Twee vliegen in één klap met hybride zonnepanelen

Al een eeuw lang zijn we bezig met de ontwikkeling van systemen om de energie van de zon in grotere mate te gaan omzetten in bruikbare energie. Veel van de 'engineering know-how' en de analyses zijn echter opgedaan in de afgelopen 50 jaar. Dit heeft ervoor gezorgd dat er al heel wat documentatie is uitgebracht over zonne-energie. Zonne-energie is overvloedig beschikbaar hier op aarde maar slechts een fractie daarvan kan vastgehouden worden en omgezet worden naar een gewenste bruikbare vorm voor de mens. Eén van de basismethodes om de energie van de zon te gaan benutten is al heel lang gekend en benut door de mens. Namelijk gaat het hier om de passieve systemen.

Passieve zonne-energie is het gebruik van de thermische energie van in zonlicht zonder dat daar speciale apparatuur bij nodig is. Het concept hierbij is door bij het ontwerp van een huis zodanig rekening te gaan houden met hoe en waar het zonlicht binnenkomt, zodat de energie van de zon meehelpt bij de klimaatregeling in het huis. Doordat men dan de energie van de zon in zo'n groot mogelijke mate gaat benutten is er een heel stuk minder tot nagenoeg niets van extra energie meer nodig voor de klimaatregeling in het huis. De concrete maatregelen die men hierbij gaat invoeren verschillen sterk van huis tot huis en is afhankelijk van het klimaat in de regio waar het huis gebouwd wordt. Enkele voorbeelden van dergelijke maatregelen zijn de plaatsing en de grootte van de ramen in het huis, de opvang van de warmte in de bouwmassa van het huis zoals een warmte-buffer stenen muur waar de zon op schijnt, speciaal aangepaste ventillatie, en zo zijn er nog tal van andere maatregelen. De mens gebruik al zeer lang dergelijke technieken waarbij men dus het ontwerp van zijn woning aanpast aan het klimaat. Maar sinds de opkomst van centrale verwarming en airconditioning is men steeds minder aandacht aan deze zaken gaan besteden en werd dit dan minder toegepast. Maar sinds mondiale bezorgdheid omtrent het klimaat steeds toeneemt en stijgende energieprijzen, komen deze manier van ontwerpen terug op en worden deze technieken dan ook terug meer geïntegreerd in woningen en andere gebouwen.

Naast de passieve zonne-energie is er dan uiteraard ook de actieve zonne-energie. Hier wordt er wel apparatuur gebruikt om de thermische energie van de zon te gaan opvangen. Hier maakt men dus gebruik van collectoren voor de opvang van de thermische energie in het zonlicht. De collector geeft dat de thermische energie door aan een zogenaamde werkende vloeistof. Deze vloeistof wordt dus opgewarmd en wordt dan ofwel onmiddellijk gebruikt in de woning of wordt opgeslagen voor later gebruik. Bij dergelijke systemen wordt de thermische energie die wordt opgevangen hoofdzakelijk gebruikt voor de verwarming van woningen en andere gebouwen of voor de productie van warm water in die gebouwen. Dit is hoofdzakelijk het geval voor installaties op relatief kleine schaal. Deze kunnen perfect op de daken van een gebouw geplaatst worden. Maar er bestaan ook installaties op een veel grotere schaal. De collectoren worden dan in een open vlakte geplaatst. De werkende vloeistof wordt gebruikt om elektrische energie te gaan opwekken en niet meer voor verwarming van gebouwen of voor de productie van warm water. Bij een dergelijke systeem is niet alleen de schaal een stuk groter maar het proces is ook een stuk gecompliceerder. Deze vorm van thermische zonne-energie kent al een aantal vrij volwassen technologieën en is in sommige gevallen al een tijdje in gebruikt. Dus men heeft er al redelijk wat ervaring mee.

