Zonne-verwarmingssysteem

Achtergrond

In slechts één seconde geeft de zon 13 miljoen keer de energie af die wordt opgewekt door alle elektriciteit die in een jaar in de Verenigde Staten wordt verbruikt. Slechts een miljoenste van de energie van de zon bereikt de aarde, maar deze kleine hoeveelheid zou meer dan voldoende zijn om aan de energiebehoefte van onze hele planeet te voldoen. De relatieve moeilijkheid om energie uit de zon te halen, in vergelijking met systemen die energie halen uit fossiele brandstoffen of kernenergie, heeft de ontwikkeling ervan als een wijdverbreide energiebron belemmerd. Op kleinere schaal en in veel experimentele projecten is zonne-energie echter zeer effectief gebleken in het produceren van zowel elektriciteit als warmte.

Zonne-energie werd voor het eerst onderzocht voor elektrische doeleinden in de jaren 1950, toen de behoefte aan continue elektriciteitsopwekking op ruimtesatellieten de ontwikkeling van een zonnecel in de Bell Telephone Laboratories van de Verenigde Staten voortbracht. Maar zelfs vandaag de dag zet de beste siliciumzonnecel zonlicht om in elektrische stroom met een efficiëntie van slechts 18%. Toch hebben experimenten met groot succes gebruik gemaakt van door de zon opgewekte elektriciteit. Een zeer zichtbaar project gericht op zonne-energie is de jaarlijkse internationale autorace op zonne-energie.

Zonne-energie is effectiever gebleken en wordt op grotere schaal gebruikt voor zowel water- als ruimteverwarmings- en koelsystemen. Als waterverwarmer wordt zonne-energie het meest gebruikt om zwembaden te verwarmen. Voor ruimteverwarming worden twee hoofdtypen systemen gebruikt. Een passief zonneverwarmingssysteem laat zonne-energie rechtstreeks in een gebouw toe via grote ramen op het zuiden (op het noordelijk halfrond) en verwarmt direct de ruimte binnen (dit staat bekend als directe winst en wordt ook wel het broeikaseffect genoemd) of via een muur of dak dat de zonnestraling absorbeert, de resulterende warmte opslaat en de warmte afgeeft aan het gebouw (dit staat bekend als indirecte winst). Een passief systeem kan ook gebruikmaken van een absorber en opslagcomponenten (zoals een rotsbed) die geen deel uitmaken van het gebouw, maar zich in hun eigen aparte kamer bevinden. Dit staat bekend als een systeem met geïsoleerde versterking.

Actieve zonneverwarmingssystemen gebruiken water of lucht om warmte van collectoren die aan de zuidkant (opnieuw, op het noordelijk halfrond) van het dak van een gebouw zijn gemonteerd, naar rotsbedden of watertanks te transporteren. De opgeslagen warmte kan ofwel rechtstreeks in een kamer worden toegelaten bij gebruik van rotsbedden en lucht als overdrachtsvloeistof, of via ventilatorconvectoren wanneer de zonne-energie voor het eerst water verwarmt. De warmte wordt vervolgens door de spoelen overgebracht om de lucht te verwarmen. Koelsystemen zijn ook onderverdeeld in passieve en actieve systemen die nachtlucht en condensatie gebruiken om de lucht in een gebouw te koelen.

Er kunnen verschillende soorten zonnecollectorpanelen worden gebruikt die geschikt zijn voor het type faciliteit dat wordt verwarmd of gekoeld. Voor huishoudelijk gebruik is een vlakke plaatcollector, een grote platte doos met een glazen bovenzijde en een warmteabsorberende zwarte bodem met daarin parallel aan de boven- en onderzijde lopende buizen, het meest geschikt. Een concentrerende collector, gemaakt van reflecterende materialen en in de vorm van een trog of kom, is het meest geschikt voor industrieel gebruik.

