Sonnenkollektoren

 

Herzstück einer Solarwärmeanlage: der Sonnenkollektor

(02. Februar 2005) Es gibt zwei Bauarten von Kollektoren: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren. Wichtigstes Bauteil der Sonnenkollektors sind die Absorber. Sie nehmen die einfallende Sonnenstrahlung auf und wandeln sie in Wärme um. Damit die Absorber viel Sonnenlicht aufnehmen (anstatt zu reflektieren), gleichzeitig aber nur wenig Wärme wieder abstrahlen sind sie selektiv beschichtet. Da sich die Absorber erwärmen und eine höhere Temperatur als die Umgebung erreichen, würde sie ansonsten einen großen Teil der aufgenommenen Sonnenenergie in Form von langwelliger Wärmestrahlung wieder abstrahlen. Die selektive Beschichtung garantiert dagegen, dass der Großteil der Wärme an das die Absorber durchfließende Wärmeträgermedium abgegeben werden kann. Typische Absorbermaterialien sind Kupfer und Aluminium.

Standardprodukt: Der Flachkollektor

Neben den Absorbern vervollständigen eine transparente Abdeckung, ein Gehäuse und die Wärmedämmung einen Flachkollektor. Eisenarmes Solarsicherheitsglas lässt viel Sonnenlicht in den Kollektor hinein. Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch (Treibhauseffekt). Außerdem verhindert das Solarglas, das vorbei streichende kältere Luft dem Absorber Wärme entzieht. Gemeinsam mit dem Gehäuse schließlich schützt es den Absorber vor Regen, Schnee oder Hagel. Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech. Manche Hersteller verarbeiten auch glasverstärkten Kunststoff. Die gedämmten Seitenwände und Rückseite des Absorbers vermindert ebenfalls Energieverluste. Als Dämm-Materialien bevorzugen die Hersteller Polyurethan-Schaum und Mineralwolle.

Grafik: Weishaupt

Edelkarossen: Die Vakuumröhrenkollektoren

Anstatt in einen gedämmten Kasten kann man einen Absorberstreifen auch in eine evakuierte, druckfeste Glasröhre einführen. Die Funktion der Wärmedämmung übernimmt nun das Vakuum - und das auch noch besser. Vakuumkollektoren arbeiten gegenüber ihren flachen Kollegen bei hohen Absorbertemperaturen und niedrigen Einstrahlungen mit einem besseren Wirkungsgrad. Und sie erzielen höhere Temperaturen. Deshalb eignen sie sich auch, um Dampf zu erzeugen oder für Klimasysteme. In Vakuumröhren durchströmt die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System. Mehrere einzelne hintereinander geschaltete beziehungsweise über eine Sammelleitung verbundene Röhren bilden den Sonnenkollektor.

Foto: Buderus

Der Trick bei Heat-Pipe-Röhrenkollektoren ist eine schon bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Erwärmt sich die Flüssigkeit, steigt der Flüssigkeitsdampf im Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgermedium ab. Dabei kondensiert die Flüssigkeit im Wärmerohr und fließt wieder an das Rohrende zurück. Damit Heat-Pipe-Kollektoren funktionieren, müssen sie um mindestens 30 Grad von der Horizontalen aufgebaut sein.

Vakuumröhrenkollektoren lassen sich auf zwei Arten an den Solarkreislauf anschließen. Entweder ragt der Wärmetauscher in das Sammelrohr hinein ("nasse Anbindung") oder er ist wärmeleitend über einen Wärmetauscher mit dem Sammelrohr verbunden ("trockene" Anbindung). Großer Vorteil "trockener" Anbindungen: Die Vakuumröhren lassen sich bei Defekten einzeln austauschen, ohne dass der gesamte Solarkreislauf geleert werden muss.

Neuere Spielarten der Vakuumröhre sind der so genannte Sydney-Kollektor und die Schott-Röhre. Bei der Sydney-Röhre handelt es sich im Prinzip um zwei ineinander geschobene Glasröhren, deren Enden wie bei einer Thermoskanne an einer Seite miteinander verschmolzen sind. Der Zwischenraum zwischen den Röhren ist vakuumisoliert. Im Gegensatz zu den anderen Vakuumröhren ist der Absorber nicht eben, sondern besteht aus einer zylindrisch, selektiv beschichteten Glasröhre. Darin eng anliegend befindet sich ein Wärmeableitblech, über das die Wärme an ein mit Wärmeträgermedium durchflossenes U-Rohr übertragen wird. Ein Reflektorblech hinter den Röhren reflektiert zwischen den Röhren durchfallendes Sonnenlicht auf den hinteren Teil des zylindrischen Absorbers.

Die Schott-Röhre kommt dagegen ganz ohne Metall-Absorber oder -ableitbleche aus. Ein doppelwandiges Hüllrohr umschließt ein inneres, selektiv beschichtetes Glasrohr. Ein Inneren der Doppelwand-Röhre aufgebrachter kreisrunder Silberspiegel lenkt die auf die Querschnittsfläche des Hüllrohrs einfallende Sonnenstrahlung auf das Absorberrohr. Vorteil dieser Konstruktion: Der Reflektor kann im Inneren der Röhre nicht verschmutzen.

Welcher Kollektor für welchen Einsatzfall?

Flachkollektoren zeichnen sich durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis aus sowie eine breite Palette an möglichen Montagevarianten. Ob als Ersatz der Dachhaut (Indach-Montage), auf ein Schrägdach (Aufdach-Montage), als Fassadenelement oder aufgeständert für Flachdächer, Flachkollektoren sind keine Grenzen gesetzt.

Allerdings gibt es inzwischen auch für Vakuumröhrenkollektoren Indach-Lösungen. Vakuumröhremkollektoren liefern mehr Leistung als Flachkollektoren, sind dafür aber auch teurer. Sollte beispielsweise nicht genügend Dachfläche vorhanden sein, kann man also mit einer kleineren Vakuumröhrenkollektor-Fläche auskommen. Einfluss auf die Kollektorwahl haben haben deshalb vor allem die Standortfaktoren wie Einstrahlungswerte, Witterungsverhältnisse und Platzangebot. Zu bedenken gilt es aber: Ein guter Kollektor ist aber noch lange kein Garant für eine gute Solaranlage. Vielmehr sollten alle Anlagenteile von hoher Qualität und optimal aufeinander abgestimmt sein.

Prüfberichte von Sonnenkollektoren veröffentlicht das Schweizer Institut SPF auf seiner Internetseite http://www.solarenergy.ch

Kollektorprüfberichte bietet Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen der Universität Stuttgart im Internet unter http://www.itw.uni-stuttgart.de an.