Der Vakuumröhrenkollektor ist eine spezielle Bauart des Solarkollektors. Seine Aufgabe in der Solarthermie-Anlage ist es, das Sonnenlicht in nutzbare Wärme umzuwandeln. Im Unterschied zum Flachkollektor, der einen kastenförmigen Aufbau hat, besteht der Röhrenkollektor aus einzelnen Vakuumröhren, die den Vorteil der Vakuumdämmung bieten. Das reduziert die Wärmeverluste und das steigert den Solarertrag besonders dann, wenn die Kollektortemperatur deutlich höher als die Umgebungstemperatur ist. Vakuumröhrenkollektoren sind also dann im Vorteil, wenn die Solarthermie-Anlage höhere Temperaturen erzielen soll. Aber auch in Solarthermie-Anlagen, die in Häusern Wärme für die Heizung und die Warmwasserbereitung erzeugen, kommt der Vakuumröhrenkollektor zum Einsatz. Wenn wenig Platz auf dem Hausdach zur Verfügung steht, kann er seine im Vergleich zum Flachkollektor höhere Flächeneffizienz ausspielen. Auch im Winter bei niedrigen Außentemperaturen kann er mehr Solarertrag ernten als ein Flachkollektor. Dabei hat er aber den Nachteil, dass Schnee wegen der guten Dämmung nur langsam wegschmilzt und daher viel Schneefall den Ertrag reduzieren kann.

Auf dem Markt konkurrieren zahlreiche Modelle des Vakuumröhrenkollektors, die sich technisch deutlich voneinander unterscheiden. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale sind die Glasröhren, die es als einwandige und doppelwandige Ausführungen gibt. Außerdem unterscheidet die Fachwelt direkt durchströmte Vakuumröhren von Heatpipe-Modellen.

CPC-Vakuumröhrenkollektor

Der CPC-Vakuumröhrenkollektor besteht aus zwei Glasröhren, die wie bei einer Thermoskanne miteinander verschmolzen sind. Das Vakuum befindet sich im Zwischenraum der beiden Glasröhren. Die hochselektive Beschichtung bringt man auf der inneren Glasröhre auf, sodass sich diese im Vakuum befindet und vor Umwelteinflüssen besonders gut geschützt wird.

Für den Wärmeübergang zum Solarkreis sorgt ein zylindrisches Wärmeleitblech, das sich im Inneren der beiden Glasröhren befindet. Es liegt eng an der inneren Glasröhre an und kann so die Wärme aufnehmen. Ein U-förmiges Absorberrohr, das im Kontakt mit dem Wärmeleitblech steht, kann dann die Wärme abführen. Wärmeleitbleche können aus Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen. Beim Absorberrohr kommen Kupfer oder Edelstahl zum Einsatz. Die Enden der einzelnen Vakuumröhren stecken in einem Sammelkasten. Dieser enthält ein Sammelrohr, mit dem die einzelnen U-förmigen Absorberrohre verbunden sind. Das Sammelrohr im Sammelkasten ist meist mit Mineralwolle gedämmt.

Wenn man mit dem Vakuumröhrenkollektor größere Kollektorfelder aufbauen will, spielt der Druckverlust eine besondere Rolle. Bei einer seriellen Verschaltung der einzelnen Röhren ist der Druckverlust am größten. Paradigma verschaltet in seinen aus 14 oder 21 Röhren bestehenden Kollektoren die einzelnen Röhren daher nicht seriell, sondern teilweise parallel in einer Tichelmann-Verschaltung.

Anders als beim Flachkollektor befindet sich die Absorber-Beschichtung nicht nur auf der Vorderseite des Kollektors, sondern kreisrund auf der ganzen Röhre. Das ermöglicht es, auch von der Hinterseite Sonnenlicht einzusammeln. Dafür sorgt der CPC-Spiegel, der mit seiner parabolförmigen Gestaltung das aus verschiedenen Winkeln eintreffende Sonnenlicht auf den Absorber lenkt. Auch diffuses Licht an bewölkten Tagen soll so besonders effizient eingesammelt werden. Auch bei Röhrenkollektoren kommen Antireflex-beschichtete Glasröhren zum Einsatz. Paradigma setzt solche bei seinem Aqua Plasma Kollektor ein.

