Wat doet de zon?

Wat doet de zon op mijn rug?


(Een brief aan Joop, gepensioeneerd hoofd ontwikkeling chipfabriek Nijmegen van een bekende Nederlandse gloeilampen fabriek met daarna zijn reactie op deze brief en weer mijn commentaar daarop.)





Beste Joop,

Toen ik laatst op een zonnige herfstdag, op uitnodiging van de Barendrechtse Roeivereniging in hun vaarwater mocht roeien, genoot ik na een tijdje van het prachtige nieuwe uitzicht. Eerst ging het westwaarts onder de in aanbouw zijnde HSL lijn door en hadden we de wind mee. Na een kilometer keerden we terug en gingen we tegen de wind in juist naar het oosten. Aangezien ik op dat moment niet roeide en niet stuurde, want wij zaten met twee heren van onze club bij twee dames van de andere club in een wherry, voelde ik de zon toch in mijn rug prikken.
Ik dacht toen na hoeveel warmte de zon op 150 miljoen km afstand van ons op mijn 0,25 m2 rug liet schijnen.

Ik besloot dit op te zoeken en wat ik niet zou vinden zou ik proberen zelf uit te rekenen.
Ik vond dat de zon door een kernfusie proces waterstofatomen in heliumatomen omzette en dat bij dit proces stralings hitte energie vrijkwam.

De uitgestraalde zonne-energie per seconde is 386e24 (24 nullen erachter) watt = EZ.
Deze energie wordt naar alle kanten heengezonden en volgens mij ook evenredig naar de aarde en mijn rug. Als je de bolschil bekijkt met middelpunt de zon en straal de afstand zon-aarde. Heeft dit een oppervlak van 4x PI x (150e9)^2= 2827433 e17 (zeventien nullen) m2 = BO.

De aarde heeft een straal van 6378 km = 6378000 m= RA

De projectie van de aarde op dit boloppervlak = PI x RA ^2 = PI x (6378000)^2 = 1,277967e14 m2= A
Ja Joop, 14 nullen en geen 16 !

De door de aarde opgevangen energie per seconde is dus A/BO x EZ= 174e15 watt= 174000 tera watt.
Volgens Shell is dit 170000 tera watt, dus ik zat dicht in de buurt.

Ik vond ook dat 50000 tera watt verloren gaat door terugkaatsing de ruimte in. Blijft dus over 120000 terawatts. Deze 120000 terawatts kun je weer onderverdelen in ongeveer 2/3 deel voelbare warmte en 1/3 deel latente warmte (verdampingswarmte).
Deze latente warmte krijg je weer terug als de waterdamp weer tot regen condenseert maar voor een zonnecollector of je rug is het niet belangrijk.
Het deel voelbare warmte, die je direct kunt voelen en meten, is dus 80000 terawatt en wordt verdeeld over de projectie van de aarde = 1,27e14 m2

Joop, als de aarde overal bedekt zou zijn met een even dik wolkendek dan zou er meer warmte teruggestraald worden en minder tot het aardopppervlak doordringen. De boven genoemde verdeling is een gemiddelde. Dus zou je inderdaad op de zonnige plekken op aarde een verschil kunnen krijgen met die onder een wolkendek. Laten we dus maar aannemen dat op die wherry het gemiddelde van het volle vermogen van de zon op mijn rug geschenen had. Dat was dus 945 watt/m2 en geen 629 watt/m2. Dus mijn rug ontving 236 watt aan zonne warmte. De hoeveelheid energie per uur die mijn rug ontving gedurende die tocht van een uur is dus 236 wattuur.
En dit is nog maar de theoretische waarde. In de praktijk zal het nog veel meer tegen vallen vanwege het niet constant zijn van deze luchtlaag . Er hoeft maar immers een dun wolkje tussen je rug en de zon te schuiven en je voelt het toch al.
Joop, als ze als maximum een gemeten waarde van 1150 watt/m2 per collector opgeven dan zou waarschijnlijk de warme lucht van 30 graden Celcius het verschil van 100 watt/m2 kunnen verklaren. Als de ingaande temperatuur in het water van de collector 20 graden celcius is dan zou door convectie en niet door stralingswarmte deze extra 100 watt/m2 misschien kunnen worden verklaard.
Het energiebedrijf zou voor de warmte op mijn rug 0,236 x 0,3665/2,20371 = 0,0396 euro rekenen, nog geen 4 eurocent dus.
Maar ja wat de natuur je gratis geeft is niet in euro's te waarderen.

Ja Joop, in deze tijd van het jaar kun je het goed merken. Toen een van onze instructeurs voor het schoolroeien met de schooljeugd aan het roeien was al heel vroeg in de morgen, zei één van de roeiers dat de boot lek was.
Bij nader onderzoek bleek dat het de dauw was die op de binnenkant van de boot gecondenseerd was. En zoals je hierboven gelezen hebt komt dan een gedeelte van de latente warmte weer vrij.