Voor thermische zonne-energie voor de opwekking van elektriciteit bestaan er een viertal verschillende soorten systemen. Een eerste is een torensysteem: een zonnetoren is een hoog gebouw waaromheen een groot aantal spiegels opgesteld staan. Deze draaibare spiegels reflecteren het zonlicht allemaal op één centraal punt bovenaan de toren, wat hierdoor enorm opgewarmd wordt. In dit punt wordt een opslagmedium geplaatst, dat de opgevangen warmte doorgeeft aan een waterketel. Het water in deze ketel wordt opgewarmd tot stoom en wordt dan gebruikt om een stoomturbine te gaan aandrijven. Een tweede systeem is een parabolische trog, dit is een lang uitgerekte spiegel die in doorsnede een paraboolvorm heeft. In het brandpunt van deze parabool loopt een buis met een vloeistof, die wordt opgewarmd tot relatief hoge temperaturen. Deze vloeistof is veelal water en dus bij het opwarmen verkrijgt men stoom. En ook hier terug wordt de stoom gebruikt om een stoomturbine te gaan aandrijven.

Het derde systeem is een parabolische schotel. Dit systeem is sterk gelijkaardig aan een grote schotelantenne. Maar hier bestaat de schotel uit spiegels en in het brandpunt bevindt zich een receptor. In deze receptor wordt er lucht verhit tot enorm hoge temperaturen, tot wel 1000°C. Deze warme lucht wordt dan gebruikt in een speciale motor die een generator aandrijft. Het vierde en laatste systeem is een zonne-schoorsteen en hier wordt een groot gebied ( enkele vierkante kilometer ) van een glazen dak voorzien. In het midden van dit gebied staat een hoge schoorsteen. De lucht, in met glas overdekte stuk, warmt op en daardoor gaat deze warme lucht opstijgen en verzamelt zich in de schoorsteen. In de schoorsteen staan één of meerdere turbines die aangedreven worden door de opstijgende lucht. Dit laatste systeem is vrij uniek en is nog maar één maal in werkelijkheid uitgevoerd.

En in het gebied van zonne-energie is er dan uiteraard nog een andere vorm, namelijk die waarbij men gebruik maakt van de fotovoltaïsche zonnecellen. Fundamenteel gezien is het proces hiervan zeer interessant aangezien de energie van het zonlicht in één enkele stap omgezet wordt in elektrische energie. Maar in realiteit is dit niet zo eenvoudig zoals het op het eerste moment lijkt te zijn. En verschillende zaken zorgen ervoor dat maar gedeelte van de energie-inhoud van het zonlicht kan omgezet worden in elektrische energie. In het beste geval spreken we hier van een rendement tussen de 20% à 30% bij de commercieel beschikbare zonnepanelen. Daarom zijn fotovoltaïsche zonnecellen in vele gevallen niet commercieel competitief met de andere energiebronnen in de energiemix. Maar de recente ontwikkelingen in de technologie van de fotovoltaïsche zonnecellen zullen waarschijnlijk voor verandering gaan zorgen. En daarnaast zijn er wel tal van situaties waar zonnepanelen wel geschikt zijn voor energieproductie.

En start-up genaamd Cogenra Solar heeft een nieuw 'soort' systeem bedacht voor het benutten van zonne-energie. Op zich is het niet onmiddellijk een nieuw soort systeem maar is het eerder een slimme combinatie van twee bestaande systemen. Bij dit systeem wordt er zowel thermische als elektrische energie geproduceerd. De zonnepanelen bestaan langs de ene kant uit fotovoltaïsche zonnepanelen die een deel van de energie van de zonnestralen omzetten in elektrische energie. Maar daarnaast bestaat er ook nog een systeem die de rest van de energie-inhoud gaat benutten en omzet in bruikbare thermische energie. Deze thermische energie is dan in de vorm van warm water die gebruikt kan worden voor de verwarming van gebouwen of voor de productie van warm water in het gebouw. Cogenra Solar maakt momenteel plannen om deze hybride zonnepanelen te gaan installeren in grote hoeveelheden bij bedrijfsgebouwen waar men zowel de elektriciteit als het warme water kan gebruiken. De exacte berekeningen van het financiële aspect van deze installatie is nog niet bekend gemaakt door het bedrijf maar bij Cogenra Solar verzekeren ze dat het warme water voor een significant lagere prijs verkregen wordt bij deze installatie.

