boiler maar dient de collector als opslagvat. Het verwarmde kraanwater dat dan uit de collector stroomt wordt dan indien nodig nog bijverwarmd met de naverwarmer.

Fig 1.3.1 zonneboiler met geïntegreerde naverwarmer

Fig 1.3.2 zonneboiler met externe naverwarmer

Fig 1.3.3 de compacte zonneboiler

Zonneboiler

6

1.4 Tips bij het aankopen van een zonneboiler Als je rekent dat je per dag per persoon 40 liter water aan 50°C verbruikt, je een zonnecollector nodig hebt van 1.1 tot 1.5 m² nodig hebt per persoon. Ook zorg je er best voor dat je boiler een capaciteit heeft zodat je het water kan opslaan voor 2 dagen, zo kan je gemakkelijker een zonarme dag overbruggen.

1.5 Enkele prijzen van zonneboilers De commerciële boilers die het meest verkocht worden zijn ofwel zonneboilers met externe naverwarmers of ook wel mono zonneboilers genoemd. Daarnaast heb je ook de zonneboilers met interne naverwarmers of duo zonneboilers genoemd. We gaan eerste enkele prijzen bespreken van de mono zonneboilers. Als we de kleinste eens bekijken van de firma suntecnics, heeft deze een boiler inhoud van 120l. Deze heeft een collector oppervlakte van 2.75m² en is geschikt voor 2 à 4 personen. Dit kost geleverd en geplaatst inbegrepen 5294,00 EUR. Maar er zijn subsidies die het heel wat interessanter maken. Zo heb je om te beginnen een gemiddelde gemeentesubsidie van 500,00 EUR. Daarnaast heb je een fiscaal voordeel van 40% op de totale prijs. Hiernaast heb je een verminderde gemeentebelasting + gezinsbondkorting. Om het rijtje af te sluiten heeft de netbeheerder ook een subsidie van 525 EUR. Zo is de nettoprijs van 5294,00EUR afgeslankt tot 1725,00 EUR. En dit is al een heel wat aantrekkelijkere prijs. Verder prijzen van de firma suntecnics worden bijgevoegd in een bijlage.

1.6 Enkele eventuele problemen Er zijn natuurlijk problemen bij zulke projecten maar ook deze zijn opgelost. Zo was er het probleem dat als de zon te fel scheen de vloeistof in je collector te warm zou worden en dat er zo een hoge druk ontstaan. Hierbij spreken we over een temperatuur van maximaal 90°C. Dit probleem is opgelost door er expansievat of leegloopvat te voorzien. Dit betekent dat het water in de collector wordt weggeleid in een vat, het leegloopvat. Zo is er geen vloeistof meer aanwezig in de collector en kan er geen te hoge drukvorming ontstaan. De eerste keer erna dat de temperatuur in de collector weer goed is om geen te hoge druk te hebben zal de vloeistof uit het leegloopvat weer Zonneboiler

7

in de leidingen gepompt worden. Een andere manier om deze drukverhoging op te lossen is door gebruik te maken van een expansievat. Een tweede probleem ging kunnen zijn dat als de zon niet scheen of niet krachtig genoeg dat je dan geen warm water zou kunnen gebruiken. Dit werd dan eenvoudig opgelost door een extra verwarmer erbij te zetten of gebruik te maken van een naverwarmer.

Zonneboiler

8

2 De autonome zonneboiler 2.1 Inleiding De autonome zonneboiler of anders genaamd de zelfstandige zonneboiler kunnen we opsplitsen in 2 delen. We kunnen het splitsen in een sanitair gedeelte en een elektrisch gedeelte. Het sanitaire gedeelte kunnen we heel goed vergelijken met dat van de gewone commerciële zonneboiler. Maar sommige onderdelen werden zelf gemaakt of werd er andere dingen gebruikt omdat het een proefproject is. Zo werd er voor de boiler gewoon een kunststoffen ton voorzien. Het elektrische deel zorgt ervoor dat alles autonoom kan werken. Zo wordt alles automatische geregeld. Het hele systeem kan dus volledig werken met enkel de energie die we krijgen van de zon zonder nog iets van andere energie toe te voegen.

2.2 Uitleg van het schema sanitaire gedeelte Het schema van het sanitaire gedeelte (fig. 2.2.1) kan heel goed vergeleken worden met dat van de gewone commerciële zonneboiler. De onderdelen die we hierin hebben zijn voor het grootste deel dus hetzelfde als bij de commerciële. Het belangrijkste onderdeel of het hart van dit gedeelte is de zonnecollector. Deze zorgt ervoor dat we doormiddel van de

zon het water in onze boiler kunnen verwarmen. Andere

onderdelen die noodzakelijk zijn om alles te doen werken zoals het hoort zijn het expansievat, de circulatiepomp en natuurlijk de boiler met daarin een warmtewisselaar. Bij het expansievat werd er ook een manometer geplaatst om de druk te kunnen aflezen. Het sanitair gedeelte werd ook nog voorzien van kranen, snelkoppelingen en een terugslagklep. Om de vloeistof in en uit onze leidingen te laten vloeien moesten we nog een vat hebben om alles in te gieten met daarbij een ontluchter om onze vloeistof in en uit te laten vloeien. Het systeem kan ook overschakelen van warm water naar warme lucht. Hiervoor hebben we dus ook nog een warme luchterverwarmer. Al deze onderdelen werden verbonden door koperen buizen met een doorsnede van een halve duim.

Zonneboiler

9

Fig. 2.2.1 Schema sanitair gedeelte

Zonneboiler

10

2.3 Uitleg van het schema elektrische gedeelte Het schema van het elektrische gedeelte (fig. 2.3.1) bestaat uit verschillende onderdelen om het hele systeem de doen werken. In deze schakeling is het belangrijkste onderdeel het zonnepaneel. Deze zet de zonnestralen om in elektriciteit. De elektriciteit opgewekt door het zonnepaneel wordt opgeslagen op 2 batterijen. Dit gebeurd doormiddel van een laadregelaar. De batterijen worden gecontroleerd door een schakeling die zelf ontworpen werd. We hebben ook nog een printplaat met een schakeling erop die de temperatuur controleert in de zonnecollector, de boiler en de hete luchtverwarmer. De controleplaatjes van de batterijen en het printplaatje geven allebei signalen naar de plc die deze verwerkt en zo alles gaat regelen. Omdat ons zonnepaneel een gelijkspanning opwekt en onze schakeling werkt op wisselspanning moeten we dus gebruik maken van een omvormer.

Zonneboiler

11

Fig. 2.3.1 Schema elektrisch gedeelte

Zonneboiler

12

3 Onderdelen sanitair gedeelte 3.1 Inleiding Zoals je ondertussen al weet bestaat het sanitair gedeelte uit verschillende onderdelen. Deze onderdelen waren de zonnecollector, het expansievat, de circulatiepomp, boiler met warmtewisselaar, hete luchtverwarmer, kranen, snelkoppelingen, terugslagklep en vat om te vullen met ontluchter erbij. Deze onderdelen worden in dit hoofdstuk verder uitgelegd.

3.2 De zonnecollector 3.2.1 Inleiding De zonnecollector (fig. 3.2.1.1) is een apparaat die de lichtstralen van de zon omzet in warmte. De collector bestaat uit leidingen waarin een vloeistof bevindt die opwarmt en deze dan deze warmte terug afgeeft in de boiler zodat je daar warm water krijgt.

