Sonnenkollektor

Ein Sonnenkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus der Sonnenstrahlung. Ein Sonnenkollektor „sammelt“ und absorbiert die im Sonnenlicht enthaltene Energie, wobei im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.

Prinzip des Sonnenkollektors

Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade – typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante).

Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an ein ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert (z.B. über Wärmeübertrager) oder direkt als Prozesswärme verwendet.

Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist eine gute Isolierung des Absorbers gegenüber der Umgebung und auch eine Abschirmung der warmen Leitungen notwendig. Nach der Isolierungstechnik unterscheidet man

* Flachkollektoren, die herkömmliche Isoliermaterialien verwenden;
* Vakuumröhrenkollektoren, die die thermische Isolierung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind;
* Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich isoliert.
* Die einfachste Bauart (freilich kein Kollektor im strengen Sinn) ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter mit großer Oberfläche. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genützt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch Wassertemperaturen von über 60° erreichen.

Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, die in der Regel zur Warmwassergewinnung genutzt wird, zunehmend auch zur Raumheizungsunterstützung. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann jedoch auch die Raumheizung vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen.

Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten: im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben, beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten. Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicherkessel daher oberhalb der Sonnenkollektoren befinden. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden.

Man kann auch einen Thermosyphonspeicher an einen normalen Kollektor anschließen.

Aufbauschema

Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme soll nicht verlorengehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Die konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Bei Vakuumkollektoren ist sie ganz unterbunden.

Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird, kann größtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe zurückgehalten werden, da Glas für die höhere Wellenlänge nicht transparent ist (wellenlängenselektive Transparenz). Sie ist somit im Kollektor gefangen – das Strahlungsgleichgewicht führt zu einer höheren Temperatur als ohne Scheibe. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird.

Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlängenselektive Absorption aufweisen, sodass einerseits eine hohe Absorption für Sonnenlicht besteht und andererseits im Nahen Infrarot ein geringer Emissionsgrad vorliegt und dafür sorgt, dass weniger Wärmestrahlung emittiert wird.

Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Sie transportiert die Wärmeleistung zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom Brauchwasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet. Dem in sich geschlossenen Solarkreislauf, auch als Primärkreislauf bezeichnet, wird dabei eine Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt – bei Brauchwasseranlagen oft ein Propylenglykol. Die Wärme wird dann über einen Wärmetauscher auf das Brauchwasser übertragen.

Absorbertechnik

Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Technisch ausgedrückt: Er soll sich gegenüber den jeweiligen charakteristischen Wellenlängen selektiv verhalten.

In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack „beschichtet“ sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebeständig und in der Regel schwarz, um so bestmögliche Absorptionswerte für Sonnenstrahlung zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte in mittleren Infrarot sehr hoch – ein Teil der eingefangenen Wärme wird daher wieder abgestrahlt.

Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher eine sog. hoch-selektive Beschichtung der Kollektoren eingesetzt.
Damit werden Absorptionswerte von ca. 94 % für das Sonnenlicht (0,4…0,8µm Wellenlänge) und Emissionswerte von weniger als 6 % für die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers re-emittierte Strahlung (Infrarot mit Wellenlängen um 7,5µm) erreicht.

Eine der ersten Beschichtungen mit selektiver Absorption, die serienmäßig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt besteht sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfangen, jedoch aufgrund ihrer geringen Größe bei größeren Wellenlängen wenig emittieren.

Bis etwa 1997 war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern gelten – vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse – auch unter Produktions- und Recycling-Aspekten als umweltfreundlicher. Eine inzwischen weniger verbreitete Alternative zu Schwarzchrom war eine – ebenfalls galvanisch aufgebrachte – Nickelbeschichtung („Schwarznickel“).

Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNOX [1] auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben möglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte.

Eine weitere Entwicklung der späten 90-er Jahre ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane [2], eine Ceramic-Metall-Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzbläulich schimmert.

Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken für Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wärmeabführung mittels der „Solarflüssigkeit“ (siehe dazu Thermische Solaranlage) eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweißverfahren mit dem Absorber verbunden wird.

Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Vollflächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen, anzutreffen. Die Verrohrung ist bei diesen serpentinen- bzw. mäanderartig oder in Harfenform auf der Rückseite aufgelötet oder -geschweißt. Daneben gibt es Streifenabsorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist. Die Finnen werden dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet, so dass eine Art „Harfe“ entsteht. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Vollflächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf das aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist. Die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen.

Grundsätzlich weisen Vollflächenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht überschritten, werden vor allem in älteren Kollektormodellen noch überwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Inzwischen sind Absorberbleche in Breiten bis 1200mm erhältlich (vergl. www.alanod-sunselect.de oder www.tinox.de), was eine große Flexibilität in der Absorbergeometrie ermöglicht. Im Unterschied dazu erlauben Absorberfinnen ausschließlich die Verrohrung in Harfenform, andererseits lassen Finnen auf einfacherem Wege Anpassungen an die Dachform zu (maßgeschneiderte Kollektoren).