Geschiedenis

De zon heeft sinds het begin der tijden als warmtebron gediend, maar de vroegst gedocumenteerde het gebruik van een door mensen geconstrueerd zonnecollectorsysteem dateert uit 1776 toen de Zwitserse wetenschapper Horace de Saussure een rudimentaire collector ontwikkelde gewoonlijk aangeduid als een "hotbox". Astronoom Sir John Herschel gebruikte hete dozen om voedsel te koken tijdens een expeditie naar Afrika in de jaren 1830, en het gebruik van thermische zonne-energie voor koken en waterdestillatie werd vervolgens gebruikelijk in bepaalde delen van Afrika.

Vroege Amerikaanse pioniers van de late jaren 1800 gebruikten zwarte potten en pannen om water te verwarmen terwijl ze overdag reisden, waardoor het gebruik van zonne-energie populair werd om water te verwarmen. Het idee werd wijdverbreid toegepast in delen van het land die anders brandstof voor waterverwarming moesten importeren. In 1897 maakte bijvoorbeeld bijna 30% van de huizen in Pasadena, Californië, gebruik van zonneboilers.

Zonne-energie bleef de hele volgende eeuw matig gebruikt, maar tijdens de energie- en oliecrisis van de jaren zeventig won het enorm aan populariteit. Het gebruik van zonne-energie nam af naarmate de energiecrisis afnam, maar is in de jaren negentig weer in populariteit gestegen naarmate de bevolking zich steeds meer bewust wordt van de gevaren voor het milieu en de volksgezondheid die worden veroorzaakt door de verbranding van fossiele brandstoffen en het gebruik van kernenergie.

Grondstoffen

Omdat er veel soorten zonneverwarmingssystemen zijn, is er een grote verscheidenheid aan grondstoffen die bij de vervaardiging ervan kunnen worden gebruikt. Deze inzending zal zich richten op een basis residentieel passief systeem en een basis residentieel actief systeem.

Een passief zonne-energiesysteem vereist een zwart vlak plaatcollectorpaneel gemaakt van een stalen absorberplaat bedekt met twee glasplaten en een isolatiekussen gemaakt van glasvezelisolatie of polyurethaanschuim met een aluminiumfoliebekleding, die fungeert als vochtscherm . Het systeem bevindt zich in een ondiepe doos van hout, gegalvaniseerd staal of aluminium. Het systeem vereist ook typisch een warmteopslagbak, die droge kiezelstenen of stenen bevat. Deze unit slaat warmte op wanneer een gebouw voldoende verwarmd is. Bovendien vereist het systeem een ​​differentiële thermostaat, een elektronisch systeem waarmee de warmteniveaus en dus de kamertemperatuur handmatig kunnen worden geregeld, en een luchtbehandelingsmodule bestaande uit verbindingskanalen, luchtfilters, een ventilator en automatische dempers.

Een actief residentieel zonneverwarmingssysteem dat water als opslagmiddel gebruikt, vereist een vlakke plaatcollector die is gemaakt van een of twee platen glas of transparant plastic met zwarte metalen buizen en een isolatiekussen gemaakt van glasvezelplaat of een soortgelijk isolatiemateriaal. Het systeem vereist ook waterpompen, een opslagtank, warmtewisselaars, een extra verwarming, een ventilator, filters en een regelklep. Als stenen als opslagmateriaal worden gebruikt, kan een geïsoleerde bak moet worden gebruikt om ze te bevatten en uiteraard zijn waterpompen en spoelen niet nodig.

Alle zonneverwarmingssystemen maken gebruik van afdichting, aluminium gevelbeplating en sluitstrips, hoogstwaarschijnlijk gemaakt van rubber, verf en hout.

Het fabricageproces

Verzamelaars

• 1 Vlakke plaatcollectoren worden geïnstalleerd op een hellend dak of op verticale wanden door ondiepe, plaatstalen verdeelbakken, die lijken op grote bakpannen, aan elk uiteinde van de collectoren te installeren en de pannen aan de spanten van het dak of de muur te bevestigen . Vervolgens wordt royaal breeuwwerk aangebracht rond de bovenrand van de verdeelbakken. Ommanteling wordt vervolgens aan het dak of de muur bevestigd en alle naden zijn gebreeuwd. Spruitstuksleuven worden in de mantel gesneden en de blokkering wordt rond de omtrek van de mantel bevestigd.
• 2 De absorptieplaat wordt over de mantel geplaatst en reikt tot aan de buitenste blokkering van het verdeelblok. De uiteinden zijn afgedicht met eindafsluitstrips, meestal gemaakt van rubber en afdichting. De boven- en onderrand zijn ook gebreeuwd.
• 3 Op de absorber O-plaat worden latten bevestigd en wordt een beglazingssysteem aangebracht bestaande uit een enkele glaslaag op een dak of een dubbele glaslaag op een wand.
• 4 Rondom de collector worden aluminium glasroeden geplaatst.