Wat betekent dit in de praktijk?
Terug nu naar moeder aarde: in theorie zou iedere vierkante meter oppervlak die je naar de zon kunt richten 945 watt aan warmte kunnen ontvangen overdag. In de praktijk betekent het dus dat je 's nachts geen warmte krijgt en deze waarde al door twee moet delen. Per jaar zou je dus komen op 365 x 24/2 x 945 = 4142 kwh/m2 per jaar.

In de praktijk blijkt dit niet haalbaar te zijn : via metingen blijkt dat op verschillende plekken op aarde dit van 500 tot 2500 kwh/m2 per jaar kan variëren.
Voor Nederland is het aantal zonne uren (Bron: KNMI) tussen 1200 en 1800 uur.
Aan de kust is een gemiddelde van 1550 uur te gebruiken.
Hiermee kunnen we uitrekenen dat het te bereiken voordeel van zonnewarmte voor ons in het Zeeuwse uitkomt op: 1550 x 0,945 kwh/m2 per jaar= ongeveer 1500 kwh/m2 per jaar, nog steeds theoretisch.
Als de theoretische waarde van 945 watt/m2 energie instraling per seconde niet haalbaar blijkt te zijn omdat deze waarde het maximum is en in de praktijk het alleen kan verminderen door niet loodrechte instraling, bewolking, afkoeling enz. Zie appendix
Wij moeten dit dus weer herinschatten . Stel dat dit 500 watt/m2 per seconde gemiddeld is. Dan halen we maar 750 kwh/m2 per jaar
Dit betekent dat je met een collector van standaardafmeting = 2,83 m2, per jaar 750 x 2,83 kwh = 2122 kwh = 2,122 x 3600Mwsec = 7639,2 MJ kunt opwekken. Dit is nog steeds theoretisch.
Met een gemiddelde stookwaarde van aardgas van 35 MJ/m3 zou je dus theoretisch 218,3 m3 aardgas kunnen besparen.
Maar zoals we hieronder zullen zien is het in de praktijk weer minder vanwege verliezen.

Joop, ik hoorde je toendertijd zeggen dat (je wat oudere) zonne boiler installatie 700 kwatt per jaar produceerde, hoeveel m2 groot was het? Maar nu je het me gemailed hebt weet ik dat het oppervlak 2 m2 is van je collector. En dat die 700 kwh per jaar gold voor iedere m2 van je collector. De meeste collectoren voor huishoudelijke doeleinden hebben een afmeting van 2,83 m2 dus net geen 3 m2. Het gewicht van zo'n collector is op een pannendak constructie zonder versterking neer te zetten, liefst onder een hoek van 30 graden t.o.v. het horizontale vlak op de zuid-zuid-west-ten-zuiden kant van je gebouw.
Ja vroeger bouwden ze heel wat zwaarder maar daar zijn ze nu van teruggekomen. Alles zo licht mogelijk.

Huidige stand van zaken
In Nederland is volgens het Novem, de instantie die zich nu bezig houdt met allerlei soorten alternatieve energiebronnen, tot het jaar 2000 ongeveer 50000 zonneboilers geinstalleerd. Ieder jaar komen er zo'n 8000 bij. Als dit zo blijft zal aan het eind van 2002 65000 zonnecollectoren op evenzovele huizen prijken.

De levensduur van zo'n systeem wordt gesteld op 15 jaar, vroeger zoals die zware van jou zeker 20 jaar.

De besparing aan aardgas per zonnecollector van 2,83 m2 wordt geschat op 180 m3 aardgas per jaar. Dit is een beparing van 71,58 euro bij een aardgasprijs van 0,397 euro per m3.
De prijs van zo'n collector is ongeveer 1600 euro waarvoor je 700 (nieuwbouw) tot 850 euro (vervanging) subsidie krijgt.
Voor nieuwbouw is de terugverdientijd (1600-700)/71,58 = 12,5 jaar.
Alle schoonmaak en onderhoudsdiensten niet meegerekend. Ook de installatiekosten niet.
Maar als je van de regering geen subsidie meer krijgt kun je heel lang wachten met terugverdienen. Misschien tot je 100 wordt of een ons weegt.
Er is nu, eind 2002, een actie bij Delta Nutsbedrijven waarbij de Provincie ook meedoet aan subsidie verstrekking , de terugverdientijd kan dus korter zijn.
Als je (bijna) het hele bedrag gesubsidieerd krijgt, heb je het dus snel terugverdient!

Joop, die zonnecollector van jou heb je nu zeker al terug verdiend, en misschien heb je het bij die hoop stenen , je huis, wel reeds cadeau gekregen!.
En mocht je misschien in die tijd te veel betaald hebben voor je zonnecollector, je moet maar denken dat je toen één van de weinigen was die zo'n exclusief ding op z'n dak had staan.
Groeten,

Ton

P.S. Een paar figuren die je me opgestuurd hebt heb ik hier als appendix bijgevoegd.
Terug naar hoeveel beweeg je je? Huppelmachine. Watt? Terug naar appendix hoe 100