Der Solarkollektor, auch Sonnenkollektor genannt, dient zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme und deren Übertragung an ein Wärmeträgermedium (Wasser, Solarflüssigkeit, Thermoöl, Luft). Anschließend kann die Sonnenwärme zum Beispiel zur Warmwasserbereitung und für die Heizung, für Sonnenhäuser, zur Schwimmbaderwärmung oder auch für die industrielle Prozesswärme oder die Fernwärme genutzt werden. Je nach Einsatz in der Solarthermie gibt es unterschiedliche Typen von Sonnenkollektoren:
- Flachkollektor
- Vakuumröhrenkollektor
- Schwimmababsorber, unverglaster Solarkollektor
- Luftkollektor
- Parabolrinnen-Kollektor
Wieviel Energie liefert ein Solarkollektor?
Die Wärmemenge, die der Solarkollektor liefern kann, hängt vom Wirkungsgrad und der effektiven Fläche (Aperturfläche) ab, die die Sonneneinstrahlung in Wärme umwandeln kann. Die Leistung kann dabei bis zu 850 Watt pro Quadratmeter betragen. Sie hängt aber stark von der Sonneneinstrahlung und der Temperatur ab. Im Solar Keymark Zertifikat berechnen die Prüfinstitute auf der Basis der gemessenen Wirkungsgradkennline den Kollektorertrag für verschiedene Standorte in Europa und unterschiedliche Temperaturen. Ein Flachkollektor des Herstellers Citrin Solar erzielt zum Beispiel bei einer mittleren Kollektortemperatur von 50 °C am Standort Würzburg einen spezifischen Ertrag von 465 kWh/m2a. Der Vakuumröhrenkollektor von Ritter Energie erreicht 673 kWh/m2a.
In den meisten Fällen ist die effektive Fläche im Sonnenkollektor der Absorber. Der Absorber ist nämlich der Bestandteil des Solarkollektors, der sich durch das auftreffende Sonnenlicht aufheizt und über Rohrleitungen an die Wärmeträgerflüssigkeit weiterleitet. Bei konzentrienden Kollektoren wie dem CPC-Vakuumröhrenkollektor oder dem Parabolrinnenkollektor stellt ein Spiegel die effektive Fläche dar. Der Spiegel bündelt das Sonnenlicht und lenkt es auf den Absorber.
Hochselektive Beschichtung
Je nach Kollektorbauart, kann der Absorber ganz unterschiedlich aussehen. Im Flachkollektor ist es meist eine Platte aus Aluminium, die mit Kupferrohren verbunden ist. Seltener bestehen Absorber aus Kupferplatten oder aus mehreren Metallstreifen. Standard ist heute, dass Solarabsorber mit einer blauen, hochselektiven Beschichtung versehen sind. Diese Beschichtung sorgt dafür, dass der Absorber das Sonnenlicht sehr effizient aufnehmen kann. Der Absorptionsgrad des Absorbers, der angibt, wie viel der einfallenden kurzwelligen Sonnenstrahlung aufgenommen und nicht reflektiert wird, erreicht bei hochselektiven Schichten rund 95 Prozent. Gleichzeitig reduziert die Beschichtung die Wärmeabstrahlung durch Infrarotlicht. Der Emissionsgrad, der angibt, wie hoch der Anteil der Sonnenenergie ist, der durch Wärmestrahlung verloren geht, liegt bei heutigen Absorberbeschichtungen bei rund 5 Prozent.
Manche Flachkollektoren enthalten auch vollflächig durchströmte Absorber. Das sind Metallstrukturen mit Kanälen für die Wärmeträgerflüssigkeit. Auch diese Metallstrukturen sind in der Regel hochselektiv beschichtet. Im einwandigen Vakuumröhrenkollektor besteht der Absorber meist aus hochselektiv beschichteten Aluminiumstreifen, die in die Glasröhre eingebaut sind. Bei doppelwandigen Vakuumröhren nach dem Thermoskannenprinzip befindet sich die hochselektive Absorberbeschichtung direkt auf der Außenseite des inneren Glasrohres. Hier erfolgt die Wärmeübertragung an die Wärmeträgerflüssigkeit über Wärmeleitbleche, die die Wärme an die Rohre im Inneren des Kollektor weitergeben.
Die hochselektive Beschichtung wird in einem Vakuum-Verfahren aufgedampft. Sie ist 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 Solarthermie-Anlage vor temperaturbedingten Alterungsprozessen.
Unverglaste Kollektoren, sogenannte Schwimmbadabsorber, bestehen meistens aus Kunststoff (meist EPDM, aber auch Polypropylen und Polyethylen). Hier sind die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit geringer, weil sich diese Kollektorn nur deutlich geringere Temperaturen erreichen. Bei Schwimmbadabsorbern gibt es keine selektive Beschicutng. Hier sorgt die schwarze Einfärbung für die Erzeugung der Wärme.
