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

Fig. 1.2.4: een spiraalwarmtewisselaar

Zonneboiler

4

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 opwarmt 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 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 Zonneboiler

5

Fig. 1.3.2: zonneboiler met externe naverwarmer

Fig. 1.3.3: de compacte zonneboiler

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.

Zonneboiler

6

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. Verdere prijzen van de firma suntecnics werden bijgevoegd in bijlage 1.

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 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

7

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

8

Fig. 2.2.1: Schema sanitair gedeelte

Zonneboiler

9

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 te 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 in 2 batterijen. Dit gebeurd doormiddel van een laadregelaar. De batterijen worden gecontroleerd door een schakeling die zelf ontworpen werd. Op de printplaat staan verschillende ledjes waarmee we ongeveer kunnen zien hoeveel spanning er nog over de batterij staat. Ook zijn er 2 relais die signalen geven aan de PLC die deze dan verwerkt en zo de laadregelaar laat werken als het nodig is. Er wordt altijd één batterij opgeladen terwijl de andere wordt gebruikt. De omschakeling tussen de batterijen wordt geregeld door de PLC. De omvormer, die onze batterijspanning omzet naar een wisselspanning staat altijd achter de batterij die wordt gebruikt. Deze wisselspanning voorziet de circulatiepomp, PLC en de ventilator van de hete luchtverwarmer van een spanning van 230 volt. Omdat onze temperatuurregeling werkt op een gelijkspanning moesten we de wisselspanning

weer

gelijkrichten.

Deze

gelijkspanning

werd

voor

de

temperatuurregeling getransformeerd naar een spanning van 12 volt. En onze sensoren die we gebruiken om de stand van de kranen te controleren moesten voorzien zijn van een gelijkspanning van 24 volt. Deze sensoren werden eveneens aangesloten aan de ingangskaart van de PLC.

Zonneboiler

10

Fig. 2.3.1: Schema elektrisch gedeelte

Zonneboiler

11

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

12

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

13

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

14

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. 3.2.4.1 )

Zonneboiler

15

Fig. 3.2.4.1 : 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

16

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 expansievaten

Zonneboiler

17

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

18

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

19

3.4 De circulatiepomp De circulatiepomp werd helemaal besproken in het hoofdstuk over de onderdelen van het elektrisch 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 (fig. 3.5.2.1). 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

20

Fig. 3.5.2.1: platenwarmtewisselaar

3.6 Hete luchtverwarmer 3.6.1 Inleiding

De hete luchtverwarmer (fig. 3.6.1.1) 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.

Fig. 3.6.1.1: hete luchtverwarmer

Zonneboiler

21

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 (fig. 3.6.2.1). 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.

Fig. 3.6.2.1: warmtewisselaar hete luchtverwarmer

Zonneboiler

22

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.

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 Zonneboiler

23

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.

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. Op de terugslagklep zelf zien we de richting waarin hij loopt door de pijl die er opstaat.

Zonneboiler

24

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 (fig. 3.10.1). 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 (fig. 3.10.2). 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. Dit vat heeft een diameter van 13 centimeter en een hoogte van 17 centimeter. Om het hele systeem te vullen moest dit 2 keer helemaal gevuld zijn. Dit twee maal tot op 2 cm van boven.

Fig. 3.10.1: vat om te vullen met ontluchter

Fig. 3.10.2: aflaatkraan

Zonneboiler

25

3.11 Leidingen en vloeistof Alle onderdelen werden verbonden met koperen leidingen. In totaal werd er ongeveer 30 meter van gebruikt. De verbinden werden gemaakt door koppelstukjes. Deze stukjes worden langs beide kanten over de koperen buizen geschoven en dan werd dit doormiddel van hardsoldeer vast bevestigd. Dit is opwarmen met een gasvlam en dan met tin laten vloeien zodat het mooi dicht vloeit. De vloeistof die werd gebruikt van glycol van het automerk mitsubiti. In totaal hebben we hier ongeveer 4 liter van moeten gebruiken.

Zonneboiler

26

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 laadregelaar, printplaatje om de batterijen te controleren, 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.

Fig. 4.2.1: schematische weergave van een zonnecel

Zonneboiler

27

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 => 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 hogere spanning 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.

Zonneboiler

28

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 (fig. 4.2.4.1.1). 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.

Fig. 4.2.4.1.1: zonnepanelen in de ruimte

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

Zonneboiler

29

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

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, 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.

