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Definition: ein Gerät zur Gewinnung von Wärme aus Sonnenstrahlung
Ein Sonnenkollektor (auch Solarkollektor oder thermischer Kollektor) ist das Kernstück einer thermischen Solaranlage, mit der Wärme aus der Strahlungsenergie der Sonne (Sonnenenergie) gewonnen werden kann. Er besteht im wesentlichen aus den folgenden Komponenten:
Sonnenkollektoren können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden:
Abbildung 1: Ein Einfamilienhaus mit einer Sonnenkollektoranlage für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung auf dem Dach. Die Gesamtkollektorfläche ist 21,5 m2. Foto: Heizplan AG, Altstätten.
Abbildung 2: Schematischer Aufbau eines Flachkollektors.
Eine besonders häufig verwendete Bauform ist der Flachkollektor (Abbildung 2). Er enthält einen flachen, durchgängigen Absorber z. B. aus geschwärztem Metall, an dessen Rückseite die Wasserröhren gut wärmeleitend befestigt sind.
Auf der Unterseite eines Flachkollektors können gewöhnliche Dämmmaterialien wie Polyurethan-Schaum, Mineralwolle oder Schaumglas verwendet werden, wie sie auch zur Wärmedämmung von Gebäuden verwendet werden. Die Oberseite dagegen benötigt eine transparente Dämmung, die die Sonneneinstrahlung möglichst vollständig zum Absorber durchlassen soll. Häufig wird eine einfache Glasscheibe eingesetzt, die ggf. noch entspiegelt werden kann, um Reflexionsverluste zu verringern. (Eine Doppelverglasung würde besser wärmedämmen, aber weniger Licht durchlassen.) Nur selten werden Kunststoffplatten verwendet, die weniger widerstandsfähig und langlebig sind. Die Glasplatte soll nicht nur heiße Luft am Entweichen hindern, sondern auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen sowie langwellige Wärmestrahlung, die vom warmen Absorber abgestrahlt wird, nicht durchlassen.
Abbildung 3: Eine Anlage mit Flachkollektoren auf einem Flachdach einer Industrieanlage. Die Kollektoren sind in mehreren Reihen aufgestellt und über wärmegedämmte Rohre angeschlossen. Foto: Flumroc AG, Flums.
Wegen der unvollkommenen Wärmedämmung sind Flachkollektoren nicht für besonders hohe Wassertemperaturen geeignet, da die Wärmeverluste dann stark ansteigen. Ebenfalls fällt die Wärmeausbeute bei kaltem Wetter stark ab. Dafür sind Flachkollektoren in der Herstellung preisgünstiger als Vakuumröhrenkollektoren (siehe unten); man kann die geringere Effizienz also bei gleichem Preis durch eine etwas größere Fläche ausgleichen. Besonders gut geeignet sind Flachkollektoren für Schwimmbadbeheizungen, da hier nur eine relativ niedrige Wassertemperatur benötigt wird, und dies nur an relativ warmen Tagen, so dass die Wärmeverluste nicht sehr hoch werden. Hier können jedoch auch noch einfachere Schwimmbadabsorbermatten verwendet werden, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.
Eine sehr einfache und preisgünstige Ausführungsform von Sonnenkollektoren sind Schwimmbadabsorbermatten aus schwarzem Kunststoff. Diese können z. B. Umkleidekabinen oder ein Vordach vor einem Schwimmbad bedecken. Das Wasser des Schwimmbads kann oft direkt durch diese Matten gepumpt werden, ohne einen zusätzlichen Wärmetauscher. Aufgrund der relativ niedrigen Betriebstemperaturen (meist nicht höher als 30 °C) und des Einsatzes bei relativ hohen Außentemperaturen sind die Wärmeverluste trotz der einfachen Bauart nicht allzu groß.
Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines Vakuumröhrenkollektors
Ein Vakuumröhrenkollektor (oder einfach Vakuumkollektor oder Röhrenkollektor) (Abbildung 4) besteht aus einer Vielzahl von Vakuumröhren, die von metallischen Reflektoren umgeben sind. Die Reflektoren reflektieren das Sonnenlicht in die Röhren hinein, die innen einen dunklen Absorber enthalten. Der Wärmeverlust wird dadurch minimiert, dass die Röhren evakuiert (luftleer gepumpt) sind: Wärmeleitung kommt dann nur noch an den Enden vor, und ansonsten gibt es Verluste nur durch Wärmestrahlung.
