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Sonnenkollektoren: Typen und Einsatz

Sonnenkollektoren dienen zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme und deren Übertragung an ein Wärmeträgermedium (Wasser, Solarflüssigkeit, Luft). Anschließend kann die Sonnenwärme zum Beispiel zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung oder Schwimmbaderwärmung genutzt werden.

Nutzung von Sonnenwärme

Kernstück eines Sonnenkollektors ist der Absorber, der meistens aus mehreren schmalen Metallstreifen besteht. Das Wärmeträgermedium wird durch ein mit dem Absorberstreifen verbundenes Wärmeträgerrohr geleitet. Bei einem Plattenabsorber werden zwei Platten miteinander verschweißt, zwischen denen das Wärmeträgermedium strömen kann. Typische Absorbermaterialien sind Kupfer und Aluminium.
Schwimmbadabsorber dagegen sind meistens aus Kunststoff (meist EPDM, aber auch Polypropylen und Polyethylen) gefertigt, da die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit wegen der niedrigen Temperaturen geringer sind.
Bei einem Speicherkollektor ist die Funktion des Kollektors und des Speichers in einem Gerät vereint. Speicherkollektoranlagen benötigen keine Umwälzpumpen und Regeleinrichtungen, da das Trinkwasser direkt im Kollektor erwärmt und gespeichert wird.

Hocheffiziente Absorberoberflächen

Absorber sind meistens schwarz, da schwarze Oberflächen einen besonders hohen Absorptionsgrad aufweisen. Der Absorptionsgrad gibt an, wieviel der einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung aufgenommen und nicht reflektiert wird. Da sich der Absorber dabei erwärmt und eine höhere Temperatur als die Umgebung erreicht, gibt er allerdings einen großen Teil der aufgenommenen Sonnenenergie in Form von langwelliger Wärmestrahlung wieder ab. Dieser Anteil wird durch den Emissionsgrad angegeben.

Um die Verluste durch Wärmeabstrahlung zu vermindern, sind hocheffiziente Absorber mit einer selektiven Beschichtung versehen. Sie ermöglicht die Aufnahme eines hohen Anteils der Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in Wärme. Gleichzeitig vermindert sie die Emission von Wärmestrahlung.
Die üblichen Beschichtungen verfügen in der Regel über Absorptionsgrade, die über 90 % liegen. Solarlacke, die mechanisch (streichen, spritzen) auf den Absorber aufgebracht werden können, sind nicht oder nur wenig selektiv, da sie über einen hohen Emissionsgrad verfügen. Bei Schwarzchrom, Schwarznickel und mit Nickel pigmentiertem Aluminiumoxid handelt es sich um galvanisch aufgebrachte selektive Schichten. Relativ neu ist eine Titan-Nitrid-Oxid-Schicht, die in einem Vakuum-Verfahren aufgedampft wird. Sie zeichnet sich nicht nur durch einen sehr niedrigen Emissionsgrad aus, sondern auch durch ein emissionsfreies, weniger energieaufwendiges Produktionsverfahren.

Der Flachkollektor

Skizze eines Flachkollektors
Skizze eines Flachkollektors

Flachkollektoren bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Als transparente Abdeckung kommt meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, das sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch (Treibhauseffekt).

Außerdem verhindert die transparente Abdeckung den Wärmeentzug vom Absorber durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion). Gemeinsam mit dem Gehäuse schließlich schützt sie den Absorber vor Witterungseinflüßen. Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech, manchmal wird auch glasverstärkter Kunststoff verarbeitet.
Durch die Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert. Als Dämmaterialien werden hauptsächlich Polyurethan-Schaum und Mineralwolle bevorzugt, in seltenen Fällen auch Mineralfaser-Dämmstoffe wie Glaswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas.
Flachkollektoren zeichnen sich durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis aus, sowie durch eine breite Palette an Montagemöglichkeiten (Indach, Aufdach, Freiaufstellung).

Um Konvektionsverluste im Kollektorkasten zu reduzieren, besteht auch die Möglichkeit, die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herauszupumpen. Diese Kollektoren nennt man Vakuum-Flachkollektoren. Sie müssen etwa alle ein bis drei Jahre neu evakuiert werden.

