Sonnenkollektor

Ein Sonnenkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung. Ein Sonnenkollektor "sammelt" und absorbiert Sonnenstrahlen (Sonnenenergie), wobei im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen auch der langwellige bis infrarote Strahlungsanteil (Wärmestrahlung) bei diffusem Licht genutzt wird.

Sonnenkollektoren erreichen relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent - bei der Verwertung der Sonnenstrahlung. Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der die Wärme aufnimmt und sie auf einen meist flüssigen Wärmeträger überträgt. Mit Hilfe der Wärmeträgerflüssigkeit wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert oder als Prozesswärme direkt verwendet.

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

• Flachkollektoren, die herkömmliche Isolationsstoffe verwenden;
• Vakuumröhrenkollektoren, die die thermische Isolierung mittels eines Vakuums erreichen;
• Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden, meist aus Kunststoff bestehen und in der Regel überhaupt nicht zusätzlich isoliert sind.

Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer Thermischen Solaranlage, die in der Regel zur Warmwassergewinnung genutzt wird, seltener auch zur Raumheizungsunterstützung.

Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar, wie sie vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden ist.

Aufbauschema

Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch die Glasscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird.

Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie 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, bei denen die Wärme aus dem in sich geschlossenen Solarkreislauf per Wärmetauscher auf das Brauchwasser übertragen wird.

Gute Kollektoren erzeugen ca.350kWh Wärmeenergie je m2 und Jahr.

Absorbertechnik

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 zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte sehr hoch und damit schlecht; ein großer Teil der eingefangenen Wärme wird direkt wieder abgestrahlt.

Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher in weniger sonnenverwöhnten Ländern auf hoch-selektive Beschichtung gesetzt, die Absorptionswerte über 90 % und Emissionswerte unter 10 % aufweisen.

Eine der ersten Beschichtungen, die diesem Anspruch entsprach und 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 bestand sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfingen.

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 immer weniger verbreitete Alternative zu Schwarzchrom war eine ebenso 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 Neuentwicklung ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane [1], 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 Absorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist, die dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet werden, so dass eine Art "Harfe" entsteht. Daneben gibt es Flächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen; die Verrohrung ist bei diesen meist serpentinenartig auf der Rückseite aufgelötet oder -geschweißt. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Flächenabsorber haben bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf die aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist; die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen.

Grundsätzlich weisen Flächenabsorber 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. Zudem erlauben Absorberfinnen mehr unterschiedliche Kollektor-Bauformen.

Solarglas

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.

Einsatzbereiche

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

Weblinks

• Wissenskatalog Energie: Solarwärme
• Interaktiver Solarförderberater