Het is onvoorstelbaar hoeveel energie er dagelijks gratis en voor niks vanuit de hemel op ons neerdaalt, terwijl we ons blauw betalen aan gas, elektriciteit en water.
De zon straalt op een heldere dag tot wel 1 kW aan licht en warmte op iedere vierkante meter en het is dan ook niet zo verwonderlijk dat het zeker in deze tijd van energieschaarste en milieuvervuiling loont om van deze schone en veilige energie een beetje op te vangen voor nuttig gebruik.

Dat kan zoals bekend op twee manieren, namelijk door middel van PV panelen (photovoltaic) en Zonneboiler systemen.
Beide hebben hun voor- en nadelen en wat belangrijker is, beide zijn extreem duur in aanschaf zodat zelfs met subsidie het niet mogelijk is om de investering  binnen redelijke tijd terug te verdienen.

PV panelen werken met silicium cellen die het licht omzetten in elektrische stroom, deze kan via een omvormer aan het lichtnet worden geleverd en zo bijdragen aan de electriciteitsrekening.
Het rendement is laag, zelfs bij volle zon wordt hooguit 15% van het opgevangen licht omgezet, dus er zijn heel veel dure panelen nodig om een beetje interessante opbrengst te verkrijgen.

Deze panelen laat ik dus maar voor wat ze zijn en mijn project richt zich op het opvangen van de warmtestraling en daarmee water te verwarmen.
Water heeft een hoge soortelijke warmte m.a.w er is veel energie nodig om warm water te bereiden en dus kan de zon een grote energiebesparing leveren simpel door water te verwarmen!

Het idee:

Het is verbazingwekkend hoe heet een metalen voorwerp kan worden als de zon er op schijnt, een blikje dat even in de zon had gelegen bracht me op het idee om eens na te gaan of ik daar een goedkope zonnecollector van zou kunnen maken.
Hoe donkerder de kleur en hoe doffer hoe beter deze omzetting van licht naar warmte werkt.
Mijn allereerste prototype was dan ook een opengeknipt blikje met daaraan een thermometer en eens kijken hoe snel en hoe hoog de temperatuur oploopt.
Dat werkte inderdaad en nadat ik het blikje flink had zwartgeblakerd in een kaarsvlam liep de temperatuur in het zonlicht al na enkele minuten op tot boven de 50 graden!

Doel: Hoe bouw ik zo goedkoop mogelijk een goedwerkende zonnecollector?

Als eerste een plaat aluminium gekocht van 1x0.50 meter, dit moet het collectoroppervlak worden.
Deze plaat moet de opgevangen zonnewarmte afgeven aan water.
Hiermee beginnen de problemen, want water wil overal heen, behalve de weg die ik er voor had bedacht.
Het eerste ontwerp moest het water direct contact laten maken met de collectorplaat, een systeem met buizen die op de plaat gemonteerd worden heeft niet mijn voorkeur wegens de moeilijke warmte-overdracht tussen buis en plaat .
Het water tussen twee platen laten stromen was het eerste idee, deze platen waren met siliconenkit tegen elkaar gekit, met strips van aluminium ertussen in een zigzag struktuur, zodat de vloeistof er zigzag tussendoor kon stromen en zo de warmte optimaal kon opnemen.
Deze testcollector van 50 bij 100 cm zie je hieronder aan de binnenzijde.

 

eerste ontwerp

Dit is een grote mislukking geworden, bij de minste waterdruk worden de krachten die de platen uiteen duwen zo groot dat alles loskwam en aan alle kanten ging lekken.
Immers bij een druk van bijv. 0.1 bar, dit is de druk van 1 meter hoogte waterdruk, heb je al 100 gram op iedere vierkante cm.
Dus bij een oppervlakte van 1/2 m2  is dit een kracht van maar liefst 100x50cm x 100 gram is 500000 gram oftewel een halve TON druk!!
Geen siliconenkit die dit aankan dus vandaar dat dit niet ging werken...