Luchtbehandelings- en regelsysteem

• 5 In een passief systeem bestaat het luchtbehandelingssysteem uitsluitend uit kanalen die tussen de collector en de leefruimte zijn geïnstalleerd, evenals een ventilator en een handmatige bediening om de ventilator te activeren. Een geïsoleerd versterkingssysteem zou ook een afzonderlijke opslagkamer en leidingwerk naar en van de kamer omvatten.
• 6 In een actief systeem is een opslagbak met stenen of water nodig om overtollige warmte op te slaan. Kanalen met aan-uit dempers zijn geïnstalleerd van de collector naar het huis, de collector naar de opslagbak en de opslagbak naar het huis. Er zijn twee ventilatoren geïnstalleerd.

Opslag

• 7 Een steenopslagsysteem bestaat uit een geïsoleerde bak gevuld met kleine stenen van 2,5-12,7 cm breed. Er is voldoende ruimte tussen de rotsen om het blazen van lucht door de kanaalaansluitingen aan beide uiteinden van de bak te vergemakkelijken.
• 8 Een wateropslagsysteem is vergelijkbaar met het rotsopslagsysteem, waarbij water wordt gebruikt in plaats van rotsen.

Kwaliteitscontrole

Voor een residentieel zonneverwarmingssysteem kan de pasvorm van de eindafsluitingen en de geschiktheid van de afdichting op de collectoren worden getest met behulp van een rookbom om eventuele lekken te detecteren. De rooktest wordt uitgevoerd voorafgaand aan de beglazing.

De Toekomst

Naarmate er meer prototypes van door zonne-energie verwarmde en door zonne-energie aangedreven woon- en commerciële units worden ontwikkeld, vertoont deze energiebron serieuze tekenen van uitgroeien tot een bron van warmte en elektriciteit die meer dan experimenteel is. Milieu- en natuurlijke hulpbronnengroepen, evenals en vaak in samenwerking met het Amerikaanse ministerie van Energie en verschillende internationale organisaties, blijven aandringen op een meer wijdverbreide afhankelijkheid van zonnewarmte en -kracht en ontwikkelen voortdurend nieuwe en innovatieve toepassingen voor deze bron van energie. Terwijl het werk binnen de onderzoeksfaciliteit voor zonne-energie van het Department of Energy zich richt op fotovoltaïsche energie, vormt het gebouw zelf een bewijs van het succes van zonne-energie. Het innovatieve, met ramen beladen, trapvormige ontwerp van het gebouw zorgt voor directe zonverlichting en verwarming en is een voorbeeld van hoe succesvol de afhankelijkheid van zonne-energie kan zijn - en hoe wijdverbreid een dergelijke afhankelijkheid in de toekomst zou kunnen worden.

De American Solar Energy Society demonstreert de bruikbaarheid van zonne-energie in haar jaarlijkse zonne-home tours. De organisatie houdt haar leden ook op de hoogte van ontwikkelingen op het gebied van wetgeving op het gebied van zonne-energie. Zo was de organisatie in juli 1996 actief in het lobbyen voor de goedkeuring van wetgeving voor de financiering van hernieuwbare energie. Hoewel een dergelijke wetgeving tot op heden nog niet is uitgevaardigd, wijst de invoering van dergelijke wetsvoorstellen op belangstelling voor zonne-energiekwesties bij ten minste enkele leden van het Congres. De International Solar Energy Society houdt zich op mondiaal niveau bezig met soortgelijke problemen en streeft naar een grotere afhankelijkheid van zonne-energie wereldwijd.