Solarkollektor

Sonnenkollektor

Die Trägerflüssigkeit wird im Solarkollektor durch einfallendes Sonnenlicht erwärmt. Den Preis oder die Kosten für einen Solarkollektor / eine Solaranlage finden Sie hier kurz aufgelistet. Ein Solarkollektor gehört zu jeder Solaranlage. Nähere Informationen zu den Qualitätsmerkmalen von solarthermischen Kollektoren finden Sie in unserem Artikel Solarkollektoren und Komplettsysteme im Test. Sonnenkollektoren gibt es flach und mit Röhren, für Solarthermie und Photovoltaik: Erfahren Sie mehr über Funktion, Preis, Haltbarkeit und Effizienz.

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Der Solarkollektor oder auch Solarkollektor (lateinisch sol "collect" und "sun"), auch Thermosolarkollektor (thermischer Solarkollektor), verwandelt die Sonneneinstrahlung in Hitze. Sie kann zum Heizen, Kühlen, Wasserdesinfizieren, Entsalzen etc. genutzt werden. Sonnenkollektoren sind Teil einer solarthermischen Anlage. Sonnenkollektoren können sowohl auf Hausdächern als auch als Freiflächenanlage montiert werden.

Freiflächensysteme werden vor allem in Gestalt von Großsystemen als Kernstück von solarthermischen Fernwärmeanlagen genutzt. Ein flüssiges Wärmeträgermedium (Öl, Wasser) wird in der Regel in den Sammlern erwärmt. Lufterhitzer werden Luftsammler genannt. Als Solarkollektor wird manchmal ein Solarteich bezeichnet, in dem die Sonneneinstrahlung eine unter einer Frischwasserschicht liegende wässerige Kochsalzlösung erwärmt.

1 ] Andererseits werden Geräte zur Erzeugung von Strom in Photovoltaik-Anlagen nicht als Solarkollektoren, sondern als Solar-Module betrachtet. Die hier gezeigten Sammler werden als grauer Stab im Tichelmann-System angeschlossen, wodurch eine gleichmässige Leitungslänge im Vor- und Nachlauf und damit eine gleichmässige Strömung durch jeden Kollektor wird. Mit thermischen Solarkollektoren werden vergleichsweise gute Nutzungsgrade der Sonneneinstrahlung erzielt - in der Regel zwischen 60 und 75 Prozent.

Je nach Saison und Stand der Sonneneinstrahlung treten in Europa zwischen 200 und 1000 W/m bei Sonneneinstrahlung auf (siehe auch Solarkonstante). Zentrales Element des Solarkollektors ist der Sonnenabsorber, der die Sonnenenergie in Hitze umsetzt und auf einen durch ihn fließenden Wärmeübertrager überträgt. Durch dieses Wärmeträgermedium wird die Abwärme aus dem Sammler (z.B. über Wärmetauscher) abgeleitet und anschliessend genutzt oder zwischengespeichert.

Im Sonnenlicht erhitzen sich passende Gefäße in wenigen Minuten auf nahezu kochende Temperaturen, die im Sueden seit Jahrzehnten verwendet werden. Selbst in Mitteleuropa kann ein normaler Wasserschlauch im Hochsommer eine Wassertemperatur von über 60°C haben. Sie absorbieren die Strahlen nahezu gleichmässig aus allen Himmelsrichtungen, müssen der Sonneneinstrahlung nicht folgen und geben auch bei bewölktem Himmel noch eine bestimmte Energie ab.

Hinzu kommen Konzentratkollektoren, die nach dem Verbrennungsspiegelprinzip funktionieren und wesentlich bessere Temperaturwerte haben. Parabolrinnenkollektoren in solarthermischen Kraftwerken haben eine Temperatur von etwa 400 C, mit der ein Kraftwerk gefahren werden kann. Wurden früher nur feste oder ankernde Stromabnehmer verwendet, gibt es nun auch Nachführsysteme.

Die Sonnenkollektoren sind der Kern einer Solarthermieanlage und wurden bis zu Beginn der 90er Jahre überwiegend nur für die Warmwasseraufbereitung und immer häufiger auch für die Raumwärme eingesetzt. Kombiniert mit einem Energiesparhaus und einem saisonalen Wärmespeicher kann der Raum auch komplett mit Sonnenkollektoren beheizt werden. Eine Thermosiphonanlage funktioniert nach dem Prinzip der Schwerkraftzirkulation ohne Pumpe: In der Anlage wird heißes und steigendes Kühlwasser aufgefangen, während es wieder nach unten absinkt ("Naturumlauf").

Oftmals verfügt der Thermosiphon-Kollektor bereits über einen integrierten Speicher-Wassererwärmer und bildet damit eine vollständige, unkomplizierte Solarenergie. Das Thermosiphonsystem ist nicht zu vergleichen mit dem Thermosiphon-Speicher, in dem nach dem Thermosiphonprinzip ein Heißwasserspeicher mit einer optimalen Temperatur-Schichtung geladen wird. Durch eine Glasscheibe einfallende Sonnenstrahlung trifft auf einen Sonnenabsorber.