De route van het water over de plaat moet dus veel smaller worden om minder destructieve krachten te krijgen en ook de zwakke siliconenkit moet vervangen worden door iets sterkers.
Zo ben ik uiteindelijk uitgekomen bij een ontwerp met aluminium U-profielen, die zigzag op de plaat gekit worden en waardoor het water kan stromen.
Aluminium  is een relatief goedkoop metaal en bovendien zeer corrosiebestendig dus ideaal voor een betaalbare collector.
De kit is een ander verhaal, diverse kitten uitgeprobeerd maar helaas gaan ze allemaal lekken!
Een kit die wel erg goed is, is EPDM fix van Oase, dit is echter een erg dure kit, dus ben ik op zoek gegaan naar een voordeliger alternatief.
En ook gevonden, de kit Fix & Seal van Aquaforte is praktisch hetzelfde maar zeker 10 euro per tube goedkoper, dus is daar mijn keus op gevallen.
Hieronder stap voor stap de opbouw van deze zonnecollector:

De collectorplaat

De aluminium U-profielen 1x0.5 cm

De profielen op de plaat gelegd.

Dwarsstuk voor de bocht gezaagd.

De constructie van de bochten

Bakstenen houden de boel op zijn plaats

De kit aangebracht

De kit van Aquaforte

Na het aanbrengen van de kit, moet deze 24 uur rustig uitharden en daarna moet er een buisje worden afgesloten en op de andere voorzichtig wat water inlaten.
Zo controleer je of hij echt goed waterdicht is geworden, meestal zit er in de bochten nog wel wat lekkage dus die plekken moeten nog wat extra kit hebben, als je dan het paneel tijdens het repareren een weinig vacuum trekt, zuigt de kit mooi naar binnen in de lekgaatjes en is alles uiteindelijk definitief waterdicht.
Het grote voordeel van dit ontwerp is dat het water direct contact heeft met de plaat en daardoor de warmte optimaal opneemt.

De absorberlaag

Professionele zonnecollectoren gebruiken speciale spectraal-selectieve coatings die het zonlicht optimaal kunnen omzetten in warmte.
Deze coatings zijn erg duur en bovendien moeilijk aan te komen, dus ga ik terug naar een eenvoudige coating die zeer goed absorbeert, namelijk koolstof in de vorm van roet!
Dit spul is makkelijk te maken, goedkoop en heeft een dofzwarte kleur waardoor er maar heel weinig van het ingevallen zonlicht wordt gereflecteerd.

Daarvoor leggen we het paneel ondersteboven, doen wat terpentine in een stenen bekertje en steken dit aan.
Wel een afdekplaatje erbij houden zodat de vlam ieder moment gedoofd kan worden!
Met de vette walmende vlam beweeg je langs de oppervlakte van het paneel totdat er een mooie gelijkmatige pikzwarte roetlaag is gevormd.
Deze werkt fantastisch en een weinig zonlicht maakt de plaat al kokend heet!
Om warmteverlies te beperken, de collector afdekken met een heldere folie, deze is voor weinig te koop bij Hornbach en wordt gebruikt voor zelfbouw kweekkasjes.
Belangrijk is het om op de collectorbanen een rubberen strip te lijmen zodat de afdekfolie de metalen delen niet raakt, want door de hitte kan de folie zacht worden en vervormen!
Ook aan de onderkant een isolatielaag aangebracht van radiatorfolie, is ook voordelig en werkt afdoende.

                               

De eerste test

Voor een eerste test heb ik vier van deze zelfbouw collectoren opgesteld in de zonnige achtertuin op een mooie dag in augustus.
Een koelbox doet dienst als buffervat, een CV-pomp, voor enkele tientjes van Marktplaats, pompt het water rond vanuit de koelbox naar de panelen en weer terug naar de koelbox.
In de koelbox zit 30 liter water van 20 graden, dit bereikte na een half uur een temperatuur van 50 graden, dus 1 graad per minuut temperatuurwinst.
Omgerekend dus een totaal vermogen van 30 (liter water) x 4186 (joules per liter per graad) / 60 (seconden) is dus 2093 Watt!
De vier paneeltjes leverden dus meer dan 500 Watt per stuk aan pure zonne-energie!
Nu staat de zon in augustus alweer een stuk lager dan in mei, juni en juli, dus ik ben nog steeds erg benieuwd naar het maximaal vermogen in juni, OK dat zien we volgend jaar...

