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, zur Heizungsunterstützung, für Sonnenhäuser, zur Schwimmbaderwärmung oder auch für die industrielle Prozesswärme genutzt werden. Je nach Einsatz in der Solarthermie gibt es unterschiedliche Typen von Sonnenkollektoren.

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

Die Absorber von Sonnenkollektoren sind dunkel, 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.

Stand der Technik sind heute aber Beschichtungen, die in einem Vakuum-Verfahren aufgedampft wird. Sie zeichnen sich nicht nur durch einen sehr niedrigen Emissionsgrad aus, sondern auch durch ein emissionsfreies, weniger energieaufwendiges Produktionsverfahren. Solche Vakuum-Aufdampfschichten bestehen zum Beispiel aus Titan-Nitrid-Oxid oder Aluminium-Nitrid. Relativ neu ist eine Vakuum-Schicht, die ihren Emissionsgrad mit steigender Temperatur vergrößert. Das führt dazu, dass die Wärmeverluste bei hohen Temperaturen ansteigen und dadurch die Stagnationstemperatur geringer ausfällt. Das schützt Sonnenkollektor und Solaranlage vor temperaturbedingten Alterungsprozessen.

Der Flachkollektor

Skizze eines Flachkollektors

Der gängiste Typ von Sonnenkollektoren für den Einsatz im Gebäudebereich ist der Flachkollektor. 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 Dämmmaterialien 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).

Spezialfälle von Flachkollektoren

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. Eine weitere Möglichkeit der Reduktion der Konvektionsverluste besteht in einer Füllung des Innenraumes mit Edelgas. Doppelt verglaste Flachkollektoren bieten ebenfalls die Möglichkeit höhere Temperaturen zu erzeugen, weil sie geringere Konvektionsverluste aufweisen.

Relativ neu ist ein Typ von Flachkollektoren, die Heat-Pipes enthält (siehe auch Heat-Pipe Vakuumröhrenkollektoren). Auch Heat-Pipes dienen hier der Temperaturbegrenzung im Stagnationsfall.

Ein weiterer Speziallfall von Flachkollektoren sind Hybridkollektoren, die Luft oder Solarstrahlung als Wärmequelle nutzen. Solche Kollektoren kommen in Heizsystemene mit solaren Wärmepumpen zum Einsatz.

Der Vakuum-Röhrenkollektor

Skizze eines Vakuum-Röhrenkollektors (Heat-Pipe)

Bei diesem Typ von Sonnenkollektor 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 Vakuum-Röhrenkollektor. Solche Typen von Sonnenkollektoren nennt man direkt durchströmte Vakuum-Röhrenkollektoren

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.

Einen weiteren Typ des Vakuum-Röhrenkollektors nennt man nach dem Ort seiner Erfindung Sydney-Kollektor. Sydney-Kollektoren funktionieren nach dem Prinzip einer Thermoskanne. Es handelt sich also um eine Röhre mit doppelter Glaswand, die im Inneren evakuiert ist. Die Absorberbeschichtung wird hier auf die äußere Glasfläche der inneren Röhre aufgedampft. Zur Übertragung der Wärme auf die innenliegenden, Wärmeträger durchströmten Rohre erfolgt über ein Wärmeleitblech aus Metall. Sydney-Röhrenkollektoren können ebenfalls direkt durchströmt sein oder eine Heat-Pipe enthalten. Manche Modelle sind mit einem CPC-Spiegel ausgestattet. CPC steht für Compound Parabolic Concentrator. Dieser wirft das Sonnenlicht, das auf die leeren Abstandsräume zwischen den einzelnen Vakuumröhren trifft, gebündelt auf die Vakuumröhren zurück.

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). Zudem benötigen sie bei gleicher Leistung eine geringere Fläche als Flachkollektoren.

Konzentrierende Kollektoren

Noch höhere Temperaturen als mit Vakuum-Röhrenkollektoren erreicht man mit konzentrierenden Kollektoren. Darunter fallen Parabolrinnen-Kollektoren und Fresnel-Kollektoren. Solche Kollektoren setzt man für solare Prozesswärme und in solarthermischen Kraftwerken ein.

Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor?

Wirkungsgradkennlinien von unterschiedlichen Typen von Sonnenkollektoren.
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 (auch optischer Wirkungsgrad genannt) 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.

Welcher Kollektortyp für welchen Einsatzfall?

Kollektortyp Konversionsfaktor Thermischer
Verlustfaktor in W/m²K
Temperaturbereich in °C
Absorber (unabgedeckt) 0,82 bis 0,97 10 bis 30 bis 40
Flachkollektor 0,66 bis 0,86 2,9 bis 5,3 20 bis 80
Vakuum-Flachkollektor 0,81 bis 0,83 2,6 bis 4,3 20 bis 120
Doppelt verglaster
Flachkollektor
0,77 bis 0,81 2,1 bis 2,4 50 bis 120
Vakuumröhrenkollektor 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

Unabgedeckte Absorber sind in der Regel für die Schwimmbaderwärmung gut geeignet und sie können zur Quelltemperaturregeneration bei Erdwärmepumpenanlagen dienen. Für Solaranlagen für die Warmwasserbereitung oder Kombianlagen (Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung) eignen sich Flachkollektoren. Für diesen Anwendungsfall sind auch Vakuum-Röhrenkollektoren im Einsatz. Bei der solaren Prozesswärme oder auch der solaren Fernwärme hängt der Kollektortyp vom geforderten Temperaturbereich ab. So ist ein unabgedeckter Absorber 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 200 bis 1.000 €/m² Kollektorfläche um einiges über denen von Flachkollektoren (150 bis 300 €/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 aufeinander abgestimmt sein.

Text und Abbildungen mit freundlicher Genehmigung der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V./ Überarbeitung SolarServer 2019

Hier finden Sie aktuelle Meldungen aus den Sektoren Wärme, Strom und Mobilität und News aus der Solarthermie-Branche.