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Grundwissen

Sonnenkollektor

Aufgaben Aufgaben
Idealer Energiefluss einer Anlage mit einem Sonnenkollektor. Die farbigen Punkte stellen keine Materie, sondern Energiebeträge dar

Idealvorstellung des Energieflusses

Im Sonnenkollektor wird die mit dem Sonnenlicht ankommende Energie an der schwarzen Oberfläche des Absorbers in Wärmeenergie umgewandelt, diese Wärmeenergie an der Oberfläche wird durch das Material des Flüssigkeitsrohres in die Wärmeträgerflüssigkeit geleitet und mit dieser in den Wärmespeicher transportiert.

Verluste und ihre Verminderung

1. Verlust in der Atmosphäre
Außerhalb der Atmosphäre ist die Bestrahlungsstärke bei jedem Sonnenstand h (h ist ein Winkel) gleich der Solarkonstanten S0 = 1360 W/m². Am Boden ist die Bestrahlungsstärke B bei senkrechter Einstrahlung (h = 90°) und klarem Wetter etwa 1000 W/m² und nimmt mit sinkendem Sonnenstand h ab, da die Bestrahlungsstärke B mit der Länge l des Wegs durch die Atmosphäre abnimmt.

Für München ergibt die zugehörige Rechnung, die erst in der 10. Klasse möglich ist, folgende maximale Bestrahlungsstärken am Mittag:

  • Höchster Sonnenstand am 21.Juni: 970 W/m²
  • Tag und Nachtgleiche am 21.März und 23 September: 850 W/m²
  • Tiefster Sonnenstand am 21. Dezember: 500 W/m²

2. Verlust durch Reflexion an der Oberfläche (Glasabdeckung)
Je geringer der Neigungswinkel (Winkel zwischen einfallendem Strahl und Oberfläche) um so größer ist der Anteil der an einer Glasscheibe reflektierten Strahlung und um so geringer ist der Anteil der in die Glasscheibe eindringenden Strahlung. Dieser Zusammenhang, den jeder gut beobachten kann, wenn er flach gegen eine Glasscheibe sieht, lässt sich mit der sogenannten Fresnelschen Gleichung berechnen und ist rechts angetragen.

3. Verlust durch Verringerung der effektiven Fläche
Durch die Verringerung der effektiven Fläche auf Grund schrägen Einfalls wird die Strahlungsleistung geringer.
Für die effektive Fläche beim Einfallswinkel φ gilt:

Aeff = A·cosφ .

4. Verlust durch Reflexion
Um die Verluste durch Reflexion möglichst gering zu halten, werden spezielle schwarze Beschichtungen der Oberfläche verwendet, die nur einen ganz geringen Teil des Lichts reflektieren. Vorgelagerte Glasscheiben müssen für das ankommende Licht gut durchlässig sein.
5. Verlust durch Abstrahlung
Jeder warme Körper strahlt im infraroten Bereich Energie ab. Die Abstrahlung ist um so größer, je heißer der Körper ist, die Strahlungsmenge hängt auch von der Oberflächenbeschaffenheit und Farbe des Körpers ab. Man hält diese Verluste gering, indem man den Absorber durch Glasscheiben abdeckt, die zwar das sichtbare Licht (nach innen) durchlassen, die infrarote Strahlung (nach außen) aber zurückhalten. Auch richtige Oberflächenbehandlung des Absorbers hilft Verluste reduzieren.
Energieverluste einer Anlage mit einem Sonnenkollektor durch Wärmeleitung an die Umgebung. Die farbigen Punkte stellen keine Materie, sondern Energiebeträge dar.

6. Verlust durch Wärmeleitung an die Umgebung

Jeder Stoff leitet Wärme. Die Wärmeenergie wird dabei in Form von Schwingungsenergie vom heißeren Ort zum kühleren Ort transportiert. Manche Stoffe leiten die Wärme schneller (großer k-Wert), wie Metalle, andere leiten die Wärme langsamer (kleiner k-Wert), sogenannte Isolierstoffe, wie Schaumstoffe und Vakuum leitet die Wärme gar nicht. Deshalb werden alle wärmeführenden Rohre und der Wärmespeicher mit Isolierstoffen oder Vakuum umgeben.

Energieverluste einer Anlage mit einem Sonnenkollektor durch Konvektion (Wärmeströmung) an die Umgebung. Die farbigen Punkte stellen keine Materie, sondern Energiebeträge dar

7. Verlust durch Wärmeströmung (Konvektion)

Insbesondere die den Absorber umgebende beziehungsweise vorbeistreifende Luft wird warm und trägt die Wärmeenergie weg. Dies verhindert man, indem man den Absorber mit Glas abdeckt oder gar mit Vakuum umgibt.