Es gibt sogenannte Heat-Pipe-Röhrenkollektoren, bei denen die Wärmerohre nicht vom zirkulierende Wasser durchflossen werden, sondern stattdessen teilweise mit einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind. Bei Erwärmung verdampft diese (bei einer Siedetemperatur von z. B. 70 °C) und kondensiert am oberen Ende. Die Kondensatoren aller Röhren sind an einem Sammelrohr angebracht, welches die Wärme mit Wasser abtransportiert.
Vakuumröhrenkollektoren sind zwar teurer als Flachkollektoren, bieten wegen der besseren Wärmedämmung jedoch eine höhere Ausbeute pro Quadratmeter. Diese Wärmeausbeute sinkt bei ungünstigen Bedingungen (hohe benötigte Wassertemperatur und niedrige Außentemperatur) auch weniger stark ab, so dass selbst im Winter noch erhebliche Mengen von Warmwasser so gewonnen werden können (siehe unten). Sogar industrielle Prozesswärme kann mit solchen Kollektoren erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Flächenbedarf für eine gegebene Leistung.
Ein Problem ist, dass die Dichtungen im Kollektor das Vakuum unter Umständen nicht dauerhaft halten. Dann verliert der Kollektor allmählich an Effizienz.
Weniger gebräuchlich sind Vakuumflachkollektoren (oder Unterdruck-Flachkollektoren). Hier ist der Absorber wie beim herkömmlichen Flachkollektor durchgängig ausgeführt, jedoch wird die Wärmedämmung durch ein Vakuum realisiert. Dies erfordert viele Abstandshalter, damit der Kollektor nicht vom äußeren Luftdruck zerdrückt wird. Problematisch kann sein, dass die Dichtigkeit eines Flachkollektors schwerer als bei Röhren zu erzielen ist. Im Gegensatz zu Röhrenkollektoren ist es bei Vakuumflachkollektoren möglich und notwendig, das Vakuum regelmäßig mit einer Vakuumpumpe zu erneuern.
Es gibt auch Flachkollektoren, die mit Krypton gefüllt werden (welches weniger Wärme ableitet als Luft). Diese sollte man dann natürlich nicht als “Vakuumkollektoren” bezeichnen, was aber trotzdem geschieht.
Speicherkollektoren sind eine einfache, jedoch auch eingeschränkte leistungsfähige Lösung für die solare Warmwasserbereitung. Hier wird direkt das Trinkwasser in Kollektoren erwärmt, die auch ein gewisses Volumen speichern können. Auf diese Weise braucht man keinen separaten Warmwasserspeicher, keine Umwälzpumpe und keine Steuerung. Nachteile sind das relativ kleine Speichervolumen, die entsprechend stark schwankende Temperatur des bereitgestellten Warmwassers, die Gefahr des Einfrierens im Winter und die eingeschränkten Möglichkeiten für eine Nachheizung (ggf. mit einem Durchlauferhitzer).
Luftkollektoren verwenden Luft statt Wasser zur Wärmeübertragung. Die erzeugte Warmluft kann direkt in ein Gebäude eingespeist werden und gleichzeitig zur Belüftung dienen, wenn sie aus Umgebungsluft gewonnen ist.
Der Vorteil des Konzepts ist, dass Luftkollektoren kostengünstiger realisiert werden können: Die Dichtigkeit ist weniger kritisch, ebenfalls gibt es kaum Probleme mit Korrosion oder dem Einfrieren. Jedoch sind Luftkollektoren für viele Anwendungsfelder kaum geeignet, etwa zur Warmwasserbereitung.
Für Solarkraftwerke werden andere Arten von Sonnenkollektoren eingesetzt, die in aller Regel die Sonnenstrahlung zuerst in ein oder zwei Dimensionen konzentrieren, damit höhere Temperaturen erreicht werden können. Gebräuchlich sind insbesondere Parabolrinnenkollektoren, bei denen ein parabolisch geformter Spiegel die Sonnenstrahlung auf ein Absorberrohr in seinem Brennpunkt wirft. Eine modifizierte Version ist der Fresnel-Kollektor, bei dem schmale Spiegel einzeln auf das Absorberrohr ausgerichtet werden. Ferner gibt es parabolische Schüsseln, die die Strahlung z. B. auf einen Stirlingmotor konzentrieren können, sowie Solartürme in Verbindung mit großen Feldern von beweglichen Spiegeln.
