Collectoren voor zonnesystemen – modellen, verschillen en de voor- en nadelen

Zonnecollectoren zijn het belangrijkste element van een zonnesysteem. Zonne-energie wordt opgevangen in de collectoren en beschikbaar gemaakt om water te verwarmen en vrij te geven voor huishoudelijk gebruik. Zonnecollectoren worden onderverdeeld in twee verschillende modellen, die beide voor- en nadelen hebben. De collectoren hebben ook verschillende rendementswaarden en prijsklassen, waardoor zij zich van elkaar onderscheiden.

Zonnecollectoren – het hart van het zonnesysteem

Zonder de collector zou een zonnesysteem de zonne-energie niet kunnen omzetten in bruikbare warmte. De collector is dus het hart van het zonnesysteem, dat het mogelijk maakt de hernieuwbare energie in het huishouden te gebruiken. Wilt u meer weten over zonnesystemen en de kosten? Bereken de kosten voor uw individuele zonnesysteem met onze zonnesysteemcalculator! Maar wat zijn de verschillende modellen collectoren en welke is de juiste voor mijn zonnesysteem?

Vlakke plaat collector – het bewezen model

Vlakke-plaatcollectoren waren de eerste collectoren die werden gebruikt om zonne-energie te benutten. Zij zijn dan ook nog steeds het meest verbreide model en hebben een marktaandeel van een trotse 70%. Hun reputatie is daar waarschijnlijk niet geheel vreemd aan, want vlakke-plaatcollectoren worden als zeer goedkoop en betrouwbaar beschouwd en bieden bovenal een technologie die zich in de loop der jaren zonder meer heeft bewezen.

Opbouw van een vlakke-plaatcollector – absorber, behuizing en de warmteoverdrachtvloeistof

Een vlakke plaat collector bestaat uit twee eenvoudige componenten. Een behuizing en een zwartgeblakerde metalen plaat die zich binnenin de behuizing bevindt. Deze metalen plaat wordt ook wel een absorber genoemd, omdat de donkere coating zorgt voor een goede absorptie van de invallende zonnestraling. De absorber zet de invallende zonne-energie ook efficiënt om in warmte. Om de warmte te kunnen transporteren, lopen aan de achterzijde van de absorber buizen waarin de warmteoverdrachtvloeistof stroomt. Deze stroomt koud de collector in en verlaat hem heet. Om de collector te beschermen tegen externe omstandigheden, zoals het weer, is hij afgedekt met een veiligheidsglas. Dit glas is zeer stabiel en tegelijkertijd zeer doorzichtig, zodat er zo weinig mogelijk straling op weerkaatst. Dit zorgt ervoor dat zoveel mogelijk zonne-energie de absorber bereikt om in warmte te worden omgezet. Om ervoor te zorgen dat de behuizing ook effectief bijdraagt aan de warmteopwekking, is deze bijzonder goed geïsoleerd en verliest daardoor nauwelijks warmte-energie. Het rendement van het zonnesysteem wordt daardoor verhoogd.

Verschillen in vlakke-plaatcollectoren – structuur, vorm en leidingen

Zelfs wanneer de vlakke-plaatcollectoren tot één model worden samengevoegd, zijn er nog verschillen. Verschillende vlakke-plaatcollectoren verschillen in het materiaal van de behuizing, de verschillende aansluiting van de buizen en andere kenmerken. Afhankelijk van de toepassing hebben de verschillende ontwerpen hun voor- en nadelen.

  • Vorm van de schokdemper – De schokdemper kan van verschillende materialen zijn gemaakt. Er zijn absorberende cilinders van staal, roestvrij staal of aluminiumplaat. Deze kunnen op verschillende manieren worden samengevoegd, bijvoorbeeld door puntlassen of rolverlijming. Er zijn ook verschillen in de koperen leidingen waarin de vloeistof wordt geleid. Ze kunnen erin worden geperst, maar ook gesoldeerd.
  • Coating van de absorber – De absorberende laag heeft zich de laatste jaren verder ontwikkeld. De laag moet immers zoveel mogelijk van de zonne-energie kunnen absorberen. De huidige technologie voorziet in zeer selectieve lagen met een bijzonder hoge absorptiegraad. Het heeft ook een lage emissiviteit van langgolvige warmtestraling.
  • Leggen van de warmtetransportbuizen – De buizen kunnen ofwel in een buizenregister worden gelegd, waarbij zij parallel naast elkaar liggen en aan de boven- en onderkant met elkaar zijn verbonden, of zij kunnen in een meander worden gelegd, d.w.z. slangvormig aan één stuk.
  • Materiaal van de behuizing – Ook het materiaal van de behuizing kan variëren, afhankelijk van het model. De meest voorkomende zijn aluminium, roestvrij staal maar ook kunststof. Zelfs hout zou een optie zijn als behuizing voor een zonnecollector.

Buiscollector – de betere thermische isolatie zorgt voor een hoger rendement

De buiscollector kwam na de vlakke-plaatcollector en is er een alternatief voor. Ondanks een andere technologie en een kleiner marktaandeel, heeft dit model ook zijn voordelen.