Der Wirkungsgrad des Solarkollektors
Der Wirkungsgrad eines Solarkollektors gibt an, wie gut der Kollektor das Sonnenlicht in Wärme umwandeln kann. Er ist definiert als Quotient aus der nutzbaren thermischen Energie, die der Kollektor bereitstellt und der Sonnenenergie, die auf den Kollektor auftrifft. Der Wirkungsgrad eines Kollektors hängt aber davon ab, wie heiß er ist. Denn mit steigender Temperatur wachsen auch die Wärmeverluste. Der maximale Wirkungsgrad und damit auch die maximale Leistung tritt dann auf, wenn die Temperatur im Kollektor gleich groß ist wie die Temperatur der Umgebung. In diesem Fall gibt es keine Wärmeverluste und dieser Wirkungsgrad gibt nur die optischen Verluste an. Daher nennen Expert:innen den maximalen Wirkungsgrad auch optischen Wirkungsgrad oder Konversionsfaktor.
Dieser Konversionsfaktor 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 den Transmissionsgrad der Glasabdeckung oder der Glasröhre und dem Absorptionsgrad des Absorbers. Als transparente Abdeckung kommt meistens eisenarmes Solarglas zum Einsatz, das sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Eine Antireflex-Beschichtung verbessert bei manchen Flachkollektoren, aber auch Vakuumröhrenkollektoren den Transmissionsgrad.
Wärmeverluste steigen mit der Temperatur
Je wärmer der Solarkollektor im Vergleich zur Temperatur der Umgebung wird, die ihn umgibt, desto größer fallen die Wärmeverluste aus und der Wirkungsgrad sinkt. Die Wärmeverluste werden im Wesentlichen durch den thermischen Verlustfaktor angegeben. Er gibt den Energieverlust in W pro m² Kollektorfläche und °C Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung an. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz sind die Wärmeverluste gleich dem Energieertrag des Kollektors, so dass dieser keine Energie mehr an den Solarkreislauf liefert. Ein guter Solarkollektor verfügt über einen hohen Konversionsfaktor und einen niedrigen thermischen Verlustfaktor. Bei höheren Temperaturen kommt noch ein weiterer Verlustfaktor in der Kollektorgleichung zum Tragen, auch für die Windeinwirkung bei unverglasten Kollektoren gibt es einen Verlustfaktor. Diese Faktoren sind für einen detaillierteren Vergleich von Solarkollektoren notwendig.
Wirkungsgradvergleich von Solarkollektoren
Besonders hohe Konversionsfaktoren haben unverglaste Kollektoren, wie etwa Schwimmbadabsorber, da es bei ihnen keine Transmissionsverluste durch die Glasabdeckung gibt. Dafür ist der thermische Verlustfaktor sehr groß. Dadurch können Schwimmbadabsorber bei niedrigen Temperaturdifferenzen zwischen Kollektor und Umgebung sehr effizient Wärme einsammeln. Ist es draußen zum Beispiel 25 °C warm und soll das Schwimmbad auf 28 °C temperiert werden, sind die kostengünstigen Absorber optimal geeignet. Ein weiterer Anwendungsfall für unverglaste Absorber sind Erdwärmepumpenanlagen, für die sie neben den Erdsonden als Quelle dienen können und in Sommer zudem eine Quelltemperaturregeneration erreichen können. Weniger gut sind sie aber, wenn es draußen kühler wird. Dann sinkt ihr Wirkungsgrad rapide ab. Die Grenze für unabgedeckte Kollektoren liegt bei einer erzeugten Temperatur von etwa 40 °C.
Hingegen können Flachkollektoren bis zu 80 °C bereitstellen. Für die Warmwasserbereitung und die Heizung reicht das aus. 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. Noch höhere Temperaturen als mit Vakuumröhrenkollektoren erreicht man mit konzentrierenden Parabolrinnen-Kollektoren. Solche Solarkollektoren setzt man für solare Prozesswärme und in solarthermischen Kraftwerken ein.
Temperaturbereiche der Kollektortypen
| Solorkollektor-Typ | 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 |
| Vakuumröhren-Kollektor | 0,62 bis 0,84 | 0,7 bis 2,0 | 50 bis 120 |
| Parabolrinnen-Kollektor | bis 0,75 | 0,5 bis 1,0 | 100 bis 250 |
| Luftkollektor | 0,75 bis 0,90 | 8 bis 30 | 20 bis 50 |
Spezifische Solarkollektor-Kosten
Die spezifischen Kollektorkosten spielen natürlich auch eine Rolle. Sie liegen bei Vakuumröhrenkollektoren 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). Doch ein guter Solarkollektor ist noch lange kein Garant für eine gute Solarthermie-Anlage. Vielmehr sollten alle Anlagenteile von hoher Qualität und optimal aufeinander abgestimmt sein.
Jens-Peter Meyer
aktualisiert am 22.1.2025
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