Sonnenkollektor
Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Sammlung der im Sonnenlicht enthaltenen Energie, wobei diese Energie dann zur Heizung, Kühlung, Wasserdesinfektion, etc. Verwendung findet.
Traditionell steht die Bezeichnung für einen thermischen Solarkollektor, der mit der absorbierten Sonnenenergie ein Übertragungsmedium (Heizwasser) aufheizt, wobei nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes in thermischen Solaranlagen mit relativ hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Vorrichtungen zur Gewinnung von elektrischer Energie in Photovoltaikanlagen werden dagegen als Solarmodule bezeichnet.
Zu den Sonnenkollektoren zählen aber auch offene Solarteiche, bei denen die Sonnenenergie eine wässrige Salzlösung aufheizt, wobei eine darübergeschichtete Süßwasserschicht als Isolator dient. [1].
Prinzip des thermischen Sonnenkollektors
Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante).
Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt (z.B. über Wärmeüberträger) und anschließend direkt verwendet oder gespeichert.
Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung 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; und
- Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flächenverhältnis und Vakuum-Dämmung.
- 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 °C erreichen. Aus hygienischen Gründen sollte man diese Technik nicht für Trinkwasser anwenden.
Diese Kollektoren nehmen Licht annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung. Daneben gibt es konzentrierende Kollektoren, die nach dem Prinzip des Brennspiegels arbeiten und deutlich höhere Temperaturen erzielen. Parabolrinnenkollektoren in Sonnenwärmekraftwerken erreichen Temperaturen um 400 °C, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann. Derartige Verfahren sind nur bei starkem direkten Sonnenlicht lohnend. Während man früher ausschließlich fest aufgestellte bzw. verankerte Kollektoren verwendete, gibt es nun auch Systeme, die der Richtung zur Sonne nachgeführt werden.
Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis Anfang der neunziger Jahre meist nur 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.
Wenn mehrere Sonnenkollektoren in einem System verwendet werden sollen, müssen diese gemäß Tichelmann-System angeschlossen werden, um möglichst gleichmäßige Durchströmung sicherzustellen.
Eine einfache 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. Aufgrund geringer Wärmedämmung verlieren diese Speicher nachts und an kühlen Tagen sehr schnell ihre Wärme.
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
Das Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Solarabsorber. 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 (besser: Glashauseffekt) beschrieben wird. Bei modernen thermischen Solarkollektoren wird spezielles Solarglas verwendet.
Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlängenselektive Absorption aufweisen, so dass 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 Solarkollektoren 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.
In Vakuumröhrenkollektoren wird die Wärmedämmung durch einen evakuierten Raum innerhalb des Glases verbessert; wie in einer Thermoskanne kann Wärmeenergie nur durch Strahlung, nicht aber durch Konvektion oder Leitung wieder an die kältere Umgebung abgegeben werden. Um den Druckkräften standzuhalten, werden runde Glasröhren verwendet.
Daneben gibt es noch einen halbkugelförmigen Solarkollektor, der, anders als Flachkollektoren, die Sonnenstrahlung während ihres gesamten Umlaufs gut nutzen kann. Diese Bauform hat sich aber noch nicht am Markt etabliert.
Absorbertechnik
In der Solartechnik ist ein Solarabsorber, kurz auch einfach Absorber, ein Bestandteil eines thermischen Sonnenkollektors. Er dient zur Aufnahme (Absorption) der Energie verschiedener Strahlung der Sonne (siehe auch: elektromagnetische Welle).
Die in Sonnenkollektoren enthaltenen Solarabsorber bestehen im Regelfall aus einem oder mehreren Absorberblechen aus Aluminium oder Kupfer. Unterstützt durch eine selektive Beschichtung erwärmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht; diese Wärme wird durch eine den Absorber in Röhren durchströmende „Solarflüssigkeit“ aufgenommen und so zu einer Nutzeinrichtung bzw. einem Wärmespeicher transportiert. Der Rest des