Opbouw van een buiscollector – vacuüm, heat pipe en de glazen buizen

Het buiscollectormodel verschilt in één bepaald opzicht van de vlakke-plaatcollector, namelijk in de isolatie. Terwijl alleen de behuizing van de vlakke-plaatcollector geïsoleerd is, wordt elke afzonderlijke absorber van de buiscollector op een speciale manier geïsoleerd. De absorber is gevat in een vacuüm glazen buis, aangezien vacuüm bijzonder goede thermische isolatie-eigenschappen heeft en geen verliezen door convectie of door warmtegeleiding toelaat. Een aantal van deze buizen wordt verbonden met een collector en vormt dan een buiscollector. Aangezien deze methode van isoleren veel doeltreffender is dan die van een vlakke-plaatcollector, is het rendement hier aanzienlijk hoger, aangezien minder energie verloren gaat. Vanwege de technologie wordt dit model ook wel een vacuümbuiscollector genoemd.

Verschillende ontwerpen van buiscollectoren – heat pipe, CPC & directe stroming

De buiscollectormodellen zijn eveneens onderverdeeld in verschillende ontwerpen. De ene is de direct flow en de andere de niet-direct flow buiscollectoren – deze worden ook wel heat pipes genoemd. Een andere vorm is de CPC – vacuümbuiscollectoren.

  • Directe stromingsbuiscollectoren – Bij dit ontwerp stroomt de warmteoverdrachtsvloeistof rechtstreeks door koperen buizen in de glazen buizen. Hier wordt het verwarmd en bij het verlaten ervan versmelt het met de andere buizen in de collector. Vervolgens worden ze via het zonnecircuit naar de warmtewisselaar getransporteerd. In geval van een defect vacuüm is het niet moeilijk om een van de buizen onafhankelijk van de andere te vervangen.
  • Heat pipe (geen directe stroming) – De heat pipe maakt gebruik van een thermodynamisch proces voor warmteoverdracht waarbij een heat pipe ( hoofdleiding ) door de glazen buis loopt, die een vloeistof bevat die gemakkelijk verdampt, zoals water of alcohol. Bij verhitting verdampt deze vloeistof en stijgt op naar de kop van de glazen buis, waar de warmte door condensatie van de damp wordt overgedragen op de warmteoverdrachtvloeistof die zich buiten de kop bevindt. De rest van de vloeistof stroomt terug naar de bodem van de buisjes en herhaalt het proces zodra kamertemperatuur is bereikt. Dit is voldoende om de vloeistof te doen condenseren, aangezien er een negatieve druk in de buizen heerst – het vacuüm.
  • CPC geëvacueerde buiscollector – Dit ontwerp is een variant van de direct flow buiscollectoren. Ook hier lopen de koperen buizen door de glazen buizen, maar het bijzondere is dat twee glazen buizen concentrisch zijn gerangschikt en voor een parabolische spiegel liggen. De absorberende coating wordt aangebracht op de binnenkant van de glazen buizen. De parabolische spiegel helpt om de collector nog efficiënter te maken, vooral bij lage instraling. De opbrengst is dus verhoudingsgewijs hoger en de collector werkt doeltreffender.

De warmteoverdrachtvloeistof – wat in aanmerking moet worden genomen

De warmteoverdrachtvloeistof slaat de warmte op en transporteert die door het zonnecircuit naar de zonneopslagtank. De warmte wordt vervolgens uit de vloeistof afgegeven en gebruikt om leidingwater of verwarmingswater te verwarmen. De afgekoelde vloeistof stroomt dan terug en begint zijn reis helemaal opnieuw. De vraag die zich echter voordoet is wat geschikt is als warmteoverdrachtvloeistof. Hier is het antwoord betrekkelijk eenvoudig, omdat gewoon water al perfect geschikt is voor deze taak. Aangezien er echter, vooral in de koude maanden, gevaar voor vorst bestaat, waardoor de collector of de absorberbuis onherstelbaar beschadigd zouden kunnen worden, moet het water met een antivriesmiddel worden vermengd. Maar de warmteoverdrachtvloeistof moet ook bestand zijn tegen hoge temperaturen. Vooral in CPC vacuümbuiscollectoren kunnen temperaturen tot 350 °C voorkomen. Om ervoor te zorgen dat de viscositeit niet te lijden heeft onder het antivriesmiddel en dergelijke hoge temperaturen, waardoor de warmtecapaciteit afneemt, wordt gewoonlijk gestreefd naar een mengverhouding van 40% propyleenglycol en 60% water. Dit mengsel is niet alleen bestand tegen koude tot -25°C, maar is ook geschikt voor hoge temperaturen. Bij de aankoop van de warmteoverdrachtvloeistof moet bijzondere aandacht worden besteed aan een hoge temperatuurstabiliteit, een goede corrosiebescherming, een zo laag mogelijke viscositeit, een hoge milieuvriendelijkheid en een hoge warmtecapaciteit.