Sonnenkollektoren sollten möglichst so montiert werden, dass sie optimal zur Sonne ausgerichtet sind. Optimal sind in Mitteleuropa Dachflächen, die nach Süden ausgerichtet sind und eine Neigung von ca. 30–50 ° gegenüber der Horizontalen aufweisen. Beim Einsatz für die Heizungsunterstützung (siehe unten) ist ein höher Anstellwinkel von z. B. 60 ° besser, da die Sonne im Winter weniger hoch steht und im Sommer ohnehin mehr als genug Wärme erzeugt wird.
Sonnenkollektoren können auch senkrecht an Fassaden befestigt werden. Vom Sonneneinfall her ist dies nicht optimal. Jedoch lässt sich so die Wirkung der Wärmedämmung der Kollektoren gleichzeitig auch für die Fassadendämmung nutzen.
Auch auf Flachdächern können Sonnenkollektoren aufgestellt werden. In diesem Fall werden sie mit einer Aufständerung versehen. Die Rückseite sollte dann besonders gut wärmegedämmt sein, da sie völlig frei steht.
Im Prinzip könnte die Ausrichtung je nach Sonnenrichtung und Sonnenstand automatisch nachgeführt werden, was jedoch im Allgemeinen zu aufwändig wäre.
Weniger günstig ist die senkrechte Montage an einer Fassade, weil dann die Sonneneinstrahlung zur Mittagszeit recht schräg einfällt.
Im Wesentlichen werden Sonnenkollektoren durch Regenwasser gereinigt. Allenfalls bei recht flach aufgestellten Kollektoren (z. B. mit weniger als 15 °) funktioniert diese Selbstreinigung nicht gut.
Die von einem Sonnenkollektor erzeugte Wärmeleistung und der Wirkungsgrad hängen von mehreren Faktoren ab:
Die folgenden Zahlenbeispiele illustrieren die Bedeutung dieser Faktoren:
Somit wird klar, dass ein Vakuumröhrenkollektor durch seinen geringen Verlustkoeffizienten vor allem dann von Vorteil ist, wenn eine hohe Temperaturdifferenz auftritt (etwa durch hohe Warmwassertemperatur bei niedriger Außentemperatur, oder beim Einsatz zur Heizungsunterstützung), aber auch bei mäßiger Sonneneinstrahlung (leicht bewölkter Himmel, Abendstunden, etc.). Dagegen sind die wesentlich preisgünstigeren Flachkollektoren gut geeignet an sonnigen und warmen Standorten, vor allem wenn keine allzu hohen Wassertemperaturen benötigt werden. Für die Schwimmbaderwärmung ist eine Absorbermatte optimal, da sie wesentlich billiger ist, einen hohen optischen Wirkungsgrad aufweist und nur bei geringer Temperaturdifferenz arbeiten muss.
Die typische energetische Amortisationszeit von Sonnenkollektoren liegt in der Größenordnung von zwei Jahren, d. h. in dieser Zeit stellt ein thermischer Kollektor so viel Energie bereit, wie seine Herstellung und Installation benötigt hat.
Selbstverständlich sollte eine Verschattung einer Kollektoranlage so weit wie möglich vermieden werden. Allerdings reagieren thermische Kollektoren auf eine teilweise Verschattung (z. B. durch Bäume) tendenziell weniger als Photovoltaikanlagen.
Gelegentlich wird gefragt, ob Sonnenkollektoren auch diffuses Licht nutzen können. Eine korrekte Antwort auf diese Frage muss differenziert ausfallen. Im Prinzip ist es sehr wohl möglich, da auch diffus einfallendes Licht zur Erwärmung beiträgt. Wenn jedoch fast nur diffuses Licht kommt, also kaum direkte Sonneneinstrahlung, dürfte die empfangene Leistung meist recht klein sein. In dieser Situation wird vor allem ein Flachkollektor mit hohem Verlustkoeffizienten kaum mehr Nutzwärme produzieren können, da die Wärmeverluste zu groß sind. Der Kollektor wird dann die gewünschte Temperatur nicht erreichen, selbst ohne jede Wärmeentnahme.
| [1] | Seite über Sonnenkollektoren auf dem Solarserver |
Siehe auch: Sonnenenergie, Solarthermie, solare Warmwasserbereitung, Luftkollektor, Solarspeicher