 

Op het dak gemonteerd

In september 2010 heb ik de panelen op het dak gemonteerd, gewoon met dezelfde sterke kit op het dak vastgekit, via een aluminium plaatje liggen ze muurvast plat tegen de pannen aan.
Via een ventilatie-schoorsteen lopen de slangen naar binnen, dus er hoefde geen speciale dakdoorvoer te worden gemaakt.
Een goede slang is de zwarte spiraalslang, te verkrijgen bij Hornbach, deze slang heeft het voordeel dat hij niet zo gemakkelijk knikt
Zie hieronder de panelen in actie!

Op het dak gemonteerd

De doorvoer naar binnen

 

 

Het boilervat

Een boilervat moet natuurlijk goed en betrouwbaar zijn, daarom heb ik een dergelijk vat toch maar niet zelf proberen te bouwen maar gekocht via River Solar.
Dit vat, met 200 liter waterinhoud is voldoende voor 2 a 3 dagen warm water voor ons gezinnetje, dus ook een daagje met bewolking kunnen we wel overbruggen.
Via de boiler gaat het water naar de combi-ketel zodat ook bij gebrek aan zon, er toch voldoende warm water uit de kraan komt!
Maar naarmate het boilerwater warmer wordt, hoeft de ketel minder hard te branden en zo besparen we dus gas.
Het zonne-circuit bestaat dus uit een buffervat in de vorm van een koelbox, met daarin een mix van demi-water en koelvloeistof.
Een tweedehands CV pompje pompt de vloeistof naar de panelen en dankzij de zwaartekracht stroomt het zigzag over de panelen omlaag en daarna via de warmtewisselaar van de boiler weer terug naar de buffer.
Natuurlijk kan er beter solar vloeistof in, maar gezien de prijs van 10 euro per liter(!) heb ik dus gekozen voor gewone auto-koelvloeistof die net zo goed werkt.
Deze beschermt gelijk het metaal van de warmtewisselaar tegen roestvorming.
Enige nadeel daarvan is dat de gebruikte ethaandiol in deze vloeistof giftig is, maar zonne en drinkwatercircuit zijn volkomen gescheiden van elkaar dus veel kwaad kan het niet.

Het boilervat met daarachter het zonne-buffervat (koelbox) en bovenop het zelfbouw besturingskastje.

Het besturingskastje

Ook dit is weer vrij eenvoudig zelf te maken, met wat goedkope electronica-onderdelen, een plastic bakje en een paar snoertjes bespaar je alweer meer dan honderd euro!
Het kastje moet de temperatuur van de panelen vergelijken met die van de zonneboiler en zodra de panelen warmer zijn dan de boiler moet de circulatiepomp worden ingeschakeld.
Hiervoor heb ik een NTC weerstandje onder tegen een van de panelen gekit en ook eentje tegen een metalen plug op de boiler.
Deze weerstandjes kosten circa 60 cent per stuk, via een eenvoudige schakeling zijn ze verbonden met een ICtje van nog geen euro, dat de spanningsval registreert over beide NTC's en indien er een positief verschil is, wordt een uitgangssignaal gegeven naar een power-transistor die een relais inschakelt.
En dit relais schakelt de pomp in en tevens een 5W LED lampje dat aangeeft dat het systeem draait.
Zie hiernaast het schema:

Instellen gaat als volgt:
Meet de weerstand van de NTC (D3) op de boiler.
Zodra de zon begint te schijnen, de weerstand van de NTC op het paneel (D2) meten.
Door het oplopen van de temperatuur zal deze beginnen te zakken.
Zodra de waarde ongeveer 100 ohm lager is geworden dan de boiler-NTC, beide weer aansluiten op het kastje en de potmeter
zodanig verdraaien dat het relais net inschakelt.
En klaar is Kees!