Fig. 3.2.1.1. De zonnecollector

Zonneboiler

13

3.2.2 Werking De zonnecollector kunnen we een beetje vergelijken met een waterslang die we gedurende de hele dag in de zon laten liggen. Het water zal op het einde van de dag een aangename temperatuur hebben. Ook kan het goed vergelijken met een radiator dat je zwart schildert. Op bovenstaande figuur ( fig. 3.2.1.1.) zien we dat de zonnecollector uit verschillende onderdelen bestaat. Zo hebben we de koperen buizen waarin er eenmaal na het plaatsen een vloeistof wordt ingegoten. Boven deze koperen leidingen wordt er een zwart materiaal geplaatst. Dit materiaal absorbeert de zonnestralen en zo warmt deze plaat op en heeft deze warmte af aan de vloeistof die loopt door de koperen leidingen. De vloeistof in de collector loopt als volgt. Het koude komt toe langs de onder kant en de warme vertrekt langs de bovenkant ( fig. 3.2.1.2.). Dit kunnen we verklaren door dat warm water een lagere dichtheid heeft en dat het koude water zo naar boven duwt.

Fig. 3.2.1.2. De stroomzin

Zonneboiler

14

3.2.3 Onze zonnecollector De collector bestaat uit een houten bak met daarin buizen. De afmetingen van de houten bak zijn 130 centimeter vierkant met een hoogte van 20 centimeter. Deze bak kunnen we als het ware opgesplitst in 2 delen. Langs onderen in de collector moest er gezorgd dat we onze warmte in de houten bak kunnen houden. We hebben dus gebruik gemaakt van een dikke laag isolatie. Er werd gebruik gemaakt van verschillende isolatielagen. Langs onderen in de bak werd er een laag van 4 cm glaswol ingelegd. Er boven dan een laag van 4 cm polyurethaan en daarop nog eens en gipsplaat van 1 cm. Waarom we 3 verschillende lagen isolatiemateriaal gebruikt hebben kunnen we verklaren doordat we deze materialen nog in voorraad hadden op school. (fig. 3.2.3.1.)

Fig. 3.2.3.1. Doorsnede zonnecollector 1

Om een goed isolatiemateriaal te zijn moeten deze een lage warmtegeleidingcoëfficiënt hebben. De warmtegeleidingcoëfficiënt kunnen we verstaan als een waarde die aangeeft hoe goed een stof warmte geleidt. Hoe lager deze waarde is hoe beter dat het materiaal isoleert. Van de materialen dat wij gebruiken zijn deze waarden verschillend voor de verschillende lagen. Van de glaswol laag is deze waarde gelijk aan 0,040 W/ (m.K). De laag polyurethaan isoleert nog beter want de waarde is lager en gelijk aan 0,028 W/ (m.K). De bovenste laag isolatie is een gipsplaat. Hiervan is de warmtegeleidingscoëfficiënt gelijk aan 0.52 W/ (m.K). De warmtegeleidingscoëficent geeft aan hoe snel een materiaal warmte geleid. Het bovenste deel is het deel waar de warmtewisselaar zich bevindt. De warmtewisselaar van de collector werd gemaakt uit koperen leidingen van een halve duim. De totale lengte van de buizen die door de collector lopen is 10 meter. De leidingen werden verschillende malen van boven naar beneden gebracht in de collector. Tussen deze leidingen werden er telkens nog koperen plaatjes gesoldeerd. Dit om nog meer gebruik te maken van de warmte die we hebben in onze collector. (fig. 3.2.3.2.)

Zonneboiler

15

Fig. 3.2.3.2. Warmtewisselaar collector

Koper is namelijk een zeer goede warmte geleider. Dit gedeelte werd dan volledig zwart geverfd. Dit omdat zwart veel meer warmte vast kan houden dan lichter kleuren. Want bijvoorbeeld de kleur wit is een felle kleur en reflecteert daardoor meer zonlicht. De hele binnenkant van de houtenbak werd ook nog eens zwart geschilderd. Om nog meer de warmte vast te houden in de bak. Langs boven ligt er nog een glazen plaat op.

3.2.4 Oriëntatie voor de zonnecollector: Bij de plaatsing van de zonnecollector is de oriëntatie ook van belang. De beste richting is tussen het zuidoosten en het zuidwesten. Daar levert je zonnecollector de hoogste opbrengst. Maar ook de helling op je dak speelt een tol bij de plaatsing van een zonnecollector. Het ideaal zou een dak zijn met een heling van ongeveer 20°, maar ook als je een plat dak hebt heb je een enorme opbrengst. Hoe steiler je gaat hoe minder opbrengst je zult hebben. (fig. 2.4.1 )

Zonneboiler

16

Fig 2.4.1 : de beste hoek voor de plaatsing van de collector

3.2.5 Tips tijdens het plaatsen van je collector: Je moet natuurlijk ook altijd zorgen of nagaan dat je collector niet wordt beschaduwt door naburige objecten, of toekomstige objecten. Bijvoorbeeld zoals groeiende bomen toekomstige hoge gebouwen. Zorg ook voor dat je collector en je boiler niet te ver van elkaar gelegen zijn. Anders zou je grote warmteverliezen hebben en dat kan ook de bedoeling niet zijn.

Zonneboiler

17

3.3 Het expansievat 3.3.1 Inleiding

We gebruiken een expansievat (fig. 3.3.1.1) om de uitzetting van onze vloeistof te kunnen opvangen. Als een vloeistof wordt opgewarmd weten we dat de vloeistof zal uitzetten. Als we dit niet opvangen door middel van een expansievat dan zal de druk in de leidingen vergroten. Wat niet zo goed zou zijn voor onze leidingen.

Fig. 3.3.1.1 Het expansievat

3.3.2 Werking

Een expansievat kan werken op 2 manieren. Ofwel gebeurt dit doormiddel van een membraam of doormiddel van een balg (fig. 3.3.2.1). Op de figuur zie je aan de linkerkant het expansievat die werkt doormiddel van een membraam. Aan de rechterkant zie je het met een balg. Dit is eveneens het vat dat wij gebruiken.

Fig. 3.3.2.1 Verschillende werking expansievatten

Zonneboiler

18

Het expansievat wordt in 2 ruimtes gescheiden door middel van de balg. De ene ruimte is voor de water maar in ons geval voor glycol en de andere ruimte is voor drukgas. Als de temperatuur van onze vloeistof opwarmt zal het volume van de vloeistof vergroten. Dit moet opgevangen worden want anders zou er een grote drukvorming in onze leidingen ontstaan. Als de glycol uitzet zal dit worden opgevangen door onze balg. De balg zal uitzetten naarmate de temperatuur stijgt. Rond de balg is het volume opgevuld met een gas. Wij maken gebruik van gewone luchtdruk. Wanneer onze vloeistof weer afkoelt dan zal doormiddel van de luchtdruk rond de balg de vloeistof die erin zit terug de leidingen ingestuurd worden. Op onderstaande figuur zien we nogmaals de werking van een expansievat met een balg (fig. 3.3.2.2).