Zonneboiler

30

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 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

Zonneboiler

31

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%

Fig. 4.2.6.2: multikristallijn silicium

Fig. 4.2.6.3: nuttig zonlicht

Zonneboiler

32

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.

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.

Zonneboiler

33

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

Fig. 4.2.9.2: module

Fig. 4.2.9.3: strings

Zonneboiler

34

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.


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

35

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)

Fig. 4.2.10.2: meetresultaten in een grafiek

Tabel 4.2.10.2: meetresultaten

Zonneboiler

36

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

Tabel 4.2.10.3: meetresultaten

0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.3: meetresultaten in een grafiek

Zonneboiler

37


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

Tabel 4.2.10.4: meetresultaten

stroom (mA)

400 300 200

0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.4: meetresultaten in een grafiek

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

Tabel 4.2.10.5: meetresultaten

0 0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.5: meetresultaten in een grafiek Zonneboiler

38

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)

Fig. 4.2.10.6: meetresultaten in een grafiek

Tabel 4.2.10.6: meetresultaten


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

Tabel 4.2.10.7: meetresultaten

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.7: meetresultaten in een grafiek

Zonneboiler

39

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)

Tabel 4.2.10.8: meetresultaten

Fig. 4.2.10.8: meetresultaten in een grafiek

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

Tabel 4.2.10.9: meetresultaten

stroom (mA)

1200 1000 800 600 400

0

5

10

15

20

25

spanning (V)

Fig. 4.2.10.9: meetresultaten in een grafiek

Zonneboiler

40

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

41

4.3 Controle en omschakeling van batterijen 4.3.1 Inleiding Er werd een printplaat gemaakt die de batterijen controleert en tegelijk signalen heeft aan de PLC die zo zorgt dat de batterij opgeladen wordt of dat er moet gestopt worden met verder op te laden. De batterij wordt tegelijk gecontroleerd. Hoe meer spanning erover de batterij staat hoe meer leds er oplichten. Dit werd tweemaal gemaakt. Dit omdat we dus 2 batterijen hebben.

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

Fig. 4.3.2.1 Schema laadregelaar

Zonneboiler

42

Het schema bestaat uit verschillende elementen. Zo hebben we verschillende weerstanden, 4 opamps, , een zenerdiode, 4 transistoren, 2 relais en tenslotte nog 4 leds. Waarvan er 1 rode is, 2 gele en 1 groene. Met deze leds kunnen we zien 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 spanningniveaus meer of minder leds konden doen 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 de gewenste verschillende niveaus hadden. Om aan de verschillende opamps 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. Omdat wij gebruik maken van real-to-real opamps (LMC64) hebben we geen probleem dat ze de minimum spanning niet kunnen geven. Deze real-to-real opamps geven dus een perfecte 0 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 kan weer niet groter zijn dan de maximum waarde die we er aan geven. In ons geval is deze gelijk aan de batterijspanning. Een opamp kijkt altijd naar de spanning ten opzichte van de ground. Zonneboiler

43

Na iedere opamp werd er telkens een transitor geplaatst. In ons geval worden de transistoren gebruikt als verstekkers. Ze versterken onze stroom. Er werd gebruik gemaakt van verschillende transistoren. Zo gebruiken we bij de relais de TIP 31C. We namen deze omdat deze een grote stroom kunnen leveren. We weten namelijk nooit welke relais we moeten kunnen aantrekken. Deze transistoren kunnen gaan tot 4 ampère. Bij de 2 gele leds moeten we geen relais aantrekken en hebben we dus andere transistoren genomen. Deze transistoren zijn BC741. Voor iedere transistor werd er een weerstand geschakeld. Dit werd gedaan omdat de stroom aan de basis niet te groot zou zijn. Bij elk led werd ook een voorschakel weerstand geplaatst. Om de transistor te doen geleiden moeten we spanning krijgen van de opamp. In ons geval zal dat altijd de batterijspanning krijgen. Als het rode led wordt opgelicht dan trekt de relais ook aan. Deze relais heeft een signaal aan de PLC die hiermee dan rekening houdt dat de batterij opgeladen moet worden. Als de batterij aan het laden is zullen we zien dat er meer en meer leds gaan branden. Dit omdat ons spanningsniveau stijgt. Als het groene led oplicht wordt er ook een relais aangetrokken die dan ook weer een signaal heeft aan de PLC die er dan voor zal zorgen dat de batterij niet meer verder wordt opgeladen.