Im Bild ein Schema, das Bündelung des Lichtes beim CPC-Röhrenkollektor zeigt.
Der CPC-Spiegel bündelt die Sonneneinstrahlung auf den Absorber in der Vakuumröhre, sodass Sonnenlicht aus jeder Richtung absorbiert wird. Grafik: Ritter Energie

Weitere Arten von Kollektoren mit doppelwandigen Vakuumröhren

Doppelwandige Vakuumröhren kommen fast ausschließlich aus China. Deutsche Hersteller wie Paradigma komplettieren die in China hergestellten Röhren zu Kollektoren und stellen die Komponenten wie Sammler oder die CPC-Spiegel selbst her. Neben dem CPC-Vakuumröhrenkollektor wie dem Aqua Plasma gibt es noch weitere Kollektortypen mit doppelwandigen Vakuumröhren. Zum einen müssen doppelwandige Vakuumröhren nicht unbedingt mit einem CPC-Spiegel verknüpft sein. Für kostengünstige Modelle verzichten die Hersteller darauf. Zum anderen unterscheiden Expert:innen zwischen einem direkt durchströmten Solarkollektor und einem Heatpipe-Kollektor, bei im Inneren ein Wärmerohr (Heatpipe) die Sonnenwärme einsammelt.

Kollektoren mit einwandigen Vakuumröhren

Vakuumröhrenkollektoren mit einwandigen Glasröhren unterscheiden sich im Aufbau prinzipiell von Modellen mit doppelwandigen Glasröhren. Denn bei diesen Vakuumröhren ist der gesamte Innenraum des Glasrohres evakuiert und nicht nur der Zwischenraum zwischen zwei Glasröhren. Auch von diesem Kollektortyp gibt es direkt durchströmte und Heatpipe-Varianten. In beiden Fällen befindet sich im Inneren ein Solarabsorber, der wie bei Flachkollektoren aufgebaut ist. Nur ist es hier ein Verbund aus dem Blech und einem einzigen geraden Absorberrohr, das so schmal ist, dass es in die Vakuumröhre hineinpasst. Einwandige Vakuumröhren sind dickwandiger als die Thermoskannenvariante. Ihr Durchmesser beträgt je nach Hersteller 56 bis 100 Millimeter. Die Röhre vom Aqua Plasma ist nur 47 Millimeter dick. Ein Hersteller von einwandigen Vakuumröhren mit 56 Millimeter Durchmesser ist das deutsche Unternehmen Narva. Viessmann fertigt diesen Röhrentyp in einem Werk in China und setzt dabei auf etwas dickere Röhren mit 70 Millimeter Durchmesser. Während Narva nur Röhren produziert und diese an verschiedene Kollektorhersteller zuliefert, komplettiert Viessmann die Vakuumröhren in seinem Werk in Lothringen zu Solarkollektoren. Eine Besonderheit sind Vakuumröhren mit einem beidseitig selektiv beschichteten Absorber. Diese Röhrenart stellt Narva her und setzt dabei die Absorber-Beschichtung von Almeco-Tinox ein.

Die Konstruktion der einwandigen Vakuumröhre erfordert eine vakuumdichte Verbindung von Glas und Metall, denn das mit der Wärmeträgerflüssigkeit gefüllte Absorberrohr muss aus dem Inneren der Glasröhre nach außen führen. Dieser Glas-Metall-Übergang ist ein technologisches Kernelement dieser Arten von Vakuumröhrenkollektoren. Er muss in dem großen Temperaturintervall stabil sein, die eine Vakuumröhre im Solarkollektor aushalten muss. Das kann auf verschiedene Art und Weise realisiert werden. Narva setzt beispielsweise eine Metalllegierung ein, die den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausweist wie das Glas der Röhre.

Varianten der einwandigen Röhrenkollektoren

Direkt durchströmter Vakuumröhrenkollektor

Direkt durchströmte Narva-Röhre.
Bei der direkt durchströmten Narva-Röhre ist das Absorberrohr konzentrisch angeordnet. Foto: Akotec

Bei der direkt durchströmten Vakuumröhre ist das Absorberrohr wie beim CPC-Vakuumröhrenkollektor mit dem Sammelrohr verbunden. Die Wärmeträgerflüssigkeit des Solarkreises durchströmt die Vakuumröhre und transportiert die Solarwärme ab.

