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Sonnenkollektor

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Definition: ein Gerät zur Gewinnung von Wärme aus Sonnenstrahlung

Englisch: solar collector, solar panel

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 10.08.2016

Verwechseln Sie Sonnenkollektoren, die Wärme liefern, nicht mit Solarzellen, die elektrische Energie erzeugen!

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:

Sonnenkollektoren sind nicht nur für die Warmwasserbereitung geeignet!

Sonnenkollektoren auf Einfamilienhaus

Abbildung 1: Ein Einfamilienhaus mit einer Sonnenkollektoranlage für Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung auf dem Dach. Die Gesamtkollektorfläche ist 21,5 m2. Foto: Heizplan AG, Altstätten.

Typen von Sonnenkollektoren

Flachkollektoren

Flachkollektor

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.

Flachkollektor

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.

Schwimmbadabsorbermatten

Eine sehr einfache und preisgünstige Ausführungsform von Sonnenkollektoren für Niedertemperatur-Anwendungen 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 Wärmeübertrager. 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.

Vakuumröhrenkollektoren

Vakuumröhrenkollektor

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 zirkulierenden 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. (Dies ist das Prinzip des Wärmerohrs = Heat Pipe.) Die Kondensatoren aller Röhren sind an einem Sammelrohr (etwa auf Höhe der Oberkante der Kollektoren) angebracht, welches die Wärme mit einer Solarflüssigkeit abtransportiert.

Vakuumröhrenkollektoren sind zwar teurer als die üblichen 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 bei relativ hohen Temperaturen 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. Dieser Aspekt hängt natürlich entscheidend von der Qualität der jeweiligen Technologie ab.

Vakuumflachkollektoren

Weniger gebräuchlich sind Vakuumflachkollektoren (oder Unterdruck-Flachkollektoren). Hier ist der Absorber wie beim herkömmlichen Flachkollektor durchgängig ausgeführt, jedoch wird die Wärmedämmung wie beim Röhrenkollektor 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 manchmal geschieht.

Vakuumflachkollektoren sind teurer als gewöhnliche Flachkollektoren, aber eben auch effizienter, vor allem bei eher schwacher Sonneneinstrahlung.

Drain-Back-Sonnenkollektoren

Drain-Back-Sonnenkollektoren sind meistens Flachkollektoren oder Röhrenkollektoren, die jedoch in einer Hinsicht anders betrieben werden als die üblichen Kollektoren: Wenn die Umwälzpumpe nicht läuft, fließt das Wasser aus ihnen in einen Rücklaufbehälter ab. Erst beim Anlaufen der Umwälzpumpe (häufig für einige Minuten mit erhöhter Leistung) wird wieder Wasser in die Kollektoren gedrückt.

Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist, dass das Wasser nicht mit Frostschutzmittel versehen werden muss, da (solange die Pumpe nicht läuft und wenn das Wasser tatsächlich vollständig abläuft) die Kollektoren bei Frosttemperaturen wasserfrei bleiben können. (Auch im Falle, dass der Wärmespeicher komplett gefüllt ist, bleiben die Kollektoren leer.) Der Verzicht auf ein Frostschutzmittel ist insofern günstig, dass dies Betriebs- und Wartungskosten einspart und dass reines Wasser eine geringere Viskosität und eine höhere Wärmekapazität aufweist als ein Wasser-/Frostschutzmittel-Gemisch. Andererseits wird eine leistungsstärkere Pumpe benötigt, und diese muss oft noch entsprechend aufwendiger angesteuert werden (z. B. mit zwei Leistungsstufen). Außerdem kann der Korrosionsschutz zusätzliche Maßnahmen erfordern.

Speicherkollektoren

Speicherkollektoren sind eine einfache, jedoch auch eingeschränkt 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 solcher Thermosiphonanlagen 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

Luftkollektoren sind technisch sehr einfach und dort vorteilhaft, wo direkt warme Luft benötigt wird – beispielsweise zur Trocknung von Räumen.

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. Eine andere Anwendung ist die Belüftung und Trocknung von Gebäuden oder von landwirtschaftlichen Produkten.

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. Prinzipiell wäre es zwar möglich, mit einem Luft/Wasser-Wärmeübertrager die Wärme auf einen Warmwasserspeicher zu übertragen. Dies ist allerdings nicht üblich; flüssige Wärmeübertragermedien sind hier geeigneter als Luft.

Hybridkollektoren

Hybridkollektoren enthalten auch Solarzellen, so dass sie gleichzeitig elektrische Energie und Wärme erzeugen können. Sie sind eher für niedrige Wassertemperaturen geeignet – auch in Kombination mit einer Wärmepumpe.