 

 

Der Vakuum-Röhrenkollektor

Skizze eines Vakuum-Röhrenkollektors (Heat-Pipe)
Skizze eines Vakuum-Röhrenkollektors (Heat-Pipe)

Bei dieser Art von Vakuumkollektor befindet sich der Absorberstreifen in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System. Mehrere einzelne hintereinandergeschaltete bzw. über eine Sammelleitung verbundene Röhren bilden den Sonnenkollektor. Beim Heat-Pipe-Röhrenkollektor befindet sich eine schon bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Bei Erhitzung verdampft die Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsdampf steigt im Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ab.

Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder an das Wärmerohrende zurück. Damit der beschriebene Verdampfungs- und Kondensierungsprozeß ablaufen kann, müssen die Röhren mit einer Mindestneigung von der Horizontalen aufgebaut sein. Man unterscheidet zwei Arten von Kollektoranbindung an den Solarkreislauf. Entweder ragt der Wärmetauscher in die das Sammelrohr hinein ("nasse Anbindung") oder er ist wärmeleitend mit dem Sammelrohr verbunden ("trockene" Anbindung). Die "trockene" Anbindung ermöglicht den Austausch einzelner Röhren ohne ein Entleeren des gesamten Solarkreises. Vakuumkollektoren bieten den Vorteil, daß sie auch bei hohen Absorbertemperaturen und bei niedrigen Einstrahlungen mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Außerdem sind höhere Temperaturen erreichbar (Heißwasserbereitung, Dampferzeugung, Klimatisierung).

Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor?

Wirkungsgradkennlinien eines Sonnenkollektors
Wirkungsgradkennlinien eines Sonnenkollektors

Der Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors ist definiert als Quotient aus nutzbarer thermischer Energie und auftreffender Sonnenenergie. Außer Wärmeverlusten treten optische Verluste auf. Der Konversionsfaktor oder optische Wirkungsgrad h0 gibt an, wieviel Prozent der Sonnenstrahlung durch die transparente Abdeckung des Kollektors gelangt und vom Absorber aufgenommen wird. Er ergibt sich im wesentlichen aus dem Produkt aus Transmissionsgrad der Abdeckung und Absorptionsgrad des Absorbers.

Die Wärmeverluste werden durch den thermischen Verlustfaktor oder k-Wert angegeben. Er gibt den Energieverlust in W pro m² Kollektorfläche und °C Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung an. Je höher diese Temperaturdifferenz ist, desto größer sind die Wärmeverluste. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz sind die Wärmeverluste gleich dem Energieertrag des Kollektors, so daß dieser keine Energie mehr an den Solarkreislauf liefert.
Ein guter Kollektor verfügt über einen hohen Konversionsfaktor und einen niedrigen k-Wert.

Kollektortyp

Konversionsfaktor

Thermischer Verlustfaktor in W/m² °C

Temperaturbereich in °C

Absorber (unabgedeckt)

0,82 bis 0,97

10 bis 30

bis 40

Flachkollektor

0,66 bis 0,83

2,9 bis 5,3

20 bis 80

Vakuum-Flachkollektor

0,81 bis 0,83

2,6 bis 4,3

20 bis 120

Vakuum-Röhrenkollektor

0,62 bis 0,84

0,7 bis 2,0

50 bis 120

Speicherkollektor

etwa 0,55

etwa 2,4

20 bis 70

Luftkollektor

0,75 bis 0,90

8 bis 30

20 bis 50

Welcher Kollektor für welchen Einsatzfall?

Wirkungsgradkennlinien und Arbeitsbereiche verschiedener Kollektortypen (Einstrahlung: 1000 W/m²)

Wichtig bei der richtigen Auswahl des geeigneten Kollektortyps ist vor allem der geforderte Temperaturbereich. So ist ein unabgedeckter Absorber sicherlich für die Erzeugung von Prozeßwärme nicht geeignet. Im einzelnen müssen aber auch bestimmte Standortfaktoren (Einstrahlungswerte, Witterungsverhältnisse, Platzangebot) berücksichtigt werden, die einen Einfluß auf die Kollektorauswahl haben können.

Die spezifischen Kollektorkosten spielen natürlich auch eine Rolle. Sie liegen bei Vakuum-Röhrenkollektoren mit 400 bis 1.200 €/m² Kollektorfläche um einiges über denen von Flachkollektoren (150 bis 600 €/m²) oder gar von Kunststoff-Absorbern (25 bis 100 €/m²). Ein guter Kollektor ist aber noch lange kein Garant für eine gute Solaranlage. Vielmehr sollten alle Anlagenteile von hoher Qualität und optimal aufeinender abgestimmt sein.

Text und Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.

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