Arten von Solarkollektoren

Schwimmbadabsorber (unabgedeckte einfache Absorber)
werden in den meist zur Erwärmung des Badewassers in Freibädern eingesetzt. Das Badewasser wird durch schwarze Kunststoffschläuche (Absorber) gepumpt, erwärmt sich dabei unter Sonneneinstrahlung und fließt in das Becken zurück. Da die Temperaturdifferenzen zwischen Absorber und Umgebungstemperatur gering sind, sind auch die Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung minimal. So kann auf eine Glasabdeckung und eine Isolierung verzichtet werden.
Flachkollektoren
bestehen aus dem Absorber, einer transparente Abdeckung, einem Gehäuse und der Wärmedämmung. Als Abdeckung dient meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas, das sichtbares Licht gut durchlässt, gleichzeitig aber die vom Absorber ausgehende Wärmeabstrahlung zurückhält und Wärmeentzug durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion) verhindert. Außerdem schützt sie zusammen mit dem Gehäuse den Absorber vor Witterungseinflüssen. Das Gehäuse besteht meist aus Aluminium, verzinktem Stahlblech und manchmal aus glasverstärkter Kunststoff. Die Wärmedämmung auf der Rückseite und an den Seitenwänden vermindert Wärmeverluste durch Wärmeleitung.
Vakuum-Röhrenkollektor
haben die Absorberstreifen in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre. Die Wärmeflüssigkeit durchströmt den Absorber direkt in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System. Beim Heat-Pipe-Röhrenkollektor befindet sich eine bei geringen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Wärmerohr. Bei Erhitzung verdampft die Flüssigkeit und steigt in dem geneigten Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Die kondensierte Flüssigkeit fließt anschließend wieder an das Rohrende zurück. Der Wärmetauscher ragt entweder in die das Sammelrohr hinein ("nasse Anbindung") oder er ist wärmeleitend mit dem Sammelrohr verbunden ("trockene" Anbindung). Die "trockene" Anbindung ermöglicht den Austausch einzelner Röhren ohne ein Entleeren des gesamten Solarkreises.
Speicherkollektoren
funktionieren ähnlich wie Flachbettkollektoren, allerdings wird die Wärme nicht über Rohre in den Wärmespeichertank geleitet, sondern dieser befindet sich direkt hinter der Glasabdeckung. Absorber und Speicher sind also vereint. Eine Reflexionsschicht auf der Innenseite der Isolierung bewirkt, dass auch von dort das Licht mit einem Hohlspiegeleffekt direkt auf die Absorberoberfläche des Flüssigkeitstanks trifft.
Luftkollektoren
sind ähnlich aufgebaut wie Flachkollektoren, jedoch strömt Luft durch den Absorber. Dieser besteht aus vielen parallelen Kanälen. Die Luftströmung führt die Solarwärme direkt zu ihrem Einsatzort, wo sie direkt angenehme Wärme liefert. Luftkollektoren eignen sich überall dort, wo warme Luft benötigt wird. Luft hat zwar wesentlich geringere Wärmekapazität als Wasser, andererseits benötigt man bei diesem Kollektortyp keinen zusätzlichen Wärmetauscher.
Welcher Kollektortyp der beste ist, hängt von der Verwendung ab, insbesondere ist der Wirkungsgrad sehr stark abhängig von der Eingestrahlten Leistung in W/m² und der Temperaturdifferenz zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur. Eine typische Kennlinie für den Wirkungsgrad wird rechts gezeigt.
Die optischen Verluste werden durch den Konversionsfaktor (Quotient aus aufgenommener durch eingestrahlte Leistung), er setzt sich aus der Durchlässigkeit des Abdeckglases und dem Absorptionsgrad der Oberfläche zusammen. Gut ist ein hoher Konversionsfaktor.
Die thermischen Verluste werden durch den thermischen Verlustfaktor oder k-Wert des Kollektors charakterisiert. Er gibt den Energieverlust in W pro m² Kollektorfläche und °C Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung an. Gut ist ein geringer k-Wert.

Kollektortyp

Konversionsfaktor

Thermischer Verlustfaktor in W/m² °C

Temperaturbereich in °C

Absorber (unabgedeckt)

0,82 bis 0,97

10 bis 30

bis 40

Flachkollektor

0,66 bis 0,83

2,9 bis 5,3

20 bis 80

Vakuum-Flachkollektor

0,81 bis 0,83

2,6 bis 4,3

20 bis 120

Vakuum-Röhrenkollektor

0,62 bis 0,84

0,7 bis 2,0

50 bis 120

Speicherkollektor

etwa 0,55

etwa 2,4

20 bis 70

Luftkollektor

0,75 bis 0,90

8 bis 30

20 bis 50

Quelle: Der Solarserver

Aus obigem ergibt sich dann, welchen Aufwand man beim Einsatz des Kollektors betreiben muss.
So genügen zur Schwimmbaderwärmung einfache Absorber, da bei diesen die optischen Verluste am geringsten sind und die thermischen Verluste wegen der geringen Temperaturunterschiede noch unerheblich sind. Zur Brauchwassererwärmung sind einfache Flachkollektoren am wirtschaftlichsten. Will man dagegen einen großen Temperaturunterschied erreichen, um beispielsweise über eine Turbine mit dieser Prozesswärme Strom zu erzeugen, so sind Vakuumkollektoren sinnvoll.

Einbau - Brauchwassererwärmung mit Kollektor

Der Sonnenkollektor erwärmt bei Sonneneinstrahlung das Brauchwasser im Speicher und entlastet dadurch den Heizkessel, der dies erledigt, wenn die Sonne nicht scheint.

Ein Einfamilienhaus besitzt einen Flachkollektor mit 9 m² Fläche und einen Wasserspeicher mit 300 Liter Fassungsvermögen. Wie lang muss die Sonne mit einer Leistung von 800 W/m² scheinen, damit bei einem mittleren Wirkungsgrad von 50% sich das Wasser um 50° erwärmt.
cW = 4,2 kJ/kg·°C