Fig. 3.3.2.2 werking met balg

We zien dat we het vat moeten voorzien van een minimumdruk. We noemen deze druk de voordruk. Dit is de druk die er moet zijn voor het expansievat gevuld wordt. Als er leidingen boven het expansievat zouden zijn zou er al een druk gevormd zijn. Deze mag namelijk nog niet in de balg opgenomen worden. Dit wordt dus opgevangen door een voordruk in het expansievat te voorzien. De voordruk kan dus bepaald worden door de hydrostatische druk. Deze wordt bepaald door de formule Pstat= ρ.h.g met Pstat: hydrostatische druk (Pa) ρ:

massadichtheid (kg/m³)

h:

hoogte (m)

g:

valversnelling (m/s²)

Zonneboiler

19

3.3.3 Onderdelen van het vat Het expansievat bestaat uit verschillende delen (fig. 3.3.3.1). Eerst en vooral hebben wet het vat zelf (1). Het vat is gemaakt van staal. Het vat wordt perfect dichtgelast zodat er geen gas kan ontsnappen. Een ander onderdeel is het gasvulventiel (2). Langs dit ventiel wordt er luchtdruk rond de balg ingevoegd. Het onderdeel die het expansievolume opvangt is de balg (3). Deze is gemaakt uit butylrubber. Dit is rubber met een extreem gasdicht en bestendig materiaal zodat het een lange levensduur heeft. De opening van de zak moet langs een uitgang van het vat aangesloten zijn aan de leiding (4). Doordat al een deel ingevuld is door de balg zal het andere gedeelte moeten bestaan uit een gas/luchtruimte (5). Omdat de druk kan stijgen moeten we zorgen dat het uiteinde va de balg niet afspringt van de aansluiting. Daarom word de balg ingeklemd (6).

Fig. 3.3.3.1: Onderdelen expansievat

Zonneboiler

20

3.4 De circulatiepomp De circulatiepomp werd helemaal besproken in het hoofdstuk over de onderdelen van het elektrische schema. De pomp staat namelijk in allebei de schema’s geplaatst en omdat de werking helemaal elektrisch gebeurd werd het daarin uitgelegd.

3.5 Boiler met warmtewisselaar 3.5.1 Inleiding De boiler die wij gebruikt hebben werd juist gemaakt uit een kunststoffen ton met een capaciteit van 40 liter. Daarin is er een warmtewisselaar in voorzien. Bij ons is er gebruik gemaakt van een platenwarmtewisselaar. Met de boiler willen we dus juist warm water krijgen.

3.5.2 Werking De kunststoffen ton wordt voorzien van een hoeveelheid water. Het is de bedoeling dat dit water opgewarmd wordt. Om dit te kunnen doen moet er dus iets zijn die zijn warmte

afgeeft.

Dit

is

dus

de

platenwarmtewisselaar.

We

gebruiken

een

platenwarmtewisselaar omdat deze een groot oppervlakte heeft die in contact komt met het water uit de boiler en zo het water rapper opwarmt. Door de platenwisselaar loopt de vloeistof die opgewarmd werd in de zonnecollector en hier in de boiler deze warmte weer af. Als de vloeistof in de boiler warmer is dan in de collector heeft het geen nut meer dat de pomp verder circuleert want anders warm je de vloeistof doorheen de collector weer op en neem je de warmte van het water in de boiler weer af. Om te zorgen dat dit niet gebeurd werd er regeling gemaakt die doormiddel van de temperatuur in de boiler en de temperatuur in de zonnecollector de pomp doet werken of niet. De warmtewisselaar moet langs onderen in de ton geplaatst worden omdat het warme water altijd stijgt en het koude langs onder blijft. Dit omdat de massadichtheid van warm water kleiner is dan deze van koud water.

Zonneboiler

21

3.6 Hete luchtverwarmer 3.6.1 Inleiding De hete luchtverwarmer kunnen we vergelijken met de boiler. Alleen willen we nu niet warm water bekomen maar willen we warme lucht. Hiermee kunnen we dan een ruimte verwarmen.

3.6.2 Werking De werking kunnen we eveneens vergelijken met de boiler. Weer wordt er gebruik gemaakt van een warmtewisselaar. De vloeistof die komt van de zonnecollector wordt doorheen de hete luchtverwarmer gecirculeerd. Dit keer bestaat de warmtewisselaar uit een buizennetwerk. Op deze buizen zijn plaatjes naast elkander bevestigd. Deze nemen dan de warmte op van de vloeistof die doorheen de luchtverwarmer wordt gepompt. Dit keer wordt de warmte dus niet afgegeven aan water maar wel wordt deze afgegeven aan de lucht. De lucht wordt geventileerd doorheen de luchtverwarmer doormiddel van een ventilator. Deze zorgt ervoor dat er langs onder opnieuw weer de koude lucht wordt binnengezogen en langs boven er weer uitgeblazen. Waarom we zeggen dat de koude lucht langs onderen binnenkomt en de warme lucht langs boven er weer uitgeblazen wordt kunnen we verklaren omdat warme lucht stijgt.

3.7 Bolkranen 3.7.1 Inleiding In het hele systeem werden er 6 bolkranen of anders benoemd kogelkranen (fig. 3.7.1.1 ) geplaatst. Met deze kranen kunnen we de omschakeling maken tussen de warmtewisselaar in de boiler en de hete luchtverwarmer.

Zonneboiler

22

Fig. 3.7.1.1 Bolkraan

3.7.2 Waarom bolkraan We gebruikten bolkranen omdat dit meer voordelen heeft ten opzichte van andere soorten kranen. Eerst en vooral geven deze kranen de minste weerstand bij het doorstromen van de vloeistof. En ander groot voordeel is dat het onafhankelijk is hoe je deze kraan in de kring plaatst. Het heeft geen invloed hoe de vloeistof door deze kraan loopt. Ook kan je deze kraan vlug open en dicht doen. De hefboom van de kraan moet enkel 90 graden verdraait worden om van open naar dicht te gaan. Als de hefboom evenwijdig staat met de leidingen dan wil dit zeggen dat de kraan openstaat. Als deze evenwijdig is zien we dat de kogel met het doorgeboorde gat erin de vloeistof kan door laten stromen. Als de hefboom haaks op de leidingen staat wil dit zeggen dat de kraan dicht is en dat de vloeistof niet kan doorstromen. Als we de kraan van gesloten naar open willen doen moeten we daarvoor dus 90 graden draaien aan de hendel. We moeten daarvoor de hendel tegen de wijzers van een uurwerk indraaien. Als we deze kraan van open naar gesloten willen zetten in het normaal dat dit omgekeerd is en dus 90 graden met de wijzers in van het uurwerk draaien. We zien aan de kranen dat we deze maar 90 graden kunnen draaien door het lipje die voorzien is op de behuizing van de kraan ( fig. 3.7.2.1). Uit de rode hendel is een hoek van 90 graden uitgesneden waardoor we dus niet verder kunnen draaien.

Zonneboiler

23

Fig. 3.7.2.1 lipje behuizing

3.8 Snelkoppelingen In de kring werd er verschillende keren gebruik gemaakt van snelkoppelingen. Het woord legt het zelf uit wat dit betekend. Hiermee kan je zorgen dat je iets snel kan koppelen met elkaar. Deze werden geplaatst omdat er iets zou kapot zijn dat we dit gemakkelijk kunnen vervangen. Zo moeten we niet beginnen opnieuw solderen maar kunnen we dit via enkele moeren los te draaien van de snelkoppelingen.

3.9 Terugslagklep Er werd gebruik gemaakt van 1 terugslagklep in de kring. Een terugslagklep zorgt ervoor dat de vloeistof maar langs een kant kan erdoor kan vloeien. Als je het schema bekijkt laat hij enkel door van rechts naar links. Of anders gezegd de vloeistof kan enkel vloeien met de witte pijl mee. De vloeistof mag maar langs een kant vloeien. Dit enkel van de collector naar de boiler en de hete luchtverwarmer.