Solarglas

Das für den Kollektor verwendete Glas soll möglichst viel energiereiche Strahlung in den Kollektor einfallen lassen und nur die vom Absorber emittierte oder reflektierte Wärmestrahlung wieder zurück ins Kollektorinnere reflektieren.

Für Hochleistungskollektoren wird daher heute meist ein spezielles Solarglas verwendet, das diese Anforderungen besser erfüllt als normales Fensterglas. Chemisch unterscheidet es sich von diesem hauptsächlich durch den geringeren Eisengehalt. Optisch sichtbar wird dieser Unterschied beim Blick auf die Kante einer Solarglas-Scheibe: Während Fensterglas beim Blick auf die Kante grünlich wirkt, ist Solarglas auch aus dieser Blickrichtung klar.

Eine weitere Anforderung ist die Bruchfestigkeit gegenüber Hagel und Schneelast (ähnlich wie bei Dachfenstern), die bei möglichst geringer Scheibendicke erreicht werden soll.

Erfinder

Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285-212 v. Chr) zurück, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die römische Flotte in Brand setzte.

Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jhd. einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87°C.

Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der Franzose Augustin Mouchot die Solarkollektoren de Saussures weiter und kombinierte sie mit Brennspiegeln. 1878 stellte er auf der Pariser Weltaustellung eine Solar-Dampfmaschine vor. Er schlug vor, mit Hilfe dieser Dampfmaschinen die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln.

Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie

Die bekannteste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwassererzeugung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen reicht sie in Mitteleuropa während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden.
Setzt man einen Saisonwärmespeicher ein, ist es sogar möglich, im Sommerhalbjahr so viel Wärme zu speichern, dass ein Niedrigenergiehaus während normaler Winter komplett ohne fossile Zusatzheizung auskommt.Derartige Saisonwärmespeicher bestehen im einfachsten Fall aus einer ausreichend großen Menge Wasser oder Kies (ca. 20 Tonnen), die in der Mitte des Hauses oder darunter untergebracht sind.

Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie, wobei zumindest eine Vorwärmung der Wärmeträger möglich ist. Auch das Anwärmen von Biomassekulturen – etwa zur Erzeugung von Biogas ist längst zur Marktreife gediehen.

Etwas anspruchsvoller ist in der Haustechnik die solare Beheizung oder die Kühlung. Beim sog. Energiehaus ist eine fast vollständige Übernahme der Heizung durch die Sonnenstrahlung möglich. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Eine Amortisation der Solaranlage ist je nach Auslegung und Nutzerverhalten in 10 bis 20 Jahren zu erwarten. Die Lebensdauer eines Sonnenkollektors ist deutlich länger.

Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Heißwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage meist ein Wärmespeicher eingebaut, der für Haushalte – je nach Familiengröße – von etwa 300 bis 1000 Liter Wasserfüllung reicht. Übliche Marktgeräte heizen die untere Hälfte, deren Konvektion bei ausreichendem Sonnenschein dann den ganzen Boiler erwärmt. Bei bedecktem Wetter ist eine Zusatzheizung mit Strom oder dem Heizkessel üblich.

Ökonomische Betrachtungsweise

* Solarkollektoren können nur dann Sonnenstrahlen in Wärme umwandeln, wenn die Sonnenstrahlen auf die Absorberfläche treffen
* Um Wasser in einem Wärmespeicher von 40°C auf 60°C aufzuheizen, muss das Wasser durch den Kollektor auf mindestens 60°C aufgeheizt werden.
* Wärmeisolierung verzögert lediglich den Wärmeausgleich zwischen zwei Medien.

Diese Punkte haben enormes Gewicht in der ökonomischen Betrachtungsweise von Solarkollektoren. Dort steht in erster Linie die Frage im Vordergrund: „Wie rechtfertige ich zum jetzigen Zeitpunkt die getätigte Investition“. So werden Ökonomen versuchen, die Solaranlage voll auszunutzen und möglichst wenig Leerlaufzeiten entstehen zu lassen.

Für die Brauchwassererwärmung beispielsweise muss vorher der täglich zu erwartende Warmwasserbedarf bekannt sein. Hierbei ist es günstig, die Anlage auf ungefähr 70% des Energiebedarfes auszulegen. Dies liegt an dem jahreszeitlich unterschiedlichen Energieangebot. Legt man die Anlage im Winter auf 100% Energieausbeute aus, so erzeugt man im Sommer ein Überangebot, welches nicht genutzt werden kann; man lässt einen Teil der Kollektorfläche Sonnenenergie ungenutzt umwandeln und hat somit in Kollektorfläche investiert, die nur im Winter erwirtschaftet. Vergrößert man den Speicher, um die gesamte umgewandelte Sonnenenergie zu speichern, so riskiert man höhere Wärmeverluste, da man die Wärme in normalen isolierten Wärmespeichern nur zeitlich begrenzt speichern kann. Sowohl in der ökonomischen als auch in der ökologischen Betrachtungsweise ist es also fast immer sinnvoll, ein Hybridsystem mit dem Sonnenkollektor als ergänzende Energiequelle zu installieren.

 

energie-visions.de © 2016 Frontier Theme