4.3.3 Niveaus De verschillende niveaus van de batterijspanning die wij wilden liggen tussen 11,2 volt en 13 volt. Omdat we verschillende leds hebben we dit verschil nog eens opgedeeld. Zo kwamen we aan de volgende niveaus:
Rood led licht op bij 11,2 volt
1ste geel led licht op bij 11,8 volt
2de geel led licht op bij 12,4 volt
Groen led licht op bij 13 volt

Zonneboiler

44

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

Als

stijgt

dan

zal

de

waarde Zonneboiler

van

de

weerstand

dalen.

je 45

weerstandswaarde veranderd weten we dat de spanning over deze weerstand ook zal veranderen. Hoe groter de weerstandswaarde wordt hoe groter de spanning erover zal komen. Zo zal aan de ingang van onze opamp verschillende spanningen toekomen. Deze vergelijkt de 2 ingangen en vergroot het verschil tussen de positieve en negatieve ingang oneindig maal. Tot aan de maximum spanning van 12 volt. Als het nu omgekeerd zou zijn dat de negatieve ingang groter is dan de positieve dan zal dit ook oneindig maal vergroot worden en dus de minimum spanning van 0 volt. De opamp die we hier gebruiken zal niet perfect deze uitersten geven. Omdat de minimum spanning niet 0 volt maar 0,5 volt zal zijn moeten we zorgen dat de relais ook al niet aantrekt bij deze spanning. Daarom plaatsten we na de opamp een zenerdiode van 3,3 volt. Over deze moet er eerst zo een spanning overstaan voor deze geleidt. Voor de transistor die dient als schakelaar staat er een weerstand om te zorgen dat de stroom aan de basis van ervan niet groot is. De transistor zal geleiden als er een spanning komt van de opamp en deze zal de relais doen aantrekken. Over de relais werd er een vrijloopdiode geplaatst. Parallel erover hebben we ook nog een led geschakeld om te zien

of

de

relais

aangetrokken

is.

Voor

het

ledje

moesten

we

een

voorschakelweerstand plaatsen. Om de schakeling ook handmatig te kunnen bedien plaatsten we 2 schakelaars om dit te kunnen verwezelijken. S1 is de NTC die geplaatst werd in de zonnecollector, S2 in de boiler en S3 in de hete luchtverwarmer. De omschaking tussen S2 en S3 wordt geregeld door de PLC.

4.5 Circulatiepomp 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.

Zonneboiler

46

4.5.2 Constructie

Een centrifugaalpomp (fig. 4.5.2.1) 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 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.

Zonneboiler

47

Fig. 4.5.2.1: 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 (fig 4.5.3.1). 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 voordeel van deze kan zijn, dat de zwaartekracht minder tegenwerkt, dan dat het water naar boven gestuurd wordt.

Zonneboiler

48

Fig. 4.5.3.1: stroomzin door pomp

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 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 Zonneboiler

49

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. 4.5.4.1).

Fig. 4.5.4.1: het wisselveld met de denkbeeldige draaivelden

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. 4.5.4.2)

Zonneboiler

50

Fig. 4.5.4.2: koppels van krachten bij een eenfasen inductiemotor

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

Zonneboiler

51

hulpwikkeling om te keren. Hierbij wordt meestal de stroomzin van je hulpwikkeling omgekeerd. (fig. 4.5.4.3)

Fig. 4.5.4.3: schakeling voor het omkeren van de draaizin

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. 4.5.4.4)

Fig. 4.5.4.4: 2 de manier van schakelen om de draaizin te veranderen

Zonneboiler

52

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 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. 4.5.4.5)

fig. 4.5.4.5: van een 3 fasen motor een enkele fasigen maken

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

Zonneboiler

53

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 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

54

4.6 Batterijen De spanning die opgewekt wordt door ons zonnepaneel wordt opgeslagen op 2 verschillende batterijen. Er zal altijd een batterij opgeladen worden terwijl de andere wordt gebruikt. De 2 batterijen die wij gebruiken zijn 2 verschillende.

4.7 PLC 4.7.1 Inleiding

PLC is de afkorting voor Programmable Logic Controller ofwel in het Nederlands programmeerbare logische sturing. Dit toestel werkt op basis van het geschreven programma vandaar “Programmable”. Het programma dat geschreven wordt bestaat uit logische functies en wordt bestuurd door logische toestanden, dus “Logic”. Een PLC wordt gebruikt bij het sturen van machines vandaar “Controller”.

