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Sonnenkollektor

Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltene Energie. Ein thermischer Solarkollektoren "erzeugt" dabei Wärme, wobei nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes in thermischen Solaranlagen mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Zur Gewinnung von elektrischer Energie dienen Kollektoren in Photovoltaikanlagen.

Inhaltsverzeichnis 1 Prinzip des thermischen Sonnenkollektors 2 Aufbauschema 3 Absorbertechnik 4 Erfinder 5 Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie 6 Ökonomische Betrachtungsweise 7 Literatur 8 Quellen 9 Weblinks

Prinzip des thermischen Sonnenkollektors

Thermische 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).

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

Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung (fälschlicherweise oft als Isolierung bezeichnet) des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Nach der Dämmtechnik unterscheidet man

• Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden;
• Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind;
• Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt.
• Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60° erreichen.

Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, und wurde bis ca. 2002 meist zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar 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 („Naturumlauf“). Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb des Sonnenkollektors 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.

Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen.

Aufbauschema

Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. 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 verloren gehen, 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. Bei modernen thermischen Solarkollektoren wird spezielles Solarglas verwendet.

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 zu erwärmenden Wasser 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 ein Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt – oft ein Propylenglykol. Die Wärme wird dann über einen Wärmeübertrager auf das Wasser übertragen.

Neben Flachkollektoren gibt es noch einen neuentwickelten halbkugelförmiger Solarkollektor, der anders als Flachkollektoren die Sonne während ihres gesamten Umlaufs gut nutzen kann. Diplomingenieur Jannis Stefanakis ein auf Kreta geborener und in Mainz lebender Erfinder hat diese Kollektorform in Zusammenarbeit mit Dr. Thomas Stegmaier vom Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) im schwäbischen Denkendorf, das an Dämmstoffen aus Textil arbeitet, entwickelt. ^[1]

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 im 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...0,8 µm Wellenlänge) und Emissionswerte von weniger als 6 % für die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers re-emittierte Strahlung (Infrarot mit Wellenlängen um 7,5 µm) erreicht. Siehe dazu auch unter dem Stichwort Plasmakante.

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 nicht mehr auf dem Markt verfügbare 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 ^[2] 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 ^[3], eine Keramik-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 1200 mm erhältlich ^[4], 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).

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 Weltausstellung eine Solar-Dampfmaschine vor. Er schlug vor, mit Hilfe dieser Dampfmaschinen die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln.

Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie

Die bekannteste und häufigste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwasserbereitung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen reicht sie in Mitteleuropa während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden. Theoretisch kann die Solarwärme auch das ganze Jahr über den Bedarf eines Haushalts decken, allerdings wird dann die Anlage sehr viel größer und liefert im Sommer sehr viel mehr Wärme, als genutzt werden kann. Der Wirkungsgrad solch einer Anlage wird dadurch erheblich verschlechtert, und die hohen Investitionskosten für diese Überdimensionierung werden nicht durch das eingesparte Gas, Öl oder Strom kompensiert - soll heißen: eine solche Anlage wäre unrentabel. Wirtschaftlich ausgelegte Anlagen können allerdings im Winterhalbjahr die zusätzliche konventionelle Wärmequelle immerhin noch zu einem hohen Prozentanteil ersetzen. Der Anteil einer solchen Anlage an der Warmwasserbereitstellung liegt über das Jahr gesehen i. d. R. zwischen 30 % und 100 %.

Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Ein weiterer Aufschwung in der Verbreitung der Warmwasserkollektoren in Deutschland wurde nicht zuletzt durch verschiedene Förderprogramme des Bundes und der Länder erreicht. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie im Niedrigtemperaturbereich. So ist u. a. das Anwärmen von Biomassekulturen - etwa zur Erzeugung von Biogas - längst zur Marktreife gediehen. Werden höhere Verfahrenstemperaturen benötigt, ist mit der herkömmlichen Technik allerdings nur eine Vorwärmung der Wärmeträger möglich. Aktuell entwickelte konzentrierende Solaranlagen (Parabolrinnentechnik) öffnen hier der Solartechnik im nächsten Jahrzehnt ein weiteres, großes Marktpotential.

