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Solarkollektoren
Solarkollektoren sind eine Möglichkeit, Sonnenenergie in Wärmeenergie umzuwandeln. Gerade in südlichen Ländern wird diese Form der Energieumwandlung schon lange zur Warmwassererzeugung genutzt. Aber wie sind Sonnenkollektoren aufgebaut und worin liegen ihre Vor- und Nachteile? Mehr zu dazu erfahren Sie in diesem Ratgebertext.
11.01.2021 Lesezeit ca.
Inhaltsverzeichnis
Ein Solarkollektor (lateinisch: sol „Sonne“ und colligere „sammeln) oder auch Sonnenkollektor wandelt Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um. Die auf diese Weise erzeugte Wärme kann dann beispielsweise zur Heizung, Kühlung, Wasserdesinfektion, Wasserentsalzung und ähnliches genutzt werden. Sonnenkollektoren sind ein wesentlicher Bestandteil einer thermischen Solaranlage, indem hier meist ein flüssiger Wärmeträger wie Öl oder Wasser aufgeheizt wird. Solarkollektoren können sowohl auf Gebäudedächern als auch auf Freiflächen installiert werden.
Aufbau und Prinzip eines Solarkollektors
Das Herzstück eines Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an eine ihn durchfließende Trägerflüssigkeit abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme über einen Wärmetauscher aus dem Kollektor abgeführt und anschließend direkt verwendet oder gespeichert. Im Wärmetauscher findet anders als bei der Warmwassererzeugung durch PV eine Energieübertragung von einem Wärmekreislauf auf einen anderen statt. Das erwärmte Wasser kann dann zum Heizen oder als Brauchwasser genutzt werden.
Um eine hohe Absorption der Sonnenstrahlung zu erzielen, sollte die der Sonne zugewandte Seite möglichst schwarz sein. Besser als schwarze Farbe ist ein selektiver Absorber geeignet, der Sonnenenergie im sichtbaren Spektralbereich gut aufnimmt und die längerwellige Wärmeabstrahlung des Absorbers verhindert oder zumindest verringert. Lange Zeit wurden dafür Materialien wie Schwarznickel oder Schwarzchrom eingesetzt. Mittlerweile werden selektive Beschichtungen wie Tinox (Titan-Nitrid-Oxid-Beschichtungen), Sunselect, oder Mirotherm verwendet. Sie erreichen eine deutlich höhere Effizienz als schwarz lackierte oder schwarzchrom beschichtete Absorber. Als Trägermaterial kommen häufig Kupfer und Aluminium zum Einsatz.
Ziel ist es in jedem Fall, möglichst viel Strahlungsenergie der Sonne zu nutzen. Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Je nach der Dämmtechnik wird auch entsprechend bei den Sonnenkollektoren unterschieden.
Einfachste Bauart
Für die einfachste Form eines Sonnenkollektors wird ein dunkler, wassergefüllter Behälter verwendet, der sich bei Sonnenschein binnen weniger Stunden bis fast zur Siedetemperatur erwärmt. In südlichen Ländern wird diese Methode seit Jahrhunderten genutzt. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen. Diese einfache Technik sollte aus hygienischen Gründen jedoch nicht für Trinkwasser angewendet werden.
Schwimmbadabsorber
Eine weitere einfache Form eines Solarkollektors ist ein Schwimmbadabsorber. Er ist zur Beckenwassererwärmung optimal geeignet, weil das maximale Strahlungsangebot mit dem Wärmebedarf der Badesaison zeitlich zusammenfällt. Zum Einsatz kommen dabei unverglaste, schwarze Absorber in Form von Matten, Platten oder Schläuchen. Das Wasser fließt durch den Absorber und wird von der Sonne erwärmt. Ein Wärmeaustauscher ist nicht notwendig.
Flachkollektoren
Flachkollektoren zeichnen sich – wie der Name schon sagt – durch eine flache, ebene Absorberfläche aus, die zu Sonne gerichtet ist. Bei dem kastenförmig aufgebauten Kollektor trifft die Sonne auf eine dunkle Platte aus Metall oder Kunststoff. Damit die gewonnene thermische Energie nicht gleich wieder durch Abstrahlung verloren geht, ist der Kollektor nach oben mit einer transparenten Abdeckung meist aus gehärtetem Sicherheitsglas versehen, die das verhindern soll. Außerdem wird die Wärmeströmung verringert, indem die Absorberplatte nicht in direktem Kontakt mit der Außenluft steht. Eine Wärmedämmung z.B. aus Mineralwolle an allen Seiten soll Wärmeverluste begrenzen. Zur gezielten Wärmeabfuhr strömt ein Wärmeträgermedium z. B Wasser in Rohren an der Absorberplatte vorbei. Flachkollektoren sind in Deutschland die am häufigsten genutzte Kollektorenart. Sie werden auf Gebäudedächern als Indach- oder Aufdachlösung installiert, können aber auch an der Fassade montiert oder frei aufgestellt werden. Flachkollektoren bieten die Möglichkeit, insbesondere kleine Anlagen zur Warmwasserbereitung preiswert zu realisieren.
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Vakuumröhrenkollektoren
Vakuumröhrenkollektoren zeichnen sich dadurch aus, dass das Wärmemedium mit Hilfe eines Vakuums isoliert wird. Diese anspruchsvolle Bauart macht sie in der Anschaffung auch teurer. Die Umwandlung von Sonnenlicht in thermische Energie ist im Flachkollektor und Vakuumkollektor grundsätzlich gleich. Das Vakuum verhindert jedoch wie bei er einer Thermoskanne den Wärmeverlust und das Glasrohr bleibt außen kalt. Wegen der geringen Wärmeverluste sind sie besonders für den Einsatz von Gebäudeheizung und Klimatisierung bzw. Kälteerzeugung prädestiniert. Der Kollektor besteht aus mehreren nebeneinander angeordneten Glasröhren, die in einen Rahmen montiert sind. Der Wirkungsgrad von Vakuumröhrenkollektoren ist etwa 20 % und das erreichbare Temperaturniveau sind mit bis zu 150 °C höher als von konventionellen Flachkollektoren. Vakuumröhrenkollektoren bieten sich an, wenn entweder nur eine kleine Dachfläche zur Verfügung steht oder die Solarthermieanlage zur Raumheizung genutzt werden soll.
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Luftkollektoren
Es gibt jedoch auch Solarkollektoren, die statt Wasser Luft erwärmen. Man bezeichnet sie als Luftkollektoren.
All die erwähnten Kollektoren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nach ausgerichtet werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung. Darüber hinaus gibt es auch konzentrierende Kollektoren, die nach dem Prinzip eines Brennspiegels arbeiten und dadurch deutlich höhere Temperaturen erzielen können. So können Parabolrinnen-Kollektoren in Sonnenwärmekraftwerken Temperaturen um die 400 °C erzielen, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann. Solche Verfahren lohnen sich jedoch nur bei starker direkter Sonneneinstrahlung (ohne Bewölkung). Während man früher ausschließlich fest aufgestellte bzw. verankerte Kollektoren verwendete, gibt es mittlerweile auch Systeme, die dem Lauf der Sonne folgen.
Anwendungsgebiete von Sonnenkollektoren
Am häufigsten wird die Aufbereitung von Solarwärme zur Warmwasseraufbereitung in Privathaushalten genutzt. Bei einem geeigneten Aufbau der Kollektorfläche und passendem Speichervolumen kann die solarthermische Anlage in Mitteleuropa während der gesamten Sommerhalbjahres die komplette Trinkwassererwärmung übernehmen. In der Heizperiode kann immerhin noch bis etwa 20 bis 30 % des Warmwasserbedarf darüber gedeckt werden, den Rest muss die Heizung übernehmen. In Deutschland kann eine Solarthermie-Anlage mit 6 m2 Kollektorfläche (4-Personenhaushalt) bei durchschnittlicher Sonneneinstrahlung pro Jahr insgesamt circa 2.000 kWh Energie für die Warmwasserbereitung liefern.
Anwendung findet diese Form der Warmwasserbereitung auch häufig in Großanlagen. Solarthermische Großanlagen arbeiten effizienter und erzielen ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis als die kleinen Anlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser. Für die Wirtschaftlichkeit einer Großanlage ist ein hoher Warmwasserbedarf im Jahresverlauf ausschlaggebend. Aus diesem Grund kommen diese Anlagen meist in Alten- und Pflegeheimen, in Krankenhäusern, Hotels, Sportanlagen und im Wohnungsbau, aber auch in energieintensiven Gewerbebetrieben wie Fleischereien, Bäckereien oder Brauereien zum Einsatz.
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Darüber hinaus kann die Solarwärme auch zum Heizen von Gebäuden genutzt werden. Dafür ist aber eine weitere Brennwertheizung, eine Wärmepumpe oder eine Holzheizung notwendig. Die heizungsunterstützende Anlage benötigt eine größere Anzahl an Kollektoren als eine Warmwasseranlage und spezielle Speicher. Die Heizungsvariante eignet sich vor allem für Neubauten mit geringer Heizlast, bei denen die Wärme der Sonne den überwiegenden Teil des Heizungsbedarfs abdecken kann. Flächenheizsysteme wie Wand- und Fußbodenheizungen passen sehr gut zu einer solaren Heizungsunterstützung. Die solaren Deckungsbeiträge für die Gebäudeheizung liegen bei 10 bis 30 %, bei Niedrigenergiehäusern bei bis zu 40 %. Aktuell arbeiten rund 30 % aller in Deutschland installierten Solarthermie-Anlagen heizungsunterstützend, Tendenz steigend. Zunehmend werden auch Systeme zur Heizungsunterstützung in Großanlagen installiert.