3.10 Vat om te vullen met ontluchter Om het hele systeem te vullen werd er langs de bovenkant een vat geplaatst om de vloeistof er te laten inlopen. Hiernaast moesten we een ontluchter voorzien zodat alle lucht uit de leidingen kan ontsnappen. Ook kunnen we de ontluchter gebruiken als we het hele systeem weer willen laten leeglopen. Zo zal het vlugger gaan om de vloeistof uit de leidingen te laten lopen. Hiervoor werd er ook nog een kraan voorzien langs onderen aan het systeem. Dit kunnen we vergelijken met een fles water dat je wil leeggieten. Het zal rapper gaan als je er langs onderen een gaatje in maakt voor je ze omdraait om dan leeg te gieten.

Zonneboiler

24

3.11 Leidingen en vloeistof Alle onderdelen werden verbonden met koperen leidingen. In totaal werd er ongeveer 30 meter van gebruikt.

4 Onderdelen elektrisch gedeelte 4.1 Inleiding Zoals bij het vorig hoofdstuk bestaat het elektrische gedeelte ook uit verschillende onderdelen. Zo hebben we hier als onderdelen het zonnepaneel, de laadregeling en tegelijk controle van de batterijen, printplaatje met de controle van de temperatuur, 2 batterijen, omvormer en PLC. Ook hebben we hier de circulatiepomp en de ventilator van het verwarmingstoestel die voorzien moeten worden van elektriciteit.

4.2 De zonnecel De zonnecel (fig. 4.2.1.) is een elektrische cel dat zonlicht omzet in bruikbare elektrische energie. Er bestaan 2 soorten zonnecellen de fotovoltaïsche cel en de fotoelektrochemische cel. Wij gebruiken de fotovoltaïsche cel ook wel de PV-cel genoemd.

Zonneboiler

25

Fig. 4.2.1 schematische weergave van een zonnecel

4.2.1 Inleiding De elektriciteit dat ons paneel opwekt zullen we opslaan op batterijen. Doormiddel van eerst deze opgewekte spanning om te zetten in wisselspanning zullen we dan hiermee onze pomp, plc en de ventilator doen werken.

4.2.2 Werking Zonlicht bestaat uit energiepakketjes die ook fotonen worden genoemd. Deze energiepakketjes (fotonen) vallen in op de zonnecel. Aangezien het N- type aan de bovenzijde ligt van de zonnecel, waar het licht op invalt dus, zal deze energie worden gegeven aan de meerderheidsladingsdragers in het N- type. In het N- type zijn de meerderheidsladingsdragers elektronen, deze zitten normaal in de valentieband. Dit wil zeggen dat ze minder energie bevatten dan de valentie energie. Als men nu energie gaat toevoeren aan de elektronen zullen deze meer energie gaan bevatten dan de valentie energie. Deze zullen uiteraard niet kunnen blijven zitten en dus zo overspringen naar de conductieband. Nu staat er een spanningsverschil over de halfgeleider. De energie zal normaal afnemen van het elektron, en het elektron zal zo terugkeren naar de valentie band. Maar aangezien de zon meestal een constant energiebron is zal deze voortdurend energie aanvoeren. Zo zullen er meer elektronen tegelijk kunnen overspringen naar de conductieband. Hoe meer zon => hoe meer licht Zonneboiler

26

=> hoe meer energie => hoe meer elektronen die kunnen overspringen naar de conductieband. Hoe meer elektronen die er overspringen hoe meer stroom men geeft. Daarom zet men meerdere zonnecellen in serie, om zo toch noch aan een redelijke stroom te komen.

4.2.3 Oriëntatie Uit berekeningen blijkt dat de optimale heling voor België en Nederland 37° is ten opzichte van het aardoppervlak. Het beste zoveel mogelijk naar het zuiden gericht. Je zou nog een hoger rendement hebben als je paneel zou laten meedraaien met de zon.

4.2.4 Toepassingen 4.2.4.1 Ruimtevaart en ruimtetuigen

De eerste PV-cellen werden in de jaren 1950 ontwikkeld omdat men in de ruimte een energiebron wilde hebben. Men maakt daarbij gebruik van de groeiende technologie over de transistor. Het probleem was dat de opbrengst maar een paar procent van de opvallende zonne-energie was. Ook hadden ze al snel veel schade in de ruimte door het hoge stralingspeil. Men keek ook voorbij het feit dat er in het produceren van zo’n cel enorm veel energie gestopt moest worden. Je moest de cel ook erg lang gebruiken tegen dat je er voordeel kon uithalen. Maar voor de ruimtevaart was dit geen probleem. Ook voor communicatiesatellieten heeft

men een energiebron nodig en

zonnecellen zijn daarvoor het perfecte oplossingsmiddel, als je ook weet dat zonnepanelen geen onderhoud vereisen. De ruimte tuigen zijn dan ook uitgerust met de meest efficiënte, heel complexe en de duurste panelen. Deze panelen zijn te duur om op aarde te gebruiken, maar voor satellieten en andere ruimtetuigen geeft dat niet.

Zonneboiler

27

4.2.4.2 Aardse toepassingen

Er wordt ook meer een meer gebruik gemaakt van zonne-energie in de leefomgeving zelf. Ze zijn natuurlijk ook al een stuk verbeterd in vergelijking met de eerste cellen. Zonnecellen worden veel toegepast op plaatsen waren er geen netstroom loopt, of op een afgelegen plaats, zoals bijvoorbeeld: een oase in de woestijn, een berghut in de Alpen… Allemaal stuk voor stuk plaatsen waar het veel te duur om een hoogspanningsleiding te plaatsen. Ook toestellen met een laag verbruik worden voorzien van zonnecellen zoals zakrekenmachines, polshorloges en tuinverlichting, maar ook toestellen die iets meer verbruiken worden voorzien van zonnecellen zoals: parkeermeters, praatpalen, verkeerssignalisatie. Ook meer en meer worden huizen voorzien van zonnepanelen. Deze elektriciteit kan dan gebruikt worden binnenshuis en daar waar men energie te kort komt kan het net dan bijspringen.

4.2.5 Nadelen van zonne-energie en zonnecellen Er zijn jammer genoeg ook nadelen aan zonne-energie:

4.2.5.1 Zonne-energie is momenteel nog zeer duur. Vooral de productiekost zijn hoog in vergelijking met de opbrengst. Daarom is en breekt zonne-energie niet zo gemakkelijk door. Maar elk jaar daalt de prijs drastisch, Zonneboiler

28

dus in de toekomst zou de prijs minder mogen doorwegen. Ook al omdat olie, gas en andere fossiele brandstoffen duurder zullen worden op lange termijn. Maar dankzij de subsidies is het toch nog interessant om zonnepanelen te installeren op je dak.

4.2.5.2 Een zonnecel produceert enkel elektriciteit als de zon schijnt. Maar er is veel elektriciteit nodig als de zon niet schijnt. Zoals bijvoorbeeld: verlichting, verwarming… Men zou dus ook een goed systeem moeten kunnen ontwikkelen om de overige zonne-energie op te kunnen slaan in een soort buffer tot men ze nodig heeft.

4.2.5.3 Om

sommige

zonnecellen

te

produceren

heeft

men

milieuvervuilende producten nodig zijn. Maar de milieuvervuiling die erdoor wordt veroorzaakt is echter te verwaarlozen in vergelijking met de milieuwinst die de zonnecellen opleveren.