Heatpipe-Vakuumröhrenkollektor

Heatpipe-Kollektoren unterscheiden sich von direkt durchströmten Varianten dadurch, dass die Heatpipe im Inneren vom Solarkreis getrennt ist. Die Heatpipe ist mit dem Solarabsorber verbunden und übernimmt die Funktion des Absorberrohres. In der Heatpipe befindet sich ein flüssiger Wärmeträger. Wenn Sonnenlicht auf den Absorber trifft und die Heatpipe erwärmt, verdampft dieser Wärmeträger und steigt zum höchsten Punkt der Heatpipe auf. Dort erwärmt er den Kondensator, der sich am oberen Ende der Vakuumröhre befindet und mit dem Sammelrohr des Solarkreises verbunden ist. Im Kondensator gibt die Heatpipe die erzeugte Solarwärme an den Solarkreis ab. Dadurch kondensiert der Wärmeträger und fließt zurück in den unteren Bereich der Vakuumröhre. Bei der Verbindung des Kondensators mit dem Sammler gibt es die nasse Anbindung, bei der die Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkreis den Kondensator umspült. Bei der trockenen Anbindung steckt der Kondensator im Sammler, ohne mit der Wärmeträgerflüssigkeit des Solarkreises direkt in Kontakt zu kommen.

Im Bild eine Heatpiperöhre.
Die Heatpipe endet im Kondensator. Foto: Akotec

Für den Wärmetransport in der Heatpipe ist es erforderlich, dass die Vakuumröhren einen Mindest-Anstellwinkel aufweisen. Viessmann hat eine Technologie entwickelt, bei der schon 3 Grad als Anstellwinkel ausreichen. Daher können diese Heatpipes ebenso wie direkt durchströmte Vakuumröhrenkollektoren nahezu horizontal auf einem Flachdach installiert werden. Die Röhren sind im Sammler drehbar gelagert, sodass man die Absorberfläche auch bei flach liegenden Vakuumröhren ausrichten kann, um den Sonnenstand optimal zu nutzen. Das ist sinnvoll zur Optimierung des Sommerertrages bei hohem Sonnenstand.

Heatpipe versus direkt durchströmt: Vor- und Nachteile

Narva und Viessmann stellen Heatpipes her, die wie einige Flachkollektoren über eine Temperaturbegrenzung verfügen. Doch hier erreicht man die Temperaturbegrenzung nicht durch eine temperaturabhängige Änderung der Absorber-Eigenschaften. Stattdessen stoppt der Wärmetransport in der Heatpipe, sobald eine bestimmte Temperatur überschritten wird. Die Überhitzung und mögliche Beschädigung dieser Vakuumröhrenkollektoren wird dadurch vermieden.

Beispielsweise beträgt die Stagnationstemperatur des Kollektormodelles Mega von Akotec, eines Herstellers, der Narva-Röhren einsetzt, nur 170 Grad Celsius. Beim Vitosol 200 TM von Viessmann sind es 175 Grad Celsius. Die direkt durchströmten Kollektoren müssen viel höhere Stagnationstemperaturen aushalten. Beim Aqua Plasma sind es 338 Grad Celsius und beim Vitosol 200 T SPX von Viessmann, der Heatpipes ohne Temperaturbegrenzung enthält, sind es sogar 350 Grad Celsius.

Viessman konzentriert sich mittlerweile ganz auf Heatpipes und hat direkt durchströmte Röhren aus dem Programm genommen. Die Heatpipes für Heizung und Warmwasser in kleineren Anlagen sind durchgehend mit der Temperaturbegrenzung ausgestattet, nicht jedoch die Vakuumröhrenkollektoren für Großanlagen, denn diese sollen höhere Temperaturen erreichen.

Trockene Anbindung der Heatpiperöhre bei Viessmann.
Viessmann bindet die Heatpipe-Röhren trocken an. Grafik: Viessmann

Die Dampfreichweite der temperaturbegrenzten Heatpipes ist so gering, dass der Dampf nicht bis zu den temperaturempfindlichen Komponenten vordringen kann. Denn Heatpipes produzieren generell nur wenig Dampf im Stillstand. Direkt durchströmte Vakuumröhren gehören hingegen zu den Solarkollektoren mit potenziell großer Dampfreichweite. Wenn man die Röhren parallel zur Dachneigung montiert, kann man die Dampfreichweite begrenzen.

Ein weiterer Vorteil von Heatpipes besteht darin, dass man bei trockener Anbindung defekte Röhren auswechseln kann, ohne den Solarkreis entleeren zu müssen. Das ist auch bei CPC-Vakuumröhrenkollektoren möglich, weil die Glasthermoskanne die Absorberrohre überdeckt, ohne mit ihnen fest verbunden zu sein. Heatpipes haben den Nachteil, dass der Wärmeübergang zwischen Kondensator und Sammler nicht perfekt ist, sodass die Effizienz etwas reduziert wird.

Jens-Peter Meyer