RP-Energie-Lexikon
fachlich fundiert, unabhängig von Lobby-Interessen
www.energie-lexikon.info

Sonnenkollektor

Definition: ein Gerät zur Gewinnung von Wärme aus Sonnenstrahlung

Spezifischere Begriffe: Flachkollektor, Röhrenkollektor, Hybridkollektor, Luftkollektor, Thermosiphonanlage

Englisch: solar collector, solar panel

Kategorien: erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.06.2010; letzte Änderung: 20.08.2023

URL: https://www.energie-lexikon.info/sonnenkollektor.html

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:

  • Im Inneren befindet sich ein schwarzer Absorber, welcher das Sonnenlicht (einschließlich der enthaltenen Wärmestrahlung) absorbiert und damit in Wärme umwandelt.
  • Die erzeugte Wärme wird über eine spezielle Wärmeträgerflüssigkeit (Solarflüssigkeit) übertragen, die in einem geschlossenen Kreislauf die Wärme in den Kollektoren aufnimmt und zum Solarspeicher transportiert. Die Solarflüssigkeit ist häufig ein Gemisch von Wasser mit Propylenglykol. Sie ist so beschaffen, dass sie einerseits im Winter nicht einfriert und andererseits im Sommer sehr hohe Stillstandstemperaturen überstehen kann. (Es gibt auch Anlagen, v. a. mit Röhrenkollektoren, die mit reinem Wasser arbeiten, wobei der Frostschutz durch Zufuhr von wärmerem Wasser gewährleistet wird.)
  • Eine Wärmedämmung minimiert die Wärmeverluste an die Umgebung. Die Oberseite kann allerdings nicht allzu gut gedämmt werden, da sie ja transparent sein muss.

Sonnenkollektoren können für verschiedene Zwecke eingesetzt werden:

  • Schon lange verwendet wird die solare Warmwasserbereitung. Hier wird ein wesentlicher Teil (z. B. die Hälfte) des jährlichen Primärenergiebedarfs für das Warmwasser mit einem oder mehreren Sonnenkollektoren (einem Kollektorfeld) gedeckt. Im Sommer wird der Großteil des Bedarfs gedeckt, mit gelegentlichen nicht nutzbaren Überschüssen, während die Produktion im Winter erheblich geringer ist.
  • Eine Solaranlage kann auch für Heizzwecke eingesetzt werden, d. h. als Solarheizung oder zumindest zur solaren Heizungsunterstützung. Die jährliche Ausbeute ist dann höher, vor allem wenn eine Niedertemperaturheizung verwendet wird, da die Kollektoren in der Übergangszeit dann auf niedrigerem Temperaturniveau arbeiten können, wo sie geringere Wärmeverluste haben.
  • Sonnenkollektoren können industrielle Prozesswärme liefern. Günstig ist vor allem die Anwendung in Betrieben, die einen ganzjährig hohen Wärmebedarf haben. Die erzielbaren Wärmekosten können geringer sein als mit fossilen Energieträgern.
  • Interessant sind außerdem solar betriebene Klimaanlagen, weil diese genau dann benötigt werden, wenn auch viel Sonneneinstrahlung verfügbar ist. Die Solarwärme (in der Regel bei hohen Temperaturen, mindestens ca. 70 °C) wird hier in einer Absorptionskältemaschine genutzt.
  • Spezielle Arten von Kollektoren (vor allem Parabolrinnenkollektoren) werden in solarthermischen Kraftwerken für die Stromerzeugung eingesetzt.
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 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

Photovoltaisch-thermische Solarkollektoren (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 oder einen Ericssonmotor 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

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:

  • Natürlich kommt es darauf an, wie viel Energie in Form von Sonnenlicht im Betrieb auf den Sonnenkollektor trifft. Bei vielen Arten von Kollektoren (vor allem bei Flachkollektoren) ist hierbei nicht nur die direkte Sonneneinstrahlung nutzbar, sondern auch die diffuse Strahlung, die besonders bei nicht völlig klarem Wetter einen erheblichen Teil der eintreffende Leistung ausmacht. (Als Globalstrahlung bezeichnet man die Summe von direkter und diffuser Strahlung.) Kollektoren mit eingebautem Reflektor (z. B. Vakuumröhrenkollektoren) können unter Umständen nur Strahlung aus einem eingeschränkten Winkelbereich empfangen, die diffuse Strahlung also weniger gut einfangen. Natürlich wird die Energieausbeute beeinträchtigt, wenn die einfallende Strahlungsleistung z. B. im Winter bei tief stehender Sonne auch durch entfernter stehende Bäume oder durch Schneebedeckung teilweise reduziert wird. Von Bedeutung ist außerdem der Auftreffwinkel der Sonnenstrahlung; ideal ist natürlich ein ungefähr senkrecht das Auftreffen, wobei aber erst bei größeren Winkelabweichungen hiervon eine starke Reduktion der nutzbaren Leistung auftritt.
  • Die einfallende Strahlungsleistung ist aber nicht vollständig nutzbar. Zunächst einmal treten gewisse optische Verluste von z. B. 20 % auf. Dieser Anteil der Sonnenstrahlung wird reflektiert oder zurückgestreut und ist somit nicht mehr nutzbar. Somit ist der optische Wirkungsgrad 80 %. Dies berücksichtigt aber noch keine Wärmeverluste.
  • Zusätzlich verliert ein Kollektor Wärme an die Umgebung, und zwar umso mehr, je größer die Differenz zwischen Kollektortemperatur und Außentemperatur ist. Dieser Wärmeverlust ist grob abgeschätzt proportional zur Kollektorfläche und der genannten Temperaturdifferenz und wird häufig als thermischer Verlustkoeffizient in W / (m2 K) (Watt pro Quadratmeter und Kelvin) angegeben. Ein Flachkollektor verliert z. B. 4 oder 5 W / (m2 K), ein guter Vakuumröhrenkollektor dagegen unter 1 W / (m2 K). In Wirklichkeit nimmt die Verlustleistung bei höheren Temperaturen meist mehr als proportional zur Temperaturdifferenz zu, da die Wärmestrahlung und auch die Luftkonvektion dann rasch intensiver wird.

Die folgenden Zahlenbeispiele illustrieren die Bedeutung dieser Faktoren:

  • Ein Flachkollektor mit optischen Verlusten von 20 % gewinnt von der Sonne bei optimaler Ausrichtung und wolkenlosem Himmel am Mittag z. B. 80 % (optischer Wirkungsgrad) von 1000 W/m2, also 800 W/m2. Nehmen wir an, dass er bei 60 °C arbeiten soll, während die Außentemperatur 10 °C beträgt. Mit einem thermischen Verlustkoeffizienten von 5 W / (m2 K) verliert er dann eine Wärmeleistung von 5 W / (m2 K) · 50 K = 250 W/m2. Es bleibt also eine Nutzleistung von 800 W/m2 – 250 W/m2 = 550 W/m2.
  • Wenn nun die Sonneneinstrahlung auf die Hälfte (500 W/m2) nachlässt, sinkt die Ausbeute auf 0,80 · 500 W/m2 – 250 W/m2 = 150 W/m2. Der Wirkungsgrad lässt bei schwächerer Sonneneinstrahlung also stark nach. Wenn die Sonneneinstrahlung auf 375 W/m2 abfällt, wird der gesamte solare Gewinn durch die Wärmeverluste verzehrt, und der Wirkungsgrad sinkt auf 0.
  • Ein Vakuumröhrenkollektor wird in der Regel etwas höhere optische Verluste von z. B. 25 % haben, weil am Reflektor und an der Glasröhre mehr Strahlung verloren geht als bei einem Flachkollektor. Dafür ist der Verlustkoeffizient wesentlich kleiner, z. B. nur 1 W / (m2 K). Bei 50 K Temperaturdifferenz verliert dieser Kollektor also nur 50 W/m2. Somit gewinnt man damit bei voller Sonne 0,75 · 1000 W/m2 – 50 W/m2 = 700 W/m2 und bei halber Sonneneinstrahlung immerhin noch 0,75 · 500 W/m2 – 50 W/m2 = 325 W/m2. Der letztere Wert ist mehr als doppelt so hoch wie für den Flachkollektor, während der Vorteil bei voller Sonneneinstrahlung zwar deutlich, aber nicht dramatisch ist.

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:

  • Zunächst gibt es Unterschiede zwischen verschiedenen Kollektortypen, wie oben erklärt wurde.
  • Die klimatischen Bedingungen sind natürlich wichtig. Gute Standorte in Deutschland liefern eine Globalstrahlung von deutlich über 1000 kWh pro Quadratmeter und Jahr, während es an schlechteren Standorten z. B. nur noch 900 kWh / m2 a sind.
  • Die Ausrichtung ist ebenfalls wichtig. Optimal ist eine Ausrichtung etwa nach Süden und ein Neigungswinkel von rund 45°. (Beim Einsatz für die Solarheizung ist ein größerer Anstellwinkel günstiger.)
  • Eine Verschattung durch andere Gebäude oder Pflanzen sowie eine starke Verschmutzung kann den Ertrag natürlich deutlich reduzieren. Man beachte, dass die Reduktion des Ertrags deutlich größer sein kann als die Reduktion der Einstrahlung.
  • Je höher die Temperatur ist, die vom Kollektor geliefert werden muss, desto höher sind dessen Wärmeverluste. Von daher ist die solare Heizungsunterstützung z. B. im Frühjahr wesentlich effizienter als die solare Warmwasserbereitung, falls eine Niedertemperaturheizung verwendet wird.
  • Wenn eine Solarthermieanlage so dimensioniert wird, dass sie den Warmwasserbedarf im Sommer nahezu vollständig decken kann, tritt an besonders guten Tagen ein meist nicht nutzbarer Wärmeüberschuss auf, der den effektiven Jahresertrag mindert. Dieses Problem wird natürlich größer, wenn man einen hohen jährlichen Deckungsgrad anstrebt.

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?

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 der von den Kollektoren aufgeheizte Pufferspeicher seine erlaubte maximale Temperatur (z. B. 90 oder 95 °C) erreicht hat, wird in der Regel einfach die Zirkulationspumpe abgeschaltet. (Dieser Fall tritt häufiger auf, wenn die Bewohner z. B. im Sommerurlaub sind, also keine Wärme entnehmen.)
  • Die Pumpe oder deren Regelung könnte auch einmal defekt sein.
  • Wenn durch eine Undichtigkeit Luft in das System kommt oder wenn sich zu wenig Solarflüssigkeit im System befindet, kann das Umwälzen der Solarflüssigkeit behindert werden.

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:

  • Ideal ist es, wenn eine Wärmesenke zur Verfügung steht, in die überschüssige Wärme nach vollständigem Aufheizen des Pufferspeichers abgeleitet werden kann. Hierfür kann z. B. die Erdsonde einer Wärmepumpenheizung verwendet werden. Der Wärmeeintrag in die Sonde hat zudem den Effekt, dass die später erfolgende Wärmeentnahme effizienter wird. Die entsprechende Einsparung an elektrischer Energie bei der Wärmepumpe kann deutlich größer sein als der Strombedarf der Pumpen während der Abfuhr der überschüssigen Wärme. Denkbar wäre es bei einer größeren Anlage auch, die überschüssige Wärme mit Hilfe eines Wärmeübertragers und eines Ventilators in die Außenluft blasen zu lassen.
  • Man kann die Kollektoren im Falle drohender Überproduktion z. B. mit einer Plane abdecken. Dies kann bei längerer Nichtbenutzung sinnvoll sein.
  • Wenn die Kollektoranlage nicht allzu groß und der Pufferspeicher genügend groß dimensioniert ist, sollte der Überlastfall eher selten auftreten, zumindest bei Anwesenheit der Bewohner.
  • Bewohner können, wenn sie den drohenden Überlastfall rechtzeitig erkennen, für zusätzlichen Warmwasserbedarf sorgen, z. B. indem sie eine Ladung Wäsche waschen lassen, wenn die Waschmaschine Warmwasser aus dem System bezieht. Bei einem Zirkulationssystem kann es auch helfen, die Warmwassertemperatur vorübergehend um einige Grade zu steigern, um die Wärmeverluste zu vergrößern. Dies dient gleichzeitig der Vorbeugung gegen den Befall mit Legionellenbakterien.
  • Defekte wie z. B. Pumpenausfälle, die zur Überhitzung führen können, sollten möglichst bald behoben werden.

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:

  • Es ist einfach, den Druck der Solarflüssigkeit abzulesen; ein deutlicher Abfall kann zum Ausfall der Anlage führen, bis wieder Solarflüssigkeit nachgefüllt wird.
  • Sinnvoll ist die gelegentliche Überwachung der Produktion an sonnenreichen Tagen, d. h. der Vergleich des Ertrags mit Erfahrungswerten. Auch wenn von der Steuerung plötzlich ein viel höherer Ertrag gemeldet wird als normal, kann dies auf einen Defekt hinweisen: Das System merkt u. U. nicht, dass z. B. wegen eines Druckabfalls oder Defekts der Pumpe gar keine Solarflüssigkeit mehr umgewälzt werden kann, und registriert dann wegen der hohen Kollektortemperatur sehr hohe scheinbare Erträge.
  • Aufschlussreich ist auch der Vergleich von Kollektortemperatur und Speichertemperatur bei guter Sonneneinstrahlung. Wenn diese Differenz z. B. höher als 20 Grad wird, deutet dies auf einen ungenügenden Abtransport der erzeugten Wärme hin.
  • Der Jahresertrag kann mit Erwartungswerten verglichen werden. Wenn er nach Jahren absinkt, sollte überprüft werden, ob die Anlage z. B. durch Pflanzen oder starke Verschmutzung verschattet wurde, oder ob ein Defekt vorliegt.

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.

Siehe auch: Sonnenenergie, Solarthermie, solare Warmwasserbereitung, Luftkollektor, photovoltaisch-thermischer Solarkollektor, Solarspeicher, Solar-Wärmepumpen-System, Thermosiphonanlage, Solarkraftwerk

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

(c) ment: 2023-01-06 21:15:13

(d) he maximale nutzbare Temperatur kann ich aus Röhrenkollektoren abgreifen um z. B. Latentspeicher zu bedienen?. Sind >200 Grad noch realistisch?

(e) wer:

(f) entsprechend optimierten Röhren sollte das gehen, freilich schon mit deutlich reduzierter Effizienz.

Siehe auch unser Energie-Quiz!

Fragen und Kommentare von Lesern

18.04.2020

Muss ein Röhrenkolektor, der mit Brauchwaser befüllt, ist vor dem Frost entleert werden, um Einfrieren zu verhindern?

Antwort vom Autor:

Nicht unbedingt. Es gibt auch Anlagen, bei denen der Frostschutz durch Zufuhr von wärmerem Wasser gewährleistet wird. Normalerweise leitet man aber ohnehin nicht Brauchwasser durch die Kollektoren.

19.09.2021

Kann es zu Problemen eines Sonnenkollektors im Winter kommen?

Antwort vom Autor:

Ernste Probleme in der Regel nicht, wenn die Solarflüssigkeit genügend frostsicher ist. Jedoch kommt es leicht zu Produktionsausfall durch Schneebedeckung oder durch zu geringe Sonneneinstrahlung, auch durch Beschattung bei niedrigem Sonnenstand.

15.06.2022

Soll bei Nichtbenutzung der Kollektoren das Wasser im Haus abgestellt werden?

Antwort vom Autor:

Nein, das bringt nichts. Eher sinnvoll wäre es, an Sommertagen die Kollektoren abzudecken, was allerdings in der Regel schwierig zu bewerkstelligen ist.

Hier können Sie Fragen und Kommentare zur Veröffentlichung und Beantwortung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass die Sache von breitem Interesse ist.

Wegen starker Arbeitsbelastung bitten wir um Verständnis dafür, dass nicht gut passende Kommentare und Fragen nicht bearbeitet werden können, und dass die Bearbeitung oft einige Wochen benötigt.

Wenn Ihnen hier geholfen wird, möchten Sie sich vielleicht mit einer Spende revanchieren, mit der Sie die weitere Entwicklung des Energielexikons unterstützen.

Datenschutz: Bitte geben Sie hier keine personenbezogenen Daten ein. Wir würden solche allerdings ohnehin nicht veröffentlichen und bei uns bald löschen. Siehe auch unsere Datenschutzerklärung.

Wenn Sie eine persönliche Rückmeldung oder eine Beratung vom Autor wünschen, schreiben Sie ihm bitte per E-Mail.

Ihre Frage oder Ihr Kommentar:

Ihr Hintergrund (freiwillige Angabe, z. B. "Handwerker", "Journalist" oder "Schüler"):

Spam-Prüfung:

  (Bitte die Summe von fünf und zwölf hier als Ziffern eintragen!)

Mit dem Abschicken geben Sie Ihre Einwilligung, Ihre Eingaben gemäß unseren Regeln hier zu veröffentlichen.

preview

Wenn Ihnen diese Website gefällt, teilen Sie das doch auch Ihren Freunden und Kollegen mit – z. B. über Social Media durch einen Klick hier:

Diese Sharing-Buttons sind datenschutzfreundlich eingerichtet!

Code für Links auf anderen Webseiten

Wenn Sie einen Link auf diesen Artikel anderswo platzieren möchten (z. B. auf Ihrer Website, Social Media, Diskussionsforen oder in der Wikipedia), finden Sie hier den benötigten Code. Solche Links können z. B. für Worterklärungen sehr nützlich sein.

HTML-Link auf diesen Artikel:

<a href="https://www.energie-lexikon.info/sonnenkollektor.html">
Artikel über Sonnenkollektor</a>
im <a href="https://www.energie-lexikon.info/">RP-Energie-Lexikon</a>

Mit Vorschaubild (siehe den Kasten direkt über diesem):

<a href="https://www.energie-lexikon.info/sonnenkollektor.html">
<img src="https://www.energie-lexikon.info/previews/sonnenkollektor.png"
alt="Artikel" style="width:400px"></a>

Falls Sie es für angemessen halten, einen Link in der Wikipedia zu setzen, z. B. unter "==Weblinks==":

* [https://www.energie-lexikon.info/sonnenkollektor.html
Artikel über 'Sonnenkollektor' im RP-Energie-Lexikon]