Bindet man die Solarwärme nicht nur im Warmwasser- sondern auch im Raumheizungsbedarf ein, so sind größere Kollektoranlagen sinnvoll. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man - etwas anspruchsvoller - in der Haustechnik auch 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.

Eine Amortisation der Solaranlage für den Warmwasserbereich ist bei günstiger Auslegung, vernünftigem Nutzerverhalten und unter Einbeziehung der möglichen Fördergelder, aber objektiver Berücksichtigung der aktuellen und absehbaren Wärmeentstehungskosten (Gas/Öl) schon ab 8 Jahren möglich. Die von den Herstellern ausgelegte Mindestlebensdauer eines Sonnenkollektors ist mit 20 Jahren deutlich länger. Längere Amortisationszeiträume über 16 Jahre werden i. d. R. nur durch unsachgemäße Planung und mangelhafte Nutzung der Anlage erreicht.

Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Warmwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage ein spezieller Warmwasserspeicher mit Wärmetauscherfunktion eingebaut, der für einzelne Haushalte - je nach Personenanzahl (Familiengröße) und Nutzungsverhalten - von etwa 300 bis 1500 Liter Wasserfüllung reicht. Bei größeren Wohneinheiten, Krankenhäusern, Hotels, etc., die wegen der Größe und der deutlich kontinuierlicheren Nutzung, relativ günstige Amortisationszeiträume haben können, kommen oft angepasste Industriespeicher zum Einsatz. In üblichen Speichern heizt der Solarkreislauf nur die untere Hälfte des Boilers auf, der dann aber wegen der Konvektion vollständig bis auf die maximal zulässige Temperatur (bis 95 °C) erwärmt wird. Um einen höheren Wärmebedarf oder bei bedecktem Himmel mangelnde Wärme aus dem Kollektor zu kompensieren, ist im Warmwasserspeicher entweder eine zusätzliche stromgespeiste Wärmequelle (Heizstab) integriert, oder der Speicher ist über einen weiteren eingebauten Wärmetauscher mit dem Heizkessel des Hauses verbunden.

Von den thermischen Sonnenkollektoren zu unterscheiden sind die Solarzellen bzw. Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln (Photovoltaik).

Siehe auch: Thermische Solaranlage, Thermochemischer Wärmespeicher, Sonnenofen, Aufwindkraftwerk

Ökonomische Betrachtungsweise

• Solarkollektoren können nur dann Strahlungsenergie in Wärme umwandeln, wenn die Strahlung auf die Absorberfläche trifft.
• Um Wasser in einem Wärmespeicher von 40°C auf 60°C aufzuheizen, muss das Wasser durch den Kollektor auf mindestens 65°C aufgeheizt werden. Wird der Solarkollektor nur zum Vorwärmen des Wärmespeichers benutzt, ist das Temperaturniveau tiefer: Die Verluste sind dadurch geringer und der Wirkungsgrad steigt.
• Wärmedämmung verzögert lediglich den Wärmeausgleich zwischen zwei Medien.
• Der Zweck und die Auslegung der Anlage sind für den Ausnutzungsgrad, den Wirkungsgrad und damit für die Wirtschaftlichkeit entscheidend.

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 Wassererwärmung 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 gedämmten 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. Hier wäre aus ökologischen Geschichtspunkten ein Kessel zur Verbrennung nachwachsender Brennstoffe als zweite Energiequelle sinnvoll, da keine fossilen Brennstoffe verbrannt werden. Möglich ist ein Holzkessel oder ein Holzpelletkessel.

Alternativ können Saisonspeicher eingesetzt werden, welche groß genug sind, um den Überschuss im Sommer bis in den Winter speichern zu können.

Literatur

Norbert Schreier et al.: Solarwärme optimal nutzen. Wagner & Co Verlag, 1980-2005, ISBN 392312936X

Quellen

1. ↑ Infoseiteseite des Handwerkstags Baden-Württemberg und Seite des Instituts
2. ↑ http://www.tinox.de
3. ↑ http://www.alanod-sunselect.de
4. ↑ (vergl. www.alanod-sunselect.de oder www.tinox.de)

Weblinks

• www.thema-energie.de - Infos zur Solarwärme von der Deutsche Energie-Agentur (dena)