 

R6,R7 en R10 zijn 4.7K
R8 en R9 zijn 2.7K
RV2 is een potmeter van 1K
In plaats van D4 heb ik een condensator van 100uF gebruikt, om het relais rustig te laten schakelen.
Voor D2 en D3 heb ik NTC weerstanden van 1K gebruikt.
IC2 is de LM741
Q2 tenslotte is een power transistor AD149 uit een oude voeding gehaald.

 

Kostenplaatje

Om een indicatie te geven wat nou zo'n zelfbouw systeem kost, hieronder een beknopte lijst van de gebruikte materialen.
De werkelijke kosten zullen echter hoger liggen, in verband met verzendkosten van via het web bestelde spullen, autokosten van zelf opgehaalde spullen en natuurlijk de tijd en moeite die in het bouwen van de zonneboiler gaat zitten.
Maar toch nog altijd veel minder dan een professionele zonneboiler met alles erop en eraan!

Collectoren:

  • 4 platen aluminium, 1 x 1 meter, 1mm dik                    €83.16
  • 4 meter kweekkas-folie                                              €28.00
  • 4 meter radiatorfolie                                                   €15.00
  • 2 tubes Aqua-Forte fix & seal                                     €29.90
  • 32 meter U profiel 10x20x10                                      €96.00
  • Alu pijpje doorsn. 15mm                                            €  3.00
  • Slangen en slangenklemmen  circa                               €30.00

Buffervat en besturing:

  • Koelbox                                   €17.00
  • Koelvloeistof en demiwater       €20.00
  • 2de hands CV pomp                €25.00
  • Besturingskastje circa               €10.00

Tapwater voorraadvat en toebehoren:

  • Zonneboilervat 200 liter                                €450.00
  • divers aansluitmateriaal, waterleidingbuis etc. € 75.00

En zo kom ik uit, alle materiaal samen op een totaal bedrag van circa 885 euro voor deze zelfbouwzonneboiler.
Ga ik die kosten ooit terugverdienen?
Bekijk de maandopbrengsten die ik vanaf nu op deze site ga zetten en oordeel zelf!
Maar ook al is de financiele opbrengst niet spectaculair veel, het is gewoon mooi om te doen en het geeft een geweldige kick om lekker te douchen onder zelf met behulp van de zon gemaakt heerlijk warm water!

Prestaties van de zonneboiler in 2011

Inmiddels is de boiler nu ruim een jaar in werking, het lijkt me wel aardig om met de lezers van deze website wat ervaringen te delen wat betreft de prestaties.
Om te beginnen:  De berekende opbrengst in 2011 is 2,53GJ.
Dit komt ongeveer overeen met ruim 80 kuub Gronings aardgas, wat 4,5% is van ons jaarverbruik.
Professionele zonneboilers beloven een jaaropbrengst van 4 a 5 GJ maar kosten dan ook wel tot 5 maal zoveel dan deze zelfbouwinstallatie!

Dus eigenlijk kan ik best tevreden zijn met dit resultaat, zeker als ik kijk naar de opbrengst per opbrengst per geïnvesteerde euro.
De opbrengst is gemeten door dagelijks de temperatuur van de boiler ’s morgens te meten en daarna in de vroege avonduren opnieuw.
Uit het temperatuurverschil kan dan de geschatte energieopbrengst worden berekend.
Toegegeven, heel erg nauwkeurig is deze methode niet, temeer omdat het overdag afgetapte warmwater niet kan worden meegeteld.
Dit is dus niet gemeten energie die echter wel degelijk is opgewekt.
Anderzijds gebruikt de pomp van de boiler ook nog de nodige elektriciteit, wat weer een rendementsverlies is,  echter komt ook deze energie uiteindelijk als warmte in het boilerwater terecht, maar uit de dagelijkse waarnemingen van een jaar kan toch heel aardig het opgewekt vermogen van de collectoren berekend worden, aangezien de tijd dat de pomp heeft gelopen wel op de minuut nauwkeurig kan worden gemeten.
Dit blijkt rond de 1200W te liggen.
En zo kan ik op dagen dat het hele gezin overdag gedoucht heeft, toch een goede schatting maken van de opgevangen energie aan de hand van de draaiuren.