4.2.5.4 Als een zonnecel beschadigd raakt werken de andere ook niet meer. Als er één zonnecel van de fotovoltaïsche module kapot is moet het hele paneel vervangen worden. Dit is te verklaren doordat het in serie staat.

4.2.6 Het rendement van een zonnecel Een zonnecel wordt meestal gemaakt van één bepaald (halfgeleider)materiaal, bijvoorbeeld silicium. Zo’n materiaal is niet voor alle kleuren licht even gevoelig en een deel van het zonlicht gaat er zelfs dwars door heen. Anders gezegd: een zonnecel werkt optimaal voor één kleur licht. Licht wat “te rood” is gaat er doorheen (wordt niet geabsorbeerd) en wordt dus helemaal niet benut, licht wat “te blauw” is wordt maar voor een deel benut.( fig. 4.2.6.3 ) Dit is beter te begrijpen wanneer we ons realiseren dat licht bestaat uit energiepakketjes (fotonen). De energie van het pakketje bepaalt de kleur van het licht. Om een elektron in het materiaal los te maken, is het nodig dat het foton een minimale energie heeft. Is de energie te laag, dan wordt geen elektron losgemaakt. Is de energie hoger dan het benodigde minimum, dan wordt het overschot aan energie afgegeven in de vorm van warmte. Op die manier gaat ongeveer 55% van de energie in het licht verloren, zodat nog 45% resteert. Wanneer een elektron eenmaal is losgemaakt, heeft het de neiging weer terug te vallen naar zijn oude toestand (recombineren). Dit is zelfs in het beste materiaal niet helemaal te voorkomen en zorgt ervoor dat het rendement van een ideale, enkelvoudige cel niet

Zonneboiler

29

hoger

kan

zijn

dan

ongeveer

30%

(voor

materiaal

met

een

optimale

kleurgevoeligheid). De allerbeste –onbetaalbare- kleine zonnecellen hebben een rendement van 25% in het laboratorium. In commerciële productie wordt 6-16% gehaald. Dit grote verschil is een gevolg van het gebruik van goedkopere materialen (lagere

kwaliteit

en

niet-optimale

kleurgevoeligheid),

van

goedkopere

fabricageprocessen en van de grotere oppervlakte van de cellen en de modules. Er zijn twee methoden om het rendement van zonnecellen ter verhogen boven het genoemde maximum van 30% voor een enkelvoudige cel. In de eerste plaats kan de kleurgevoeligheid worden verbeterd door twee of drie verschillende materialen te stapelen. We spreken in zo’n geval van een tandem. De kleurverliezen nemen dan af van 55% naar ongeveer 40-45%, zodat 55-60% van de energie resteert. De gevolgen van recombinatie kunnen worden verminderd door domweg meer elektronen los te maken (“de pomp harder zetten terwijl het lek gelijk blijft”). Dit kan door de cel te belichten met geconcentreerd zonlicht (bijvoorbeeld 100x) onder een soort lens of met spiegels. In combinatie met het gebruik van een drievoudige tandem geeft dit een theoretisch maximum rendement van ongeveer 50%. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit soort heeft een rendement van 33%. De cellen die nu momenteel verkrijgbaar zijn met het hoogste rendement zijn:

monokristallijn silicium (fig. 4.2.6.1) met een rendement van 13-16%

Fig. 4.2.6.1 monokristallijn silicium

multikristallijn silicium (fig. 4.2.6.2) met een rendement van 12-14%

Zonneboiler

30

Fig. 4.2.6.2 multikristallijn silicium

Fig. 4.2.6.3 nuttig zonlicht

4.2.7 Waarom zo’n een kleur

De kleur van de zonnecellen worden bepaald door de antireflectie laag die wordt aangebracht op het silicium. Het is eigenlijk de dikte van de reflectie laag die de kleur bepaald van je zonnecel. Bij de optimale dikte oogt je zonnecel blauw. Dus om een andere kleur te bekomen wordt de dikte aangepast (

fig. 4.2.7.1 ). Deze anti-

reflectielaag, is een enkele miljoenste millimeter dunne, transparante laag, die opbrengstverliezen door weerkaatsing van het zonlicht tegengaat. Licht dat door het oppervlak van de zonnecellen wordt gereflecteerd kan niet worden opgevangen, waardoor minder stroom wordt omgezet. De anti-reflectielaag zorgt vandaar voor een verhoogde opname van zonlicht en zodoende een hogere werkingsgraad.

Zonneboiler

31

Fig. 4.2.7.1 : soorten kleuren van een zonnecel

4.2.8 Subsidies Ja, er werd een systeem op 1 januari 2006 door de Vlaamse overheid gestart. Namelijk een productiesteun voor elektriciteit uit fotovoltaïsche zonnepanelen. Voor elke 1000 kWh opgewekt met zonnepanelen ontvangt de eigenaar een groenestroomcertificaat. Elk certificaat kan vervolgens bij de netbeheerder ingeruild worden tegen een gegarandeerde waarde van 450 € gedurende 20 jaar vanaf de inwerkstelling van de installatie.

4.2.9

Onderverdeling van fotovoltaïsche cellen

Zonnecellen (fig. 4.2.9.1 ) staan in gegroepeerd in een module (fig. 4.2.9.2 ). De zonnecellen staan hier allemaal in serie. Deze modules kunnen ook gegroepeerd worden tot strings (fig. 4.2.9.3 ) . Deze strings worden ook in serie met elkaar gezet.

Fig. 4.2.9.1 zonnecel

Zonneboiler

32

Fig. 4.2.9.2 module

Fig. 4.2.9.3 Strings

4.2.10 Metingen op ons zonnepaneel.

We hebben metingen gedaan met ons zonnepaneel op woensdag 28 maart 2007. We deden deze metingen eens toen het bewolkt was, toen de zon scheen om 10 uur en tenslotte nog eens dat de zon scheen om 11 uur 30.

Zonneboiler

33

Metingen onder een hoek van 45°

Bewolkt 45° Stroom (mA)

500

20

0

400

19,2

195

18,8

250

18,3

300

17,7

350

100

16,3

400

0

14

450

6

470

Tabel 4.2.10.1: meetresultaten

stroom (mA)

Spanning (V)

300 200

0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.1: meetresultaten in een grafiek

Zonneboiler

34

Spanning (V)

Stroom (mA)

20,9

0

20,5

220

20,5

250

1400

20,3

300

1200

20,2

350

20,1

400

19,8

450

19,6

500

200

19

550

0

18,6

600

18,2

650

18,8

700

19

750

18,9

800

19,9

850

18,7

900

18,6

950

18,4

1000

17,4

1100

15,5

1200

1,4

1300

stroom (mA)

Zon 45° (10u)

1000 800 600 400

0

5

10

15

20

25

spanning (V)



Zonneboiler

35

Spanning (V)

Stroom (mA)

20,3

0

20

210

19,8

310

19,6

500

19,3

750

18,9

1000

18,6

1240

18,2

1500

17,6

1750

16,8

2000

14,6

2260

1,2

2360

Zon 45° (11u30) 2500

stroom (mA)

2000

1500

1000

500


0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)


Zonneboiler

36

Metingen onder een hoek van 90° (verticaal)

Bewolkt 90° 500

Spanning (V)

Stroom (mA)

20

0

19

200

18,5

250

17,9

300

100

17

350

0

15

400

4,5

450


stroom (mA)

400 300 200

0

5

10

15

20

25

spanning (V)


Spanning (V)

Stroom (mA)