De structuur van deze installatie is sterk gelijkaardig aan die van de parabolische trog. Ook hier gaat het om een lang uitgerekte spiegel, die in de doorsnede een parabolische vorm heeft. De invallende zonnestralen wordt geconcentreerd in het brandpunt van de parabool van deze spiegel. Maar in het brandpunt bevinden zich nu twee smalle stroken zonnecellen van monokristallijn-silicium. Maar hier blijft het niet bij, want achter deze twee smalle zonnepanelen bevindt zich een aluminium buis. Een deel van de zonnestralen die op een fotovoltaïsche zonnecel invallen, worden niet omgezet in elektrische energie en deze zorgen dan dat de zonnecel gaat opwarmen. En aangezien hier de zonnestralen geconcentreerd zijn, is de opwarmen van de zonnecellen ook opmerkelijk sterker. En dus worden de zonnecellen afgekoeld door een glycol-oplossing die door die aluminium buis stroomt. De thermische energie opgenomen door deze glycol-oplossingen is daarmee niet verloren want deze oplossing stroomt van deze parabolische trog naar een warmtewisselaar. Daar geeft het zijn warmte af aan het water die langs de andere kant door de warmtewisselaar stroomt. Het opgewarmde water kan dan gebruikt worden voor de verwarming van gebouwen of voor de productie van warm water.

Vroeger zijn er ook al dergelijke systemen ontwikkeld maar deze gingen steeds stuk doordat de fotovoltaïsche zonnepanelen oververhit geraakten. Maar hier heeft men een oplossing bedacht voor dit probleem. Namelijk worden er hier nu verschillende sensoren gebruikt om de temperatuur van de fotovoltaïsche zonnecellen in de gaten te houden. En wanneer de zonnepanelen te warm zouden worden, wordt dit gealarmeerd door de sensoren en gaat men snel meer glycol-oplossing door de buis gaan sturen zodat de zonnecellen afgekoeld worden en niet stuk gaan. Het is niet eenvoudig om een dergelijk regelsysteem op poten te gaan zetten. En er zijn een aantal trade-offs mee verbonden. Namelijk moet er dus in vele gevallen een keuze gemaakt worden tussen de hoeveelheid elektrische en de hoeveelheid thermische energie.

Momenteel is er nog maar één enkele installatie gebouwd waarbij deze technologie gebruikt wordt. En dus gebruikt men deze installatie om testen uit te voeren op grote schaal. Uiteindelijk worden deze testen dan gevolgd door een demonstratie van de efficiëntie van deze technologie. Uiteindelijk moet het regelsysteem niet enkel ervoor zorgen dat de zonnepanelen niet oververhitten. Daarnaast moet het ook helpen om ervoor te zorgen dat de verhouding elektrische en thermische energie voldoet aan de vraag van de gebruiker(s) van de installatie. En dit maakt de opdracht voor het regelsysteem vrij complex. Deze eerste installatie is gebouwd bij een wijnhuis van Sonoma Wine Company en is capabel om 50 kilowatt aan elektrische energie op te wekken een daarnaast ook zo'n 222 kilowatt aan thermische energie. Dit zou voldoende zijn om de kosten voor het aardgas voor de productie van warm water en de verwarming met zo'n 45% à 50% naar beneden te brengen en daarnaast om 10% van de gevraagde elektriciteit op te wekken.

Momenteel ziet het er nog niet direct naar uit dat deze installatie overal een financieel voordeel met zich mee zal brengen. Maar eventueel met subsidies zal dit systeem op korte termijn vrij interessant zijn. En op lange termijn valt het nog afwachten want aangezien deze technologie nog maar net ontwikkeld is, is de kans groot dat de installatie nog sterk geoptimaliseerd zal worden. En dus wordt daarmee het financiële voordeel ook steeds groter.

Geschreven door Emile Glorieux, bron [technologyreview]