Solarthermie Solarkollektoren

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Solarkollektoren für Solarthermieanlagen

Für Solarthermieanlagen sind die Solarkollektoren die entscheidenden Komponenten. In ihnen wird Sonnenenergie eingefangen und dann entweder für die Erwärmung des Trinkwassers oder des Wassers im Heizungskreis – oder für beides – bereitgestellt. Solarkollektoren gibt es in unterschiedlicher Bauweise, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben und sich außerdem hinsichtlich Preis und Effizienz unterscheiden.

Flachkollektoren

Solarthermie Flachkollektoren
Flachkollektoren © Michael Böhm, fotolia.com

Eine der ersten Bauarten von Solarkollektoren waren Flachkollektoren. Sie sind auch heute die am Weitesten verbreitete Art an Solarkollektoren (Marktanteil ca. 70 %). Flachkollektoren sind vergleichsweise preiswert, sehr zuverlässig und bieten eine bewährte Technologie.

Bauart von Flachkollektoren

Im Prinzip bestehen Flachkollektoren aus einem Gehäuse, in dessem Inneren sich ein geschwärztes Metallbech, der Absorber befindet. Die dunkle Absorberschicht sorgt für eine sehr gute Absorption der auftreffenden solaren Strahlung und wandelt diese sehr effizient in Wärme um. Auf der Rückseite des Absorbers verlaufen Rohre (mäander- oder harfenförmig), in denen die Wärmeträgerflüssigkeit fließt. Diese fliesst über ein Verbindungsstück in den Kollektor (Anschluss Rücklaufleitung – kalt) und verlässt ihn an anderer Stelle (Anschluss Vorlaufleitung – heiß). Abgedeckt wird der Solarkollektor mit einem speziellen Solar-Sicherheitsglas, das einerseits sehr stabil ist und andererseits hochtransparent, damit möglichst viel Energie auf den Absorber treffen kann, um dort in Wärme umgewandelt zu werden. Die Gehäuse der Flachkollektoren sind wärmegedämmt, um ihre Wärmeverluste zu reduzieren und damit ihre Effizienz zu steigern.

Querschnitt Solarthermie Flachkollektoren
Solarthermie Querschnitt Flächenkollektor, © Bild Junkers

Unterschiede bei Flachkollektoren

Flachkollektor ist nicht gleich Flachkollektor. Sie unterscheiden sich in mancherlei Hinsicht. So gibt es nicht nur unterschiedliche Gehäusewerkstoffe, auch für die Verbindung der Rohre mit dem Absorber und bei der Verlegeart der Rohre sind verschiedene Varianten möglich.

  • Gehäusewerkstoff – weit verbreitet ist Aluminium, aber auch Edelstahl, Kunststoff oder sogar Holz sind möglich.
  • Absorberform – bei der Form der Absorber finden sich Vollflächenabsorber oder Absorberstreifen aus Aluminiumblech, in die Kupferrohre (für den Wärmeträger) eingepresst werden ebenso wie Absorberstreifen aus Kupfer. Die Kupferrohre können entweder eingepresst, aufgelötet oder geschweißt werden (per Ultraschall-, Plasma- oder Laserschweißen). Weit verbreitet sind aber auch Absorber aus Stahl-, Edelstahl- oder Aluminiumblechen. Dabei kommen entweder Punktschweißen, Längsschweißen bei den Edelstahl- und Stahlabsorbern oder Rollbonding für die Aluminiumbleche als Verbindungsmethode zur Anwendung.
  • Führung der Wärmeträgerrohre – bei der Führung der Rohre im Flachkollektor werden zwei grundsätzliche Methoden unterschieden. Entweder werden die Rohre mäanderförmig (wie eine Schlange an einem Stück) verlegt oder als sogenanntes Rohrregister, das heißt lauter parallele, oben und unten verbundene Rohre.
  • Absorberschicht – auch hier entwickelte sich die Technik immer weiter. Bei heutigen Flachkollektoren werden spezielle, sogenannte hochselektive Schichten verwendet, die sich durch einen hohe Absorptionsgrad für die kurzwellige solare Strahlung und einen geringen Emissionsgrad der langwelligen Wärmestrahlung auszeichnen.

Aufbau Solarthermie Flachkollektoren
Bestandteile eines Flachkollektors, © Bild DGS

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Röhrenkollektor

Bauarten von Vakuum-Röhrenkollektoren

Solarthermie Röhrenkollektoren
Röhrenkollektoren © Pavlo Vakhrushev, fotolia.com

Im Gegensatz zum Flachkollektor, bei dem das gesamte Gehäuse wärmegedämmt wird, ist beim Röhrenkollektor jeder einzelne Absorber mit einer evakuierten Glasröhre umhüllt. Mehrere der Röhren zusammen in einem Sammler verbunden ergeben dann den Röhrenkollektor. Das Vakuum besitzt besonders gute Wärmedämmeigenschaften, da es weder Verluste durch eine Wärmeleitung noch Konvektion zulässt.

Durch diese sehr gute Wärmedämmung sind Vakuum-Röhrenkollektoren auch deutlich effizienter als Flachkollektoren.
Bei Vakuum-Röhrenkollektoren unterscheidet man die Bauformen der direkt und nicht direkt durchströmten (auch Heat-Pipe genannt) -Röhrenkollektoren.