20,6

0

20,3

220

20,2

300

20

400

19,8

500

19,7

600

19,4

700

1600

19,2

800

1400

19

900

1200

18,7

1000

18,3

1100

17,8

1200

16,9

1300

15,3

1400

3,5

1470

stroom (mA)

Zon 90° (10u)

1000 800 600 400 200


0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.5: meetresultaten in een grafiek Zonneboiler

37

Stroom (mA)

20

0

19,7

210

19,5

400

19,3

600

19

800

18,7

1000

18,3

1250

17,7

1500

17

1740

14,1

2000

0,9

2100

Zon 90° (11u30) 2500 2000 stroom (mA)

Spanning (V)

1500

1000 500 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)



Metingen onder een hoek van 0° (horizontaal)

Bewolkt 0° Stroom (mA)

600

20

0

500

19,1

200

19

250

18,5

300

18

350

100

17

400

0

15

450

4,6

500

stroom (mA)

Spanning (V)

400 300 200

0


5

10

15

20

25

spanning (V)


Zonneboiler

38

Stroom (mA)

19,9

0

19,5

210

19,3

300

19

400

18,6

500

18

600

17,1

700

14,1

800

3,7

830

Zon 0° (10u)

stroom (mA)

Spanning (V)

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)



Zon 0° (11u30) 1600

Spanning (V)

Stroom (mA)

19,5

0

19,3

210

19

400

18,7

600

18,2

810

17,7

1000

200

16,8

1210

0

14,6

1420

5,2

1500

1400


stroom (mA)

1200 1000 800 600 400

0

5

10

15

20

25

spanning (V)


Zonneboiler

39

Uit onze metingen kunnen we besluiten dat de zonnestralen een grote invloed hebben. Ook zien we dat ons paneel best onder een hoek van 45° staat om een optimale stroom te hebben. In figuur 4.2.10.2 zien we plots een onaardige vorm in onze grafiek. Deze vorm kunnen we verklaren doordat er plots toch een klein beetje meer zon was. We zien ook dat we om 11 uur 30 al 1 ampère meer kregen of om 10 uur. De kracht van de zon was dan ook veel sterker. Om 11 uur 30 zagen we ook het grote verschil tussen de verschillende hoeken die we onze zonnepaneel gezet hadden. We kregen een kleine ampère minder toen we ons paneel verticaal of horizontaal zetten. We hielden achteraf ook nog eens ons paneel ondersteboven op een meter van de grond. Toen hadden we nog een spanning van 17V maar kregen we maar een heel kleine stroom. We kunnen hieruit besluiten dat de opgewekte spanning bekomen werd door de weerkaatste zonnestralen van de grond en dat een zonnecel dus lichtgevoelig is.

Zonneboiler

40

4.3 Laadregelaar 4.3.1 Inleiding Onze laadregelaar die wij gebruiken om onze batterijen op te laden is er één dat we zelf ontwerpt hebben. De laadregelaar zorgt ervoor dat onze batterijen worden opgeladen. Dit wordt allemaal nog eerst gestuurd door de PLC. Ook is de laadregelaar tegelijk een controle om te zien hoeveel spanning er ongeveer nog over de batterij staat.

4.3.2 Werking Op onderstaand schema ( fig. 4.3.2.1 ) zie je hoe de laadregelaar is uitgebouwd en uit welke verschillende componenten deze bestaat.

Fig. 4.3.2.1 Schema laadregelaar

Zonneboiler

41

Het schema bestaat uit verschillende elementen. Zo hebben we verschillende weerstanden, 4 opamps, 3 zenerdiodes, 2 transistoren, 2 relais en tenslotte nog 4 leds. Waarvan er 1 rode is, 2 gele en 1 groene. Met deze leds wordt getoond hoeveel spanning er nog over onze batterij staat. Hoe meer leds er gaan branden hoe meer spanning er nog over de batterij staat. We moesten er dus voor zorgen dat we dat bij verschillende niveaus konden gaan bepalen dat er een led meer of minder gaat gaan branden. Om verschillende spanningen te gaan vergelijken weten we dat een opamp hiervoor het best geschikt is. We zorgden doormiddel van een zenerdiode dat we aan de negatieve ingang van iedere opamp een constant spanning hadden. In ons geval is dit een spanning van 3,3 volt. Aan de positieve ingang van iedere opamp hebben we telkens een andere waarde zodat we verschillende niveaus hebben. Om van de ene opamp een andere spanningswaarde te hebben in vergelijking met de andere moesten we dus tussen twee positieve ingangen van de opamps een weerstand schakelen. De opamp vergelijkt dan de twee verschillende ingangen ten opzichte van elkaar. Het spanningverschil (Vd) ertussen wordt verkregen door de spanning aan de positieve klem (V1) min de spanning aan de negatieve klem (V2) te doen ( fig. 4.3.2.2).

Fig. 4.3.2.2 Spanningverschil opamp

Is dit verschil negatief dan zal de opamp de spanning oneindig maar vergroten. Maar het is vanzelfsprekend dat deze spanning niet kleiner kan gaan dan de kleinste waarde die je eraan geeft. In ons geval is dat een spanning van 0 volt. Maar de spanning zal nooit helemaal gaan tot 0 volt maar wel iets van 0,5 volt. Omgekeerd geldt hetzelfde. Als het verschil tussen de positieve en negatieve spanning van opamp positief is dan wordt deze ook oneindig maal vergroot maar ken weer niet groter zijn dan de maximum waarde die we er aan geven. In ons geval is deze gelijk aan de batterijspanning. Weer zal dat maximum niet weer perfect zijn maar ongeveer een 0,5 volt lager. Een opamp zal kijkt altijd naar de spanning van de ten opzichte van de ground. Zonneboiler

42

Na iedere opamp is er telkens een led geplaatst. Elk led is voorzien van een voorschakel weerstand. Van de opamp staat er dus nog enkel een weerstand en daarna het led en dan verbonden met de ground. Om het led te doen opwekken moeten we dus bij de uitgang van de opamp de batterijspanning krijgen. We wilden ook dat het rode led enkel oplichtte dat er dan een relais aangetrokken wordt en dit signaal heeft aan de plc en deze zorgt er dan voor dat de batterij geladen wordt. Als alle leds opgelicht zijn dan moest er gezorgd worden dat er ook een signaal gestuurd wordt naar de plc en deze er dan voor zorgde dat de batterij niet meer verder geladen wordt. De relais worden aangetrokken als ze de batterijspanning krijgen van de opamp. Omdat we gebruik maken van een transistor moeten we zorgen dat onze basisstroom niet te groot is. We weten dat we bij het led een stroom hebben van ongeveer een 20 mA dus moeten we zorgen dat deze ongeveer een 10 maal kleiner is. Daarom hebben we een weerstand gezet die 10 maal groter was of voor het ledje. We weten ondertussen al dat het een negatief verschil is tussen de 2 ingangen dat we dan zouden de minimum spanning moeten krijgen van 0 volt maar dat dit niet zo is maar wel ongeveel 0,5 volt. Daarom hebben we eerst nog moeten een zenerdiode voorplaatsen zodat deze die spanning kan opvangen en dat onze relais hier niet aangetrokken wordt maar wel enkel als het led oplicht.

4.3.3 Niveaus De batterijspanning die wij wilden liggen tussen 11,5 volt en 13 volt. Omdat we verschillende leds hebben hebben we dit verschil nog eens opgedeeld. Zo kwamen we aan de volgende niveaus: Rood led licht op bij 11,5 volt 1ste geel led licht op bij 2de geel led licht op bij Groen led licht op bij

Zonneboiler

43

4.4 Temperatuurregeling 4.4.1 Inleiding Omdat we enkele de vloeistof moeten laten circuleren als de temperatuur warmer is in de zonnecollector dan in de boiler of de hete luchtverwarmer hebben we een schakeling die werkt met deze temperaturen. Deze signalen die we krijgen aan de uitgang worden weer eerst naar de plc gebracht en deze heeft dan de opdrachten aan de circulatiepomp.

4.4.2 Werking Het schema van de temperatuurregeling zie je op onderstaande figuur ( fig. 4.4.2.1.). Het schema bestaat weer uit verschillende componenten. Zo hebben we verschillende weerstanden. Ook hebben we hier weerstanden die veranderen afhankelijk van de temperatuur. Een opamp vergelijkt hier weer 2 spanningen.

Fig. 4.3.2.1 Schema temperatuurregeling

Op bovenstaand schema zien we dat we gebruik gemaakt hebben van 3 NTC weerstanden. NTC dit wil zeggen negatieve temperatuurscoëfficiënt. Naarmate de temperatuur stijgt of daalt zal de waarde van de weerstand veranderen.

Als de

temperatuur stijgt dan zal de waarde van de weerstand dalen.

Zonneboiler

44

4.5 Cirulatiepomp 4.5.1 Inleiding De circulatiepomp vinden we veelal terug in een netwerk van centrale verwarming. Deze zorgt ervoor, voor het rond circuleren van de vloeistof in de leidingen van de verwarmingsketel naar de radiators. Meestal hebben deze pompen ook een laag vermogen. Dit is omdat het enkel de vloeistof moeten doen circuleren is en niet oppompen. Pompen die moeten een vloeistof oppompen hebben veel meer vermogen nodig. Pompen voor circulatie zijn ook meestal, om niet te zeggen altijd, centrifugaal pompen. De circulatiepomp die wij gebruiken is ook een centrifugaalpomp. Vandaar gaan we verder de volledige werking van de centrifugaalpomp bespreken.

4.5.2 Constructie Een centrifugaalpomp bestaat voornamelijk uit een pomphuis, een waaier en een motor. Hiernaast heeft men ook nog twee soorten types van centrifugaalpompen. Het natte type en het droge type. Het verschil tussen deze twee is, dat bij een nat type de vloeistof die gecirculeerd wordt ook in en tussen de motor kan. Bij het droge type is dit niet het geval, de vloeistof kan niet bij de motor geraken. Deze soort pompen zijn wel wat duurder vanwege het moeilijk te kunnen dichten. Beide motoren hebben voordelen. Zo heb je bij een nat type een continue koeling voor je motor en door de vloeistof rond de motor heb je ook een demping van het geluid. Een voordeel dan weer voor het droge type is, dat als het geen vloeistof aan de motor kan, er ook geen vuiligheid van in het water de motor kan doen vastlopen. Denk hieraan maar eens aan het kalk in het water. Kalkdeeltjes kunnen je motor vastzetten als je deze een tijd niet gebruikt. Ook omdat de motor een laag vermogen en dus een klein koppel heeft om zichzelf los te draaien. Indien je motor vastzit kan dit eenvoudig verholpen worden, met aan het uiteinde van de motor eens enkele keer te draaien door middel van bijvoorbeeld een schroevendraaier.

De motor die gebruikt word is een asynchrone

motor. De werking van deze motor zal later uitgelegd worden. Ook een belangrijk onderdeel van een centrifugaalpomp is de waaier. Dit is een soort van schroef die dus aan de motor gekoppeld is. Men heeft ook verschillende soorten waaiers. Deze zijn er naargelang de vuiligheid die zich in de loeistof bevind. Een gesloten waaier wordt gebruikt bij zuivere vloeistoffen. Deze heeft ook het hoogste rendement. Daarnaast heb je ook een halfopen waaier. Deze is voor vloeistoffen die licht verontreinigt zijn of

Zonneboiler

45

zandhoudend water. Het rendement is lager, omdat de schoepen het water minder begeleiden. Als laatste heb je ook nog de open waaier. Deze is voor sterk verontreinigde stoffen. Bij deze waaier is het rendement het laagst. Indien men een te grote leidingweerstand heeft voor een centrifugaalpomp met 1 waaier, bestaan er ook centrifugaalpompen met meerdere waaiers. Dit is dan een meertrapscentrifugaalpomp.

Fig centrifugaalpomp (nat type)

4.5.3 Werking De naam ‘centrifugaalpomp’ verraad eigenlijk al grotendeels de werking van zo’n pomp. Het heeft dus te maken met de centrifugaal krachten of de middelpuntvliedende krachten. Eerst en vooral weten we dat het water van onderaan komt. Door de waaier die ronddraait wordt een centrifugaal kracht ontwikkeld. Hierdoor zal het omringende water naar buiten worden geslingerd. Door dit effect ontstaat er een onderdruk in het midden van de waaier. Hier zal dus nieuwe vloeistof worden aangezogen, die van onderaan komt. Opnieuw door de middelpuntvliedende kracht zal deze naar buiten geslingerd worden, naar boven opnieuw de leidingen in. Men heeft ook constructies waarbij de vloeistof van bovenaan toekomt en weggestuurd wordt naar onder. Een

Zonneboiler

46

voordeel van deze kan zijn, dat de zwaartekracht minder tegenwerkt, dan dat het water naar boven gestuurd wordt.

Fig stroomzin van het water

4.5.4 De motor De motor die veelal gebruikt wordt bij centrifugaalpompen is een eenfasige asynchrone motor, ook wel inductiemotor genoemd. Dit is omwille van enkele grote voordelen van een asynchrone motor ten opzichte van andere motoren. Een asynchrone motor heeft een relatief eenvoudige constructie en vergt weinig onderhoud. Bovendien is deze motor bedrijfszeker en niet duur. Ook een voordeel is, dat je bij een asynchrone motor geen sleepringen hebt. De asynchrone motor is eigenlijk een kooiankermotor of kortsluitmotor. Deze naam omdat de rotor geen enkele verbindingen heeft met andere elementen om elektriciteit erdoor te sturen. Dus alle spanningen die opgewekt worden in de rotor worden kortgesloten. De rotor bestaat uit ankerplaten die aan de omtrek voorzien zijn van gleuven. Hierin zijn dan rotorstaven aangebracht. Indien men een stroom op de veldwikkelingen zet van de stator, zullen er velden ontstaan. De rotor staven zullen deze snijden en een elektromotorische kracht opgewekt worden. Doordat de rotorgeleiders kortgesloten worden zullen er inductiestromen vloeien. De zin van de inductiestromen is zodanig gericht dat het zijn oorzaak van zijn ontstaan zal Zonneboiler

47

tegenwerken. Het ontstaan ervan is het snijden van veldlijnen. De rotor zal dus zo draaien, dat hij zal proberen geen veldlijnen meer te snijden. Deze zal dus meedraaien met het elektrische stator draaiveld. Maar indien de rotor dezelfde hoeksnelheid draait als het elektrisch draaiveld, worden er geen veldlijnen meer gesneden worden. Zal er geen elektromotorische kracht meer ontwikkeld worden, zal er geen inductiestroom meer vloeien en zal de rotor dus niet meer tegenwerken. Dit wil dus wel zeggen dat de rotor gaat vertragen en dan opnieuw veldlijnen gaat snijden. De stator bevat een eenfasenwikkeling, maar hierdoor ontstaat er geen draaiveld. Wat er wel ontstaat is een wisselveld. Dit wel zeggen dat je fluxveld wel veranderd van grootte en zin, maar niet van richting. Het wisselveld zelf, bekomen door de statorstroom kan ontbonden worden in twee even sterke denkbeeldige draaivelden. Deze zijn tegengesteld aan draaizin maar gelijk van amplitude en rotatiefrequentie. De amplitude hiervan is de helft van het volledige wisselveld. (fig)

Op de figuren worden de denkbeeldige draaivelden voorgesteld als vectoren met de namen Ф1 en Ф2. Deze twee denkbeeldige draaivelden wekken allebei een elektromotorische kracht op, waardoor er een inductiestroom ontstaat. Hierbij ontstaan ook 2 koppels van krachten. Bij een stilstaande motor heb je ook twee koppels van krachten, maar deze zijn dan wel gelijk aan elkaar. Hierdoor zal de motor uit zichzelf niet op hang komen. (fig)

Zonneboiler

48

fig Indien je motor met de hand in de ene of andere zin op gang brengt is het resulterend koppel niet meer nul en zal de motor als de lanceersnelheid groot genoeg is, blijven draaien. Deze manier van de motor op gaan te brengen werd vroeger gebruikt, maar de nu start de motor zelf met draaien dankzij de hulppolen wikkeling. Door je stromen 90 graden te draaien ontstaat er zo een draaiveld. Deze faseverschuiving kan je bekomen door de motor uit te rusten met een capaciteive aanloopfase, hem uit te rusten

met

een

inductieve

aanloopfase

of

hem

uit

te

rusten

met

een

weerstandsaanloopfase. Meestal wordt er een condensator op het motorhuis geplaatst. Dit is onder andere een goeie manier aan je motor te laten aanlopen + je cosinus Ф van je motor verbeterd. Deze condensator wordt dan in serie geschakeld met je hulppolen. De schakeling staat parallel op je stator veldwikkeling. Doordat je condensator ervoor zorgt dat je stroom voorijlt, ontstaat er zo een draaiveld. Bij de ene machine laat men dan de hulppolen wikkeling uitschakelen om het verbruik van de motor te laten dalen. Bij de andere motor laat men hem erin vanwege of schakelt men over op een andere condensator om een betere cosinus Ф te bekomen. Men kan ook een aanloopfase ontwikkelen door de hulppolen zeer inductief te maken. De hoek tussen het ontwikkelde aanloopveld en je hoofd draaiveld is hier wel minder dan 90 graden verschoven. Hierdoor heb je weel een kleiner aanloopkoppel. Naast deze twee methoden om je motor te laten aanlopen heb je ook een derde manier. Door in de kring van je hulppolen een weerstand te plaatsten, deze zorgt een verandering van impedantie. Door een weerstand bij je hulppool te plaatsen, wordt de stroom in deze kring voorijlend ten opzichte van de stroom van de hoofd wikkeling. Hierdoor kan er opnieuw een draaiveld ontstaat, waardoor dus je motor aanloopt. Het omkeren van de van de draaizin van de motor kan je bekomen door de stroom in je hoofd- of hulpwikkeling om te keren. Hierbij wordt meestal de stroomzin van je hulpwikkeling omgekeerd. (fig)

Zonneboiler

49

Fig Bij deze manier moet je wel je aansluitingen veranderen van je hulppolen. Er is echter ook een andere manier waarbij je met een eenvoudige schakelaar kan kiezen welke draaizin de motor moet hebben. (fig 9.11)

Fig Hierbij is het hetzelfde principe van schakelingen als in het voorgaande. Wel kan hier elke wikkeling dienen als hoofdwikkeling of als hulpwikkeling. Hierbij wordt de gebruikte condensator wel de hele tijd gebruikt, ook na het aanlopen van de motor. Indien de je de schakelaar in stand L zet, zal L1 rechtstreeks verbonden zijn met de spanningsdraden L en N. Dit wil dus zeggen dat L1 als hoofdwikkeling dient. Ook staat hier L2 nu is serie met de condensator, en wil dit zeggen dat L2 als hulpwikkeling Zonneboiler

50

dient. Dit wil dus zeggen dat het opgewekte veld 90 graden zal voorijlen. Hier bij zal een draaiveld verkregen worden. Indien je de schakelaar in de stand R zet zal, L2 nu de hoofdwikkeling worden en L1 de hulpwikkeling. Hierbij zal ook de draaizin van de motor veranderd zijn ten opzicht van de vorige stand van de schakelaar. Indien men een 3 fasen asynchrone motor heeft liggen, kan men deze ook aansluiten op een eenfasig net. Dit kan bekomen worden door de 2 lijndraden die men heeft van zijn eenfasig net aan te sluiten op 2 van de 3 eindpunten van de motor. Met het derde uiteinde van je 3 fasen motor ga je met een condensator ertussen terug naar 1 van de 2 andere benen van je motor. Ook is het zo indien je wisselt van aansluiten van je derde uiteinde met ertussen een condensator naar het andere been van je motor, zal de draaizin ook veranderen. Dit geldt zowel voor ster als driehoek. (fig 9.15)

Fig

4.5.5 Type De pomp die wij gaan gebruiken is een Grundfos pomp met het type UPS 25 -60 -180. De 2 letters ‘UP’ in de naam van de pomp staan voor circulatiepomp. De letter ‘S’ die er bij staat heeft aan dat het apparaat elektrisch is. Het getal ’25’ in de naam staat voor de nominale diameter van de zuiging en de lossingkamer. De betekenis van ‘60’ is de naam, is de maximale opvoerhoogte van de pomp uitgedrukt in decimeters. De 180 staat voor 180mm, dit is de inbouwmaat of kortweg de lengte van de pomp. Verder kan deze pomp een druk leveren van maximaal 1 MPa of 10 bar. Ook is terug te vinden dat het water die erdoor gestuurd wordt, maximaal 110°C mag hebben. Dit staat vermeld in de naam TF110. Wat ook af te lezen is, dat de pomp werkt op 230V wisselspanning met een frequentie van 50Hz. Op deze circulatiepomp heeft men ook 3

Zonneboiler

51

mogelijke toerentallen. Aangezien het een asynchrone motor is hebben we een condensator nodig als we op een eenfasig net willen werken. Deze waarde is ook terug te vinden op de kenplaat, namelijk 2.5µF. Ook zien we dat deze pomp zich bevind in de veiligheidsklasse IP44. IP staat hier voor International Protection. Na deze 2 letters kunnen er 2 of 3 cijfers volgen. Het eerste is in verband met de stofdichtheid, het tweede met vloeistofdichtheid en het derde met de slagvastheid. Hoe hoger het cijfer, hoe

beter

het

apparaat

beschermd

is.

Ook

vindt

men

terg

dat

de

omgevingstemperatuur maximaal 80°C mag zijn. Deze pomp een maximaal debiet kunnen leveren van rond de 3.6m³/h. Het pomphuis zelf is gemaakt uit gietijzer, de waaier van de pomp bestaat dan uit composiet.

Stand van de

Het vermogen

De stroom

toerentallen

(W)

(A)

1

45

0.20

2

65

0.30

3

90

0.40

Druk

Pascal

Pa of N/m²

Temperatuur

Graden Celsius

°C

Elektrische capaciteit

Farad

F

Vermogen

Watt

W

Stroom

Ampère

A

=> 10 000Pa = 1 bar

Zonneboiler

52

1 De commerciële zonneboiler

Recommend Documents