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Hybridkollektor

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Definition: ein Sonnenkollektor, der Strom und Wärme produzieren kann

Englisch: hybrid solar collector

Kategorien: elektrische Energie, erneuerbare Energie, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 01.04.2013; letzte Änderung: 15.05.2015

Normalerweise unterscheidet man zwischen Sonnenkollektoren, die nur Wärme produzieren (→ Solarthermie) und Solarzellen, die nur elektrische Energie erzeugen. Es gibt jedoch auch Hybridkollektoren, die beide Funktionen vereinigen. Es handelt sich um solarthermische Kollektoren, in die Solarzellen in gutem thermischem Kontakt mit dem Wasser-Wärmeübertrager oder einem Wärmeleitblech eingebaut sind. Man kann von einer solaren Kraft-Wärme-Kopplung sprechen, auch wenn “Kraft” nicht ganz passt, nachdem ja keine mechanische Energie involviert ist.

Hybridkollektoren werden auch als PVT-Kollektoren (für PV = Photovoltaik und T = thermische Nutzung) bezeichnet. Bisher werden sie noch kaum eingesetzt.

Ein Hybridkollektor erlaubt insgesamt eine bessere Energieausbeute pro Quadratmeter Kollektorfläche. Selbst wenn die Summe der elektrischen und thermischen Ausbeute nicht höher ist als bei einem solarthermischen Kollektor, bedeutet die höhere Wertigkeit der elektrischen Energie effektiv einen höheren Energiegewinn. Der Hybridkollektor benötigt weniger Fläche als eine Kombination herkömmlicher Solarmodule und Sonnenkollektoren. Dies erlaubt auch potenziell tiefere Kosten bei Produktion und Montage, falls Zusatzkosten an anderen Stellen nicht stärker ins Gewicht fallen. Da nämlich elektrische und wasserführende Teile kombiniert werden müssen und die Elektrik höhere Temperaturen bestehen muss, kommen zusätzliche technische Schwierigkeiten ins Spiel. Geeignete Sicherheitsvorschriften werden erst noch entwickelt.

Hybridkollektoren für Warmwasser und Heizungsunterstützung

In den meisten Fällen liefert ein Sonnenkollektor Wärme bei der Temperatur, wie sie für die Anwendung benötigt wird – etwa die solare Warmwasserbereitung oder Heizungsunterstützung. Bei einem Hybridkollektor bedeutet dies, dass die Solarzellen auf einer relativ hohen Temperatur betrieben werden: mindestens einige Grade über der Wassertemperatur. (Ein optimaler Wärmekontakt der Solarzellen mit dem Untergrund minimiert diese zusätzliche Temperaturerhöhung.) Dies führt leider zumindest bei den üblichen Silizium-Solarzellen zu einer gewissen Reduktion des Wirkungsgrads. Eine zusätzliche Reduktion kann dadurch auftreten, dass eine Glasabdeckung, die nicht nur die Solarzellen schützt, sondern auch eine gute Wärmedämmung bewirkt, tendenziell weniger Sonnenlicht durchlässt.

Die Wärmeproduktion ist auch etwas geringer als bei rein solarthermischen Kollektoren, da ja ein Teil der Energie als elektrische Energie abfließt.

Insgesamt ist die Energieproduktion pro Quadratmeter aber eher besser als Sonnenkollektoren, und ohnehin höher als bei reiner Photovoltaik.

Hybridkollektoren für den Niedertemperaturbetrieb; Kombination mit einem Eisspeicher

Eine Erhöhung der thermischen und elektrischen Produktion ist möglich durch die Kombination mit einer Wärmepumpe, die den Kollektor auf einer niedrigeren Temperatur hält, z. B. auf 20 °C oder sogar tiefer. Dies reduziert nämlich den Wärmeverlust des Kollektors, und gleichzeitig werden die Solarzellen effizienter. Auf der anderen Seite ist dann natürlich Antriebsenergie für die Wärmepumpe nötig. Selbst wenn deren Leistungszahl nicht schlecht ist, wird die Antriebsenergie typischerweise in etwa der elektrischen Produktion der Solarzellen entsprechen, so dass am Ende im Jahresmittel praktisch nur Wärme gewonnen wird – dafür aber deutlich mehr.

Die Wärmedämmung des Hybridkollektors kann für diese Einsatzweise sogar ganz entfallen, wenn keine Kollektortemperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur angestrebt wird. Die Wärmeausbeute des nicht abgedeckten Kollektors ist sogar eher höher.

Sinnvoll kann die Kombination mit einem Eisspeicher als Wochenspeicher oder sogar saisonaler Speicher sein. Bei diesem Konzept ist die Verwendung einer Wärmepumpe zur Entnahme der Wärme ohnehin vorgesehen. Durch die Integration der Solarzellen gewinnt man im Jahresmittel grob geschätzt so viel Energie, wie der Antrieb der Wärmepumpe benötigt – allerdings nicht zeitgleich: An sonnigen Tagen entsteht ein Überschuss an elektrischer Energie, während man an trüben Tagen Strom z. B. aus dem öffentlichen Stromnetz benötigt, um die Wärmepumpe zu betreiben. Die Energieausbeute der Solarzellen ist relativ gut, da ihre Temperatur sehr niedrig gehalten wird.

Ein Problem ist die mögliche Kondensation oder gar Vereisung auf dem Kollektor, wenn dieser kühler wird als die Umgebung. Dies kann die Energieausbeute natürlich stark verringern. Es muss ggf. die Leistung der Wärmepumpe so reguliert werden, dass dies vermieden wird. Hierfür sollte die Wärmepumpe eine echte Leistungsregelung haben und nicht etwa im Taktbetrieb arbeiten.

Ausführung als Luftkollektor

Auch Hybridkollektoren können als Luftkollektoren ausgeführt werden, d. h. die Wärme wird mit Hilfe von Luft anstelle von Wasser abgeführt. Dies bietet sich insbesondere an, wenn kalte Frischluft von außen angesaugt, aufgewärmt und z. B. für die Belüftung und/oder Trocknung eines Gebäudes genutzt werden soll. Die Konstruktion ist dann relativ einfach, und der Luftdurchsatz führt zur Kühlung der Solarzellen. Diese können direkt den Strombedarf des Ventilators decken, so dass auf einen Wechselrichter und andere Vorrichtungen zur Einspeisung in das Stromnetz verzichtet werden kann.

Siehe auch: Sonnenkollektor, Solarzelle, Solarmodul, Photovoltaik, Solarthermie, solare Warmwasserbereitung, solare Heizungsunterstützung, Eisspeicher, Luftkollektor
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, erneuerbare Energie, Wärme und Kälte

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