Een PLC is een

elektronisch apparaat dat op basis van de signalen van zijn ingangen, zijn uitgangen regelt en stuurt. Hierdoor zijn de PLC ook een zeer belangrijk onderdeel in de automatisering.

Hoe de PLC zijn gegevens inleest hangt af van de geïnstalleerde

interfacekaarten en van de veldbus netwerken waarlangs de verschillende apparaten gegevens met elkaar uitwisselen.

4.7.2 Soorten PLC’ s

De eerste is de meest bekende. De traditionele PLC. Deze bestaat uit een CPU, een behuizing en een eigen intern werkgeheugen. Wel worden er meestal insteekkaarten gebruikt als opslaggeheugen, net zoals bij een digitale camera. Een tweede soort is de Slot PLC. Deze heeft hetzelfde principe als een traditionele PLC, maar dan bijvoorbeeld op een PCI- kaart die in een PC wordt gestoken. Een derde en laatste soort is de Soft PLC. Dit is een PLC die draait op de software net als een PC. Met een Interfacekaart en drivesoftware communiceert deze met de buitenwereld.

Zonneboiler

55

4.7.3 Opbouw van de PLC Een PLC is opgebouwd uit verschillende elementen. Elk element heeft zijn eigen taak. Zo hebben we de voeding die alle elementen voorziet van stroom. Deze voorziet namelijk alle elementen van 24V DC. Het PLC- programma zelf wordt opgeslagen in het programmageheugen. In het datageheugen daarin tegen worden de toestanden van de tellers,timers… opgeslagen. De CPU of processor zorgt voor de verwerking van het programma. Op de ingang kun je allerlei signaalgevers of schakelelementen op aan sluiten. Dit kunnen zowel schakelaars als detectoren zijn. Op de uitgang daarin tegen kun je verbruikers aansluiten. Dit zijn dan bijvoorbeeld relais, controlelampjes, contacttoren… Het is wel te verstaan dat deze dan een laag vermogen hebben. Onder de naam programmeertoestel verstaan we meestal een PC. Deze is dan uitgerust met een softwarepakket die aansluit bij het type PLC. Het softwarepakket zelf is te verkrijgen bij de fabrikant zelf. Daarnaast kan het ook zijn dat de fabrikant zelf een programmeertoestel heeft ontworpen om de PLC makkelijk te kunnen programmeren.

Voeding Programmageheugen

Ingangen

Datageheugen

CPU

Uitgangen

Programmeertoestel

Zonneboiler

56

4.7.4 Waarom PLC’ s

Men kan zich nu afvragen waarom er meer en meer PLC’ s gebruikt worden vandaag de dag. We hebben het al eerder vermeld dat deze erg gemakkelijk zijn in de automatisatie. Want een PLC regelt en stuurt zijn uitgangen op basis van zijn ingangen. Wat nog een reden is, is dat de hele schakelingen met allemaal relais zouden verdwijnen. Want een PLC is ten opzichte van dit niet alleen gemakkelijker te instaleren, maar ook compacter. En wat nog een voordeel is van een PLC ten opzichte van een relaisschakeling is dat er indien er een deel veranderd of erbij komt van de schakeling, dat het veel eenvoudiger is je PLC programma aan te passen dan je gehele bedrading van je relaisschakeling te herleggen.

4.7.5 Programmeren van een PLC

4.7.5.1 Inleiding

In het eindwerk wordt er gebruik gemaakt van een PLC van het type Omron CQM1. Deze zal onder andere voor zorgen dat de tijdig wordt gewisseld van batterij. Ook zal deze controleren met behulp van metaaldetectors of de bolkranen wel degelijk in de ene of de andere stand staat. Hij zal dus met andere woorden beletten dat het circuit wordt gecirculeerd indien een bolkraan halfopen of halfgesloten staat.