Sonnenkollektoren für Solarkraftwerke

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.

Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- und Hochtemperaturkollektoren

Je nach dem erreichbaren Temperaturniveau der Solarflüssigkeit kann man die oben genannten Typen von Sonnenkollektoren in Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- und Hochtemperaturkollektoren einteilen, wobei die Grenzen dieser Bereiche jedoch nicht allgemein gültig definiert sind. Für Solarkraftwerke verwendet man jedoch Hochtemperaturkollektoren, die bei mehreren hundert Grad Celsius arbeiten. Am anderen Ende der Skala liegen Niedertemperatur- und Niedrigsttemperatur-Kollektoren wie z. B. Schwimmbadabsorbermatten und Kollektoren für serielle Solar-Wärmepumpen-Systeme. Im Mitteltemperaturbereich arbeiten z. B. Vakuumröhren-Kollektoren, die Temperaturen von 60 °C liefern.

Man beachte, dass eine hohe Temperatur keineswegs unbedingt einen hohen Wirkungsgrad bedeutet. Bei niedrigen Temperaturen der Solarflüssigkeit kann z. B. ein Niedertemperatur-Flachkollektor durchaus eine höhere Wärmeausbeute liefern als ein Röhrenkollektor.

Montage von Sonnenkollektoren

Wie müssen Sonnenkollektoren ausgerichtet werden, um einen guten Ertrag zu bringen?

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 höherer 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 aufwendig wäre. Am ehesten lässt sich der Neigungswinkel bei aufgeständerten Kollektoren verstellen.

Reinigung

Im Wesentlichen werden Sonnenkollektoren durch Regenwasser gereinigt. Allenfalls bei recht flach aufgestellten Kollektoren (z. B. mit weniger als 15°) funktioniert diese Selbstreinigung nicht gut.

Effekt von Schnee

Schneebedeckte Kollektoren können in der Regel keinerlei Ertrag mehr liefern. Allerdings entfällt der Ertrag an solchen Tagen oft ohnehin, da die Einstrahlung zu gering ist. An klaren kalten Tagen ist jedoch vor allem mit Röhrenkollektoren immer noch ein guter Ertrag möglich, so dass die Entfernung des Schnees, wenn sie ohne zu viel Aufwand und Gefahren möglich ist, sinnvoll sein kann.

Energieausbeute

Die von einem Sonnenkollektor erzeugte Wärmeleistung und der Wirkungsgrad hängen von mehreren Faktoren ab:

Wie viel Energie kann ein Sonnenkollektor ernten?

Die folgenden Zahlenbeispiele illustrieren die Bedeutung dieser Faktoren:

Trotz eher geringerem maximalen Wirkungsgrad ergibt ein Vakuumkollektor in der Regel eine höhere Energieausbeute, der er bei reduzierter Einstrahlung weniger nachlässt.

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.

Der jährliche Ertrag eines Kollektors hängt von mehreren Faktoren ab:

Eine Energieausbeute von rund 400 bis 600 kWh/m2 pro Jahr ist mit Sonnenkollektoren üblicherweise möglich – aber das ist deutlich von den jeweiligen Bedingungen abhängig.

Bei optimaler Ausrichtung dürfte ein Flachkollektor eine jährliche Wärmeausbeute in der Größenordnung von 400 kWh/m2 erreichen. Ein Röhrenkollektor kann noch deutlich besser liegen. Werte über 600 kWh/m2, die gelegentlich von Herstellern genannt werden (meist ohne Angabe der Voraussetzungen), sind aber nicht unbedingt als in der Praxis zu erwartende Werte zu betrachten, außer beim Betrieb mit recht niedrigen Temperaturen, z. B. wenn Warmwasser im Mehrfamilienhaus mit eher knapp bemessenen Kollektoren nur vorgewärmt wird.

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. Da die Lebensdauer weitaus länger ist, ist die graue Energie also kein wesentliches Problem.

Nutzung vom diffusem Licht?

Können Sonnenkollektoren auch diffuses Licht nutzen?

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 – besonders bei Flachkollektoren, etwas weniger bei Röhrenkollektoren. Wenn jedoch fast nur diffuses Licht kommt, also kaum direkte Sonneneinstrahlung, dürfte die empfangene Wärmeleistung 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.

Überhitzung bei mangelnder Wärmeabfuhr?