Querschnitt Solarthermie Röhrenkollektoren
Solarthermie Querschnitt Röhrenkollektoren, © Bild Buderus

Direkt durchströmte Vakuum-Röhrenkollektoren

Wie der Name schon sagt, fließt die Wärmeträgerflüssigkeit durch Kupferrohre in den evakuierten Glasröhren. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird dann im Sammler aus den einzelnen Röhren kommend zusammengeführt, getrennt in Vor- und Rücklaufleitungen zusammengeführt und über den Solarkreis zum Wärmeübertrager transportiert. Bei einem defekten Vakuum einer Röhre kann diese einzeln ausgetauscht werden.

CPC-Vakuumröhrenkollektoren

Bei dieser Bauart eines direkt durchströmten Vakuumröhrenkollektors werden zwei Glasröhren konzentrisch angeordnet, wobei beide Rohre vor einem Parabolspiegel liegen. Auf der Oberfläche des inneren Glaskolbens, also im Vakuum liegend, ist die absorbierende Beschichtung aufgebracht. Durch den Parabolspiegel sind die CPC-Vakuumröhrenkollektoren besonders effizient und erbringen insbesondere bei geringen Einstrahlungen vergleichsweise hohe Erträge. Beim Defekt einer Röhre kann diese gut ausgetauscht werden.

Heat Pipe

Bei den Heat Pipe Vakuum-Röhrenkollektoren wird für die Wärmeübertragung ein thermodynamischer Prozess genutzt: In der vakuumierten Glasröhre liegt ein Wärmerohr, daher der Name Heat Pipe, in dem eine leicht verdampfende Flüssigkeit bei Unterdruck enthalten ist, zum Beispiel Wasser oder Alkohol. Bei Erwärmung dieses Arbeitsmediums verdampft dieses (aufgrund des Unterdruckes erfolgt dies bereits bei Zimmertemperatur), steigt zum Kopf der Röhre auf und gibt seine Wärme durch Kondensation des Dampfes an die außerhalb am Kopf vorbeifließende Wärmeträgerflüssigkeit ab und fließt zurück zum Boden der Röhre. Das Heat Pipe Konzept hat den Vorteil, dass die Temperaturen, die erreicht werden, im Vergleich zu den durchströmten Vakuumröhrenkollektoren niedriger bleiben. Es gibt z.B. Heat Pipe Kollektoren, die bei Erreichen von 100 °C „abschalten“. Gerade wenn keine Wärme abgenommen wird, ist dies ein Vorteil, denn die Wärmeträgerflüssigkeit kann bei allzu häufigen hohen Temperaturen degradieren. Auch im Falle kurzer Vor- und Rücklaufleitungen (z.B. in Dachheizzentralen) sind die im Solarkreis enthaltenen Armaturen vor zu hohen Temperaturen gut geschützt.

CPC-Vakuumröhrenkollektoren

Bei den Heat Pipe Vakuum-Röhrenkollektoren wird für die Wärmeübertragung ein thermodynamischer Prozess genutzt: In der vakuumierten Glasröhre liegt ein Wärmerohr, daher der Name Heat Pipe, in dem eine leicht verdampfende Flüssigkeit bei Unterdruck enthalten ist, zum Beispiel Wasser oder Alkohol. Bei Erwärmung dieses Arbeitsmediums verdampft dieses (aufgrund des Unterdruckes bereits bei Zimmertemperatur), steigt zum Kopf der Röhre auf und gibt seine Wärme durch Kondensation des Dampfes an die außerhalb fließende Wärmeträgerflüssigkeit ab und fliesst zurück zum Boden der Röhre. Das Heat Pipe Konzept hat den Vorteil, dass es wartungs- und reparaturfreundlicher ist und die Temperaturen, die erreicht werden, niedriger bleiben. Gerade wenn keine Wärme abgenommen wird, ist dies ein Vorteil, denn die Wärmeträgerflüssigkeit kann bei allzu häufigen hohen Temperaturen degradieren.

Wärmeträgerflüssigkeit

Solarflüssigkeit
Solarflüssigkeit © Bernd Rieke, Wikipedia

Die Wärmeträgerflüssigkeit speichert die solare Wärme und transportiert sie durch die Verrohrung des Solarkreises zum Solarspeicher. Dort gibt ein Wärmeübertrager die Wärme an das Trink- oder Heizungswasser ab. Daraufhin fließt die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit zurück und wird in den Solarkollektoren wieder aufgewärmt. Wasser wäre durchaus als Wärmeträger geeignet, allerdings besteht gerade in unseren Breiten die Gefahr, dass das Wasser im Winter einfriert, sich ausdehnt und einen Frostschaden im Kollektor bzw. Absorberrohr verursacht. Deshalb wird Wasser üblicherweise mit einem Frostschutzmittel versetzt. Eingesetzt wird dazu Propylen-Glykol. Neben der Frostschutzfunktion muss die Wärmeträgerflüssigkeit auch temperaturbeständig sein, da in Solarkollektoren sehr hohe Temperaturen auftreten können (CPC-Vakuumröhrenkollktoren bis zu 350 °C). Ein zu hoher Anteil an Frostschutzmittel würde wiederum die Viskosität zu stark erhöhen und darüber hinaus die Wärmekapazität vermindern. Ein übliches Mischungsverhältnis ist 40% Propylenglykol und 60% Wasser. Diese Mischung besitzt einen Frostschutz bis -25°C. Auf dem Markt werden verschiedene Wärmeträgerflüssigkeiten für Flach- bzw. Vakuumröhrenkollektoren angeboten, bei denen auf folgende Eigenschaften geachtet werden sollte:

  • Hohe Temperaturstabilität
  • Guten Korrosionsschutz
  • Möglichst geringe Viskosität
  • Hohe Wärmekapazität
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