Factoren die van invloed zijn op de opbrengst

Factoren die van grote invloed op de opbrengst blijken te zijn:

  • Natuurlijk het aantal uren zon op een bepaalde dag, met name in het voor- en naseizoen is de zon doorslaggevend, vooral de uren tussen 10:00 en 16:00 levert de zon maximaal warmte, in de zomer vanwege de zomertijd schuift dit een uur op.
  • Het verbruik van warm water.
    Wanneer er weinig warm water wordt verbruikt kan de boiler niet presteren, immers in tegenstelling tot PV is terugleveren van energie aan het net niet aan de orde, dus meer dan het eigen verbruik kan er niet worden opgewekt.
    Met name in perioden met zeer zonnig weer, zoals we die in het voorjaar van dit jaar 2011 hebben gehad, is dit effect zeer goed merkbaar.
  • De verzadigingstemperatuur.
    Hoe hoger de temperatuur oploopt, hoe minder energie de collectoren leveren.
    Immers er ontstaat bij een bepaalde temperatuur een evenwichtsituatie tussen in en uitgestraalde warmte op de collectoren. Bij het ontwerp zoals het er nu bij ligt, ligt deze temperatuur in de zomer rond 60 graden, in de winter zakt deze tot rond 25 graden op een zonnige dag in december en januari.
    Bij ons gemiddelde warmwaterverbruik hebben we daardoor in de zomermaanden genoeg aan ongeveer 3 uur zon per dag, de dagen dat deze zonne-uren gehaald worden kunnen we volledig op zonnewarmte douchen.
    Waarschijnlijk ligt in deze vrij lage verzadigingstemperatuur het verschil met de professionele apparaten, want indien het water in de boiler koel is, loopt de temperatuur bij een beetje zon wel zeer snel op, om te stokken bij dit evenwichtspunt.
    Gezegd moet daarbij wel, dat de zeer slechte zomermaanden juli en augustus van dit jaar door gebrek aan zonuren nog niet de maximaal haalbare temperatuur hebben opgeleverd, ik vermoed dat deze rond 80 graden ligt op een zeer warme en strakblauwe zomerdag.
    Die we deze zomer dus niet gehad hebben helaas…
    Ieder nadeel heeft gelukkig ook weer zijn voordeel, er hoeven geen maatregelen genomen te worden tegen oververhitting van de installatie!

Toekomstvisie

Zonne-energie kan op dit moment de fossiele brandstof nog niet vervangen, het grote probleem is niet het winnen van deze energie maar de opslag.
Als we de zonnewarmte van lente en zomer  grootschalig kunnen bufferen, dan kunnen we daar in de winter gemakkelijk bijna brandstofloos ons huis mee warm houden.
Misschien zou het mogelijk zijn om een zeer grote goed geïsoleerde waterbuffer onder de grond aan te leggen, die in de zomer met zonnecollectoren verwarmd wordt, en zijn warmte  ’s winters afgeeft aan de verwarmingsinstallatie.
Maar zolang brandstofprijzen nog relatief laag blijven zal men daar niet in willen investeren, zo werkt de wereld helaas nou eenmaal….
Maar ik hoop dat ik met dit verslag en mijn website anderen kan inspireren om ook eens aan de slag te gaan met zelfbouw zonne energie en hun bevindingen in te sturen daar deze of mijn site zodat we van elkaar kunnen leren en zo een steentje bijdragen aan het omschakelen naar een meer duurzame energievoorziening waar dat mogelijk is!

Conclusie

Een zonneboiler is een mooie investering die een groot deel van het jaar kan voorzien in de behoefte aan warm water voor bad en/of douche.
Financieel levert het bij de huidige prijs voor aardgas echter zeer weinig op.
Zou men echter voor zijn warmwater afhankelijk zijn van een elektrische boiler dan is de opbrengst al een stuk interessanter.
Hoewel een professionele zonneboiler ruim twee keer zoveel warmte kan produceren dan dit zelfbouw apparaat, is de verhouding tussen investering en opbrengst van deze zelfbouwboiler beduidend beter.

Created and edited by Harry