Aus verschiedenen Gründen kann es dazu kommen, dass die Abfuhr der erzeugten Wärme aus den Sonnenkollektoren unterbrochen oder stark vermindert wird:

Wenn dies bei voller Sonneneinstrahlung geschieht, kann das Innere der Sonnenkollektoren sehr heiß werden. Die sogenannte Stagnationstemperatur kann z. B. bei Flachkollektoren zur Mittagszeit weit über 200 °C und bei Vakuumkollektoren sogar über 300 °C liegen. Erst dann werden nämlich die Wärmeverluste so groß, dass sie die hohe Wärmezufuhr ausgleichen können. Die Solarflüssigkeit verdampft dann in den Kollektoren und wird in ein Ausdehnungsgefäß gedrückt. Wenn die Kollektoren am Abend wieder kühler werden, fließt die Flüssigkeit zurück, und erst danach funktioniert die Anlage wieder normal.

Da eine Überhitzung nie ganz ausgeschlossen werden kann, müssen Sonnenkollektoren technisch so ausgelegt sein, dass sie ihn schadlos überstehen – zumindest wenn er nicht allzu häufig auftritt. Eine gewisse Alterung kann jedoch auftreten, da die Beanspruchung diverser Materialien recht hoch sein kann (auch wegen der thermischen Ausdehnung). Auch die Solarflüssigkeit kann mit der Zeit degradieren. (Auch aus diesem Grund muss sie gelegentlich ausgewechselt werden.) Man versucht also, es möglichst selten zur Überhitzung kommen zu lassen:

Besonders bei Häusern mit Ferienwohnungen, die im Sommer öfters unbelegt bleiben, sollte diese Problematik bedacht werden.

Betriebskosten

Betriebskosten entstehen bei einer Sonnenkollektoranlage einerseits durch Wartung und Reparaturen und andererseits durch den Strombedarf der Umwälzpumpe und der Regelelektronik. Bei guter Ausführung (hocheffiziente Pumpe, sparsame Elektronik) vermindert der Strombedarf den jährlichen Amortisationsbeitrag kaum.

Der Wartungsaufwand einer Sonnenkollektoranlage ist normalerweise gering. Im Rahmen der Heizungswartung kann der Druck der Solarflüssigkeit überwacht werden, und ggf. kann Solarflüssigkeit nachgefüllt werden. Gelegentlich muss die gesamte Solarflüssigkeit ausgewechselt werden.

Teure Reparaturen sind eher selten, aber nicht unmöglich. Denkbar ist die Beschädigung von Kollektoren bei schwerem Hagel (was u. U. die Gebäudeversicherung abdeckt). Möglich sind außerdem Undichtigkeiten der Leitungen, die manchmal mühsam zu finden und zu beheben sind. Defekte von Pumpe oder Elektronik dürfte dagegen sehr selten sein.

Da der finanzielle Jahresertrag einer Kollektoranlage nicht allzu hoch ist, können Reparaturkosten die finanzielle Amortisation natürlich rasch gefährden.

Überwachung einer Sonnenkollektoranlage

Eine Sonnenkollektoranlage sollte regelmäßig überwacht werden, damit Produktionsausfälle nicht allzu lange unentdeckt bleiben können:

Die regelmäßige Überwachung einer Sonnenkollektoranlage ist einfach und sinnvoll. Defekte können so frühzeitig entdeckt werden.

Man beachte, dass die von der Anlage gemeldeten Energieerträge nicht unbedingt verlässliche Daten darstellen; wie oben erwähnt, kann gerade auch bei Defekten ein in Wirklichkeit nicht vorhandener Ertrag ermittelt werden. Außerdem werden Wärmeverluste z. B. in der Solarleitung wohl oft nicht berücksichtigt. Dasselbe gilt für Wärmeverluste des Solarspeichers, wobei solche Verluste bei einer Anlage ohne Sonnenkollektoren in der Regel aber auch auftreten.

Literatur

[1]Seite über Sonnenkollektoren auf dem Solarserver, http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren.html

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Sonnenenergie, Solarthermie, solare Warmwasserbereitung, Luftkollektor, Hybridkollektor, Solarspeicher, Solar-Wärmepumpen-System, Thermosiphonanlage, Solarkraftwerk
sowie andere Artikel in den Kategorien erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Alles verstanden?


Frage: Warum kann eine Sonnenkollektoranlage in der Regel nur einen recht begrenzten Teil (z. B. 20 %) des jährlichen Wärmebedarfs eines Gebäudes decken?

(a) weil die für die Kollektoren verfügbaren Flächen zu begrenzt sind

(b) weil die Wärmeerträge vorwiegend zu Zeiten anfallen, in denen der Wärmebedarf gering ist, und Langzeitspeicher im kleinen Maßstab schwer realisierbar sind


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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