4.7.5.2 Termen en symbolen bij het programmeren

Het programma dat gebruikt wordt bij het programmeren van een PLC van Omron heet syswin 3.4. Indien we een PLC- programma willen overbrengen van de PC naar de PLC, noemen we dit downloaden. Anderzijds spreken we dan van het PLC- programma uploaden als we het overbrengen van de PLC naar de PC. Wat belangrijk is bij de programmatie zijn de kaarten. Zo begint de eerste ingangskaart met de code 000.00 tot 000.15, de tweede kaart met 001.00 tot 001.15. Zo heeft iedere ingangskaart 16 ingangen. De uitgangskaarten daarin tegen beginnen anders. Zo begint de eerste uitgangskaart met 100.00 tot 100.15, de tweede met 101.00 tot 101.15. We zien opnieuw dat we 16 uitgangen hebben. Ook de volgorde bij het plaatsen van een kaart in de PLC behuizing speelt geen rol. In het programma zelf kun je allerlei functies Zonneboiler

57

programmeren. Zo heb je onder andere de keep functie wat eigenlijk niets anders is dan een set- reset. Daarnaast heb je ook timers, flankdetectie en tellers. In het programma syswin kan je ook met vergelijkende functies werken. Deze hebben wel al reeds een code vooraf gekregen. Zo is groter dan = 255.05, gelijk aan = 255.06 en kleiner dan = 255.07.

4.7.6 Ingangskaart

Fig. 4.7.6.1: Ingangskaart PLC

4.7.7 Uitgangskaart

Op de uitgangskaart (fig. 4.7.7.1) zien we dat deze 5 dingen regelt. Klem 100.00 is voor keuze batterij 1, klem 100.01 voor de keuze van batterij 2, klem 100.02 voor de pomp aan te sturen, klem 100.03 voor sturen van de ventilator van de hete luchtverwarmer en klem 100.04 bepaald te keuze van de sensor van boiler of hete luchtverwarmer.

Zonneboiler

58

Fig. 4.7.7.1: Uitgangskaart PLC

4.8 De omvormer 4.8.1 Inleiding

Om onze gelijkspanning die we gevormd hadden door ons zonnepaneel om te vormen naar een wisselspanning hebben we een omvormer nodig. Eigenlijk wordt zo een omvormer van DC naar AC een inverter genoemd. De inverter werd simpel verwoordt.

4.8.2 Werking

De omvormer werkt doormiddel van een H-brug en een sturing hiervan. De H-brug (fig. 4.8.2.1) bestaat uit 4 mosfet’s met erover telkens een diode overgezet. Ook zien we nog de transformator in het midden van de H-brug staan.

Zonneboiler

59

Fig. 4.8.2.1: de H-brug

De V+ die we zien op bovenstaande figuur is de gelijkspanning die we hierop aansluiten die we krijgen onze batterij. Langs onderen hebben we de ground. We hebben viermaal een mosfet met daarover een diode geschakeld. Een mosfet kunnen we zien als een snelle schakelaar. De mosfet’s worden geschakeld doormiddel van een regeling. Deze opent een sluit de mosfet’s. Om een sinusvormige spanning te krijgen worden de mosfet’s als volgt geschakeld. T1 en T4 en als volgt T2 en T3 zo krijgen we al een blokgolf spanning. (fig. 4.8.2.2) De stroomzin als T1 en T4 gesloten zijn is omgekeerd dan deze van T2 en T3. Zo krijgen we dus al de positieve en negatieve spanning. Omdat een transformator bestaat uit spoelen en we weten dat deze niet tegen directe stroomveranderingen kunnen moesten we dus diodes plaatsen zodat deze de stroom over de spoelen kunnen laten wegvloeien als we veranderen van schakelaars. De transformator maakt dus eerst van onze batterijspanning van ongeveer 12 volt een wisselspanning en transformeert deze dan op tot een spanning van 230 volt.

Zonneboiler

60

Fig. 4.8.2.2: verkregen blokgolf

Deze blokgolf kunnen we dus zeker nog niet vergelijken met een sinus. Om deze vorm te verkrijgen laten we de regeling de mosfet’s verschillende malen open en toe gaan. Maar dit doen we telkens met andere tussentijden. We laten dus een aantal maal T1 en T4 open en toe gaan. Telkens met een andere tijd gesloten laten. Daarna doen we juist hetzelfde met T2 en T3. Tot we dan onderstaand golven verkrijgen (fig. 4.8.2.3). Deze

methode

wordt

de

PWM-methode

genoemd

of

voluit

gezegd

pulsbreedtemodulatie. Als we dan telkens de gemiddelde waarde nemen van één puls bekomen we een wisselspanning. Die weliswaar geen perfecte sinusvorm is. Met de 2 bovenste mosfet’s kunnen we onze gemiddelde waarde regelen en met de onderste 2 kunnen we de stroomzin veranderen.

Fig. 4.8.2.3: sinusvormige blokgolf

Zonneboiler

61

4.9 Diodegelijkrichter 4.9.1 Inleiding

Omdat we eerst alle spanning van de batterij omvormen naar een wisselspanning moeten we deze terug omzetten naar een gelijkspanning. Deze wordt gebruikt bij de in- en uitgangskaart van de PLC.

4.9.2 Werking Een diodegelijkrichter (fig. 4.9.2.1) bestaat dus zoals de naam het zelf zegt uit diode. Er wordt gebruik gemaakt van 4 diodes die een wisselspanning omzetten in een gelijkspanning. Aan de input krijgen we dus een wisselspanning. De dioden zorgen er dan voor dat je aan de output een positieve gelijkspanning krijgt. Er staat nog een condensator achter om nog overgebleven wisselstroomsignalen op te vangen.

Fig. 4.9.2.1: Diodegelijkrichter

Op onderstaande figuur (fig. 4.9.2.2) zie je hoe de stroom door je diodes vloeit als je het positieve en het negatieve deel hebt van je sinus. Als het je positief gedeelte van je sinus is dan loopt de stroom erdoor zoals voorgesteld langs de linkerkant. Als het deel van je sinus negatief is dan is het zoals je kunt zien langs de rechterkant.

Fig. 4.9.2.2: Stroomrichting diodegelijkrichter

Zonneboiler

62

5 Hoofdstuk: Rendement en besparingen 5.1 Inleiding Laten we nu eens kijken wat het ons zou opleveren als we nu eens een zonneboiler of zonnepanelen zouden installeren. We gaan dit doen aan de hand van de laatste nieuwste prijzen. We zullen dit doen voor commerciële

boilers maar we zullen

proberen ongeveer ook een schattingen te maken voor de autonome zonneboiler.

5.2 Voor commerciële boilers 5.2.1 Inleiding

Indien u denkt om een zonneboiler te

laten installeren, dan moet u toch eens

navragen voor welke subsidies u in aanmerking komt. Zo krijg je bijvoorbeeld van de federale overheid een belastingsvermindering van 40% van de investeringskosten met een maximaal bedrag van €3440. Maar ook van Gaselwest krijg je een premie. Hier krijg je namelijk €75 per vierkante meter met een minimum bedrag van €525 en een maximum van €1500. Van de gemeente Poperinge zelf krijg je geen subsidie.

5.2.2 Mono- installaties

Als we ons eens voorstellen dat we graag een zonneboiler zouden installeren, zonder dat we onze oude, nog goed werkende, warmwater installatie moeten weg doen. Dan raden we u aan een zonneboiler mono- installatie aan te schaffen. Deze bestaat namelijk uit een boiler waar enkel de warmtewisselaars van de collector zitten. Als naverwarmer van dit systeem wordt je huidig verwarmingstoestel gebruikt. Stel dat met een gezin van 4 personen bent, dan stellen we een zonneboiler voor met een opslag 190l en een collectoroppervlak van 4.12m².

En als u weet dat uw huidig

verwarmingsmiddel een cv -boiler is op stookolie dan kan u uw zonneboiler terugwinnen na ongeveer 16 jaar. En dat als u weet dat de gemiddelde leeftijd van een zonneboiler 20 jaar bedraagt.

Zonneboiler

63

5.2.3 Duo- installaties

Stel nu dat u een nieuw huis zet, en beslist om van de eerste keer een zonneboiler te laten installeren, dan kan u kiezen voor een duo- systeem. Hierbij heeft u maar 1 boiler. Daarin bevinden zich dan zowel de warmtewisselaar van de collector als de deze van de naverwaring. De naverwarming kan u natuurlijk vrij kiezen zoals bij de vorige gevallen ook het geval was. Hierbij kan u dan kiezen uit een elektrische, een gas, of stookolie verwarming. Laten we opnieuw werken met stookolie. Dan zou de keuze van een gezin van 5 à 6 vallen op een zonneboiler met een opslagvat van 300 liter en een collectoroppervlakte van 5.5m². Wel deze installatie zou u kunnen terugverdienen na 19 jaar.

5.2.4 Besluit

Met deze prijzen die hierboven zijn opgegeven mag u zich niet volledig richten. Want u moet weten dat dit berekend is met de prijzen van nu. Dus ook de stookolie, gas en elektriciteitsprijzen. Zoals we het nu uitrekenen kan je in principe een zonneboiler niet terugwinnen indien je met gas of elektriciteit werkt. Maar men moet weten en rekening houden dat de prijzen van gas, elektriciteit en stookolie voortdurend zullen blijven stijgen. Want dit zijn uitputbare bronnen, in tegenstelling wat de zon niet is. U kan natuurlijk altijd zeggen en de kerncentrales dan? Maar deze zijn milieuvervuilend, wat niet het geval is met een zonneboiler. Bovendien is de overheid meer en meer aan het kijken om deze te vervangen.

5.3 Voor PV- panelen PV- panelen zijn zuur duur in aankoop. Wat wel positief is over de prijs is dat ze gedaald is met 18% in de laatste 3 jaar. Gelukkig heb je recht op subsidies als je zonnecellen laat plaatsen. Zo krijg je in de eerste plaats een ‘groenestroomcertificaat’. Dit wil zeggen dat je voor elk opgewekt kilowattuur zonne-elektriciteit 45 eurocent krijgt. En dit 20 jaar lang. Natuurlijk zal het gebeuren dat je al de opgewekte elektriciteit niet tijdig zal kunnen gebruiken. Bedenk bijvoorbeeld eens dat je tijdens de zomer op vakantie gaat, maar je zonnepanelen produceren daarom niet minder. Wel Zonneboiler

64

dit is ook opgelost, de elektriciteit die er teveel is wordt gegeven aan het elektriciteitsnet zelf. Hierdoor zal je kilowattuurmeter worden teruggedraaid, en dit is dus zeker niet nadelig voor de elektriciteitsrekening. Wel een klein minpuntje, als je dit wel een minpuntje kan noemen, is dat je maximaal 3000kWh mag terug leveren aan het net per jaar. Ook de federale overheid doet een inspanning. Deze geeft namelijk een belastingsvermindering van 40% van de investering tot een maximum van €3440. Ook komt men soms in aanmerking voor een gemeentepremie. Het is ‘soms’ omdat maar 1 op de 3 gemeentes dit uitdelen. Poperinge bijvoorbeeld geeft geen premie indien u van plan bent om zonnepanelen te installeren.

Zonneboiler

65

6 Warmteoverdracht 6.1 Inleiding Met de warmtecapaciteit wordt aangegeven hoeveel energie er nodig is om een materiaal of voorwerp met een bepaalde massa te doen stijgen in temperatuur met 1 Kelvin

(K).

De

warmtecapaciteit

wordt

aangegeven

in

Joule/

Kelvin.

De

warmtecapaciteit van 1 kg van een bepaalde stof, noemen we de soortelijke warmtecapaciteit. Deze wordt uitgedrukt in Joule/(Kelvin.Kg). Over het algemeen wordt er meer gebruik gemaakt van de soortelijke warmtecapaciteit dan de warmtecapaciteit.

Q=

warmte in Joule (J)

C=

warmtecapaciteit in Joule/ Kelvin (J/K)

∆T =

temperatuursverschil in Kelvin (K)

M=

massa in kilogram (kg)

Cwater =

4200 J/(K.kg)

Ckoper =

400 J/(K.kg)

Q=

m . C . ∆T

ρkoper =

8,92 . 10³ kg/m³

ρwater =

1.10³

Omdat het moeilijk is om al de warmteverliezen te berekenen die er zijn op de gehele constructie, zullen we het berekenen van 1 meter koper buis. Hierbij zullen we het berekenen bij water die stilstaat in de buis. Zoals al werd gezegd is er gewerkt met koperen buizen van ½ inch. Deze maat is de binnenmaat van de buis. Als wanddikte nemen we 1mm.

Massa van de koperen buis: Gegevens: - Binnendiameter = 1.27cm = 0.0127m - Buitendiameter = 1.47cm = 0.0147m - Hoogte = 1m - Massadichtheid koper = 8.92*10³ kg/m³

Zonneboiler

66

D ² * π d ² * π (0.0147 m)² * π (0.0127 m)² * π − = − 4 4 4 4 −4 −4 −4 = 1.697 * 10 m² − 1.266 * 10 m² = 0.431 * 10 m² Agrondvlak =

Volume = Agrondvlak * hoogte = 0.431 * 10 − 4 m² * 1m = 0.431 * 10 − 4 m³ Massa = volume * massadichtheid = 0.431 * 10 − 4 m³ * 8.92 * 103 kg

m³

= 0.3844kg

Massa van het water in de buis: Gegevens: - Diameter = 1.27cm = 0.127m - Hoogte = 1m - Massadichtheid van water = 1*10³ kg/m³

d ² * π (0.0127 m)² * π = = 1.266 * 10 − 4 m² 4 4 Volume = Agrondvlak * hoogte = 1.266 * 10 − 4 m² * 1m = 1.266 * 10 − 4 m³ Agrondvlak =

Massa = Volume * massadichtheid = 1.266 * 10 − 4 m³ * 1 * 10³ kg

m³

= 0.1266kg

Warmteoverdracht van water met een temperatuur van 35°C in een koperen buis met een temperatuur van 20°C

Qopwarmen = −Qafkoelen massa koper * warmtecapaciteit koper * temperatuursverschil koper = − (massa water * warmtecapaciteit water * temperatuursverschil water ) m * c * ∆T = −(m * c * ∆T ) 0.3844kg * 400 J * (?− 293K ) = −(0.1266kg * 4200 J * (?− 308 K )) kg * K kg * K 153.76 ? J − 45051.68 J = −531.72 ? J + 163769.76 J K K 685.48 ? J = 208821.44 J K ? = 304.64 K ? = 31.64°C => De evenwichtstemperatuur die bekomen wordt is gelijk zijn aan 31.64°C. We zien dus dat het water ongeveer 3°C afkoelt wanneer het in de buizen blijft staan. De berekeningen die hier gedaan werden is bij stilstaan water. Het berekenen van de verliezen tijdens het circuleren van het water is iets moeilijker. Dit omdat je de snelheid nodig hebt waarmee je vloeistof stroomt. Zonneboiler

67

Bijlage 1: prijzen zonneboiler Prijsindicatie zonneboiler MONO Zonneboiler MONO

STC 120 TSM

STC 190 TSM

STC 250 TSM

Geschikte voor aantal personen

2 tot 4 personen

3 tot 5 personen

5 tot 7 personen

Collectoroppervlak

2.75m²

4.12m²

5.5m²

Inhoud opslagvat

120 liter

190 liter

250 liter

Totaalprijs indicatie volledig

5294,00 EUR

6222,00 EUR

7570,00 EUR

systeem (geleverd en geplaatst incl. BTW 6%)

Subsidies en voordelen (eenmalige financiële voordelen) Gemeentesubsidies gemiddeld - €

- € 500,00

- € 500,00

- € 500,00

- € 2117,00

- € 2488,00

- € 3028,00

- € 127,00

- € 149,00

- € 181,00

Gezinsbondkorting

- € 300,00

- € 377,00

- € 475,00

Subsidies netbeheerder

- € 525,00

- € 525,00

- € 525,00

Netto prijsindicatie (incl. BTW)

€ 1725,00

€ 2183,00

€ 2861,00

500 Fiscaal voordeel 2008 (40% totaalprijs met max €3440,00)

Vermindering gemeentebelasting 2008

Zonneboiler

68

Prijsindicatie zonneboiler DUO

Zonneboiler Duo

STC 200 TSD

STC 300 TSD

Geschikte voor aantal personen

2 tot 5 personen

5 tot 7 personen

Collectoroppervlak

4.12m²

5.5m²

Inhoud opslagvat

190 liter

300 liter

Totaalprijs indicatie volledig systeem (geleverd en

± 7144,00 EUR

± 9036,00

geplaatst incl. BTW 6%)

Subsidies en voordelen (eenmalige financiële voordelen) Gemeentesubsidies gemiddeld - € 500

- € 500,00

- € 500,00

Fiscaal voordeel 2008 (40% totaalprijs met max €3440,00)

- € 2857,00

- € 3440,00

Vermindering gemeentebelasting 2008

- € 171,00

- € 206,00

Gezinsbondkorting

- € 464,00

- € 613,00

Subsidies netbeheerder

- € 525,00

- € 525,00

Netto prijsindicatie (incl. BTW)

€ 2627,00

€ 3752,00

Bron: http://www.izen.be/zonneboiler.php?lng=nl&show=watkosthet

Zonneboiler

69

Bijlage 2: Schema’s elektrisch gedeelte

Zonneboiler

70

Zonneboiler

71

Zonneboiler

72

Zonneboiler

73

Zonneboiler

74

Zonneboiler

75

Zonneboiler

76

Zonneboiler

77

Zonneboiler

78

Zonneboiler

79