Da die dabei entstehende Abwärme nicht abgeführt werden darf, ist der Sammler nach allen Seiten thermisch isoliert. Die vom Absorber aufgrund seiner eigenen Temperatur abgegebene Hitze kann mindestens von der Glasplatte gehalten werden, da sie für die größere Wellenlängen nicht durchlässig ist ( "wellenlängenselektive Transparenz", Treibhauseffekt) - es entsteht ein Strahlungsausgleich.

Sonnenkollektoren verwenden oft spezielle Solargläser, die transparent er als Fenstergläser, beständiger gegen Temperaturinhomogenitäten und weniger durch UV-Strahlung und Alterung beeinträchtigt sind[2]. Vor allem bei Vakuum-Kollektoren kann der Adsorber eine wellenlängen-selektive Absorbierung haben, so dass zum einen eine starke Absorbierung des Sonnenlichts und zum anderen ein niedriger Emissivitätsgrad im Mittelinfrarotbereich gewährleistet ist und weniger Wärmeabstrahlung austritt.

Das beheizte Absorptionsmittel leitet die Hitze an eine Wärmeübertragungsflüssigkeit (Wasser/Glykol, Salzlake, Erdöl, sogenannte Sonnenflüssigkeit ) weiter, die in Kupfer- oder Aluminiumrohre fließt, die mit dem Absorptionsmittel verbunden sind. Er befördert die Hitze zu einem Abnehmer oder einem Puffer. Bei Sonnenkollektoren mit einem offenen Flüssigkeitskreis fließt das zu erwärmende Leitungswasser unmittelbar durch den Absorptionskörper (insbesondere bei Thermosiphonsystemen).

Der geschlossene Solarkreis, auch bekannt als Primärkreis, wird mit einer Substanz versetzt, die den Frostpunkt senkt - zum Beispiel das nicht toxische Propylenglykol. Über einen Wärmeaustauscher wird die Hitze dann z.B. auf das Heizungswasser oder das im Wärmespeicher befindliche Warmwasser geleitet. Ein Sonnenabsorber ist ein wesentlicher Bestandteil eines Wärmekollektors.

Der Sonnenabsorber befindet sich auf Alu- oder Kupferblech. Mit einer selektiven Schicht wird dieser Sauger im Tageslicht erhitzt; diese Hitze wird von einer Flüssigkeit (Solarflüssigkeit oder Luft) absorbiert, die in den Saugrohren fließt und zur Verwendung oder einem Wärmeakkumulator befördert wird. Die Solarkollektoren müssen eine gute thermische Isolierung (durch Unterdruck oder geeignete Isoliermaterialien) aufweisen, um Wärmeverlust zu verhindern und eine hohe Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten.

Über Wärmeleitplatten führen die Tilger die Wärme an ein bereits verlegtes Rohrleitungssystem ab, das sich unter den Dachpfannen auf der Dachlatte verbirgt und von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durchflossen wird. Dachziegelabsorber sind aufgrund mangelnder Deckung zwar stabil, können aber das Absorptionsvermögen oder die Isolierung anderer Sammler nicht erzielen, weshalb sie nicht sehr ertragreich sind.

Verglichen mit anderen Absorbern erreicht eine solche Absorbermatte nur geringere Temperaturwerte, was für ihren Einsatzzweck nicht ausreicht. Das Absorbergehäuse hat die Gestalt einer Platine (Flachkollektor). Rohrabsorber sind solche Ausführungen, bei denen das Rohr selbst als Absorptionsmittel fungiert oder nur durch relativ enge Seitenflächen des Absorbers vervollständigt wird.

Derartige Rohrabsorber findet man z.B. in einigen Ausführungen von Vakuum-Röhrenkollektoren, bei denen die Einzelröhren nur eine einzige Röhre als Absorptionsmittel haben. Ganz einfach gesagt, bestehen die Strukturen aus mikroskopisch kleinen Metallhaaren, die das Licht der Sonne zwischen sich aufnehmen, aber aufgrund ihrer kleinen Abmessungen bei höheren Lichtwellenlängen wenig aussenden.

Mit 91...96% Lichtabsorption erzielen sie ähnliche gute Ergebnisse wie die bisher eingesetzte Schwarzchrom-Beschichtung, aber gleichzeitig einen wesentlich geringeren Infrarot-Emissionsgrad (um 5 %) und damit weniger Wärmeverlust durch Strahlung. Sie erzielen dadurch einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als schwarzbeschichtete und auch als schwarzverchromte Dämpfer. Oft werden in heissen Laendern Absorptionsmittel verwendet, die nur mit Solarfarbe lackiert sind.

Wie bei allen Farben ist der Emissivität im Mittelinfrarot sehr hoch - ein Teil der aufgenommenen Hitze wird also wieder abgelassen. Das ist die Betriebstemperatur, die der Solarkollektor bei normaler Einstrahlung von 1000 W/m im Ruhezustand ohne Solarfluid erlangt. In den meisten Fällen sind in den Kollektorzertifikaten Temperaturbereiche zwischen 170 und 230 °C zu finden; bei einigen Kollegen wird diese mit über 300 C angezeigt.

Die Isolierung eines Kollektors ist umso besser, je besser die Temperaturen sind. Jede Kollektoranlage muss so ausgelegt sein, dass sie diesen extremen Temperaturen unbeschadet standhält. Auch Sammler mit Edelstahl-Sammelrohren sind erhältlich. Bei einem stagnierenden Sammler, der mit kaltem Solarfluid gefüllt ist, kann die schlagartige Kühlung zu Beschädigungen des Kollektors kommen. Das Nachfüllen sollte daher bei bedecktem Behälter oder in den Morgen- und Abendstunden durchgeführt werden.

Seit geraumer Zeit wird das Solarthermieprinzip genutzt: Der Naturalist Horace-Bénédict de Saussure erfindet im achtzehnten Jh. die Wegbereiter der Sonnenkollektoren von heute. Jh. entwickelt der Brite Augustin Mouchot die Sonnenkollektoren de Saussures weiter und kombiniert sie mit brennenden Spiegeln. Im Jahre 1878 präsentierte er auf der Welt-Ausstellung in Paris eine solare Dampfmaschine.

Am bekanntesten und gebräuchlichsten ist die Warmwasserbereitung. Die Sonnenwärme kann zwar auch das ganze Jahr über den Verbrauch eines Haushaltes abdecken, doch dann wird die Pflanze entweder sehr viel grösser und versorgt im Hochsommer sehr viel mehr Energie, als man nutzen kann, oder man braucht einen saisonalen Wärmespeicher.

Bei der Warmwasserversorgung beträgt der jährliche Beitrag einer Solarstromanlage zwischen 50 und 60 %[6], was etwa 14% des Wärmeenergiebedarfs ausmacht. Wird zusätzlich ein saisonaler Wärmespeicher eingesetzt, ist es möglich, in den Sommermonaten genügend Heizenergie zu lagern, um den Heizwärmebedarf ganzjährig zu decken.

Als Solarhäuser werden auch solche mit passivem Solarbau oder Solarkollektoren und saisonaler Wärmespeicherung bezeichnet. Damit auch an trüben und regenreichen Tagen genügend warmes Wasser zur Verfügung steht, verfügt die Solarthermieanlage über einen eingebauten Heißwasserspeicher mit Tauscherfunktion, der für den einzelnen Haushalt - je nach Personenzahl (Familiengröße) und Verbrauchsverhalten - von etwa 300 bis 1500 Litern Wasserbefüllung reichen kann.

Zur Kompensation eines erhöhten Wärmebedarfs oder fehlender Kollektorwärme bei bewölktem Himmel wird entweder ein Heizschlauch in den Trinkwasserspeicher eingesetzt oder der Pufferspeicher über einen zusätzlichen integrierten Wärmeaustauscher mit dem Hauskessel gekoppelt. Ein Solarballon wird in der Regel mit einer dünnen, leichten Kunststofffolie abgedeckt. In dem Solarballon befindet sich gewöhnliche Raumluft, deren Temperatur durch die Erhitzung abnimmt.

Damit ist der Sonnenballon eine Subspezies des Ballons. Im Gegensatz zur Passiv-Solar-Architektur, die bereits die Gestaltung der Gebäudedecke beeinflusst, können Kollektoranlagen oft problemlos in vorhandene Bauten integriert werden, weshalb die ökonomische Betrachtung von Althäusern oft nur zwischen einer Solarkollektoranlage oder anderen Aktivheizungen erfolgt. Je nach vorhandener Wärmedämmung und den konstruktiven Gegebenheiten für die Installation einer grösseren Kollektoroberfläche oder die Nutzung anderer Heizformen, einschliesslich des völligen Wegfalls der Beheizung in neuen Gebäuden mit Passiv-Solar-Architektur.

Oftmals lassen sich gerade durch die relativ einfachen technischen saisonalen Zwischenspeicherungen von Hitze, zum Beispiel mit weitestgehend verlustfrei arbeitenden thermo-chemischen Pufferspeichern, großen oder wenigstens gut gedämmten Pufferspeichern oder auch Latentwärmespeicher, geringe Kosten erzielen. Eine eventuelle Verfolgung der Stromabnehmer oder eine Veränderung des Montagewinkels zum Winters kann auch das Preis-Leistungs-Verhältnis mitbestimmen.

Normalerweise nutzt Norbert Schreier et al. die Sonnenwärme bestmöglich. Dr. Ulrich Fox: Solarkollektoren - Solarthermie. Duffie et al.: Solartechnik für Wärmeprozesse. Wiley, Hoboken 2006, ISBN 0-471-69867-9 Ursula Eicker: Solartechnik für Bauten. W.Khammas: Das Buch der Synergie on-line abrufbar, abrufen am 15. October 2011. ? Gabriele Comodi et al, Ökobilanz und Energie-CO2-ökonomische Amortisationsanalysen von erneuerbaren Brauchwassersystemen mit unglasierten und verglasten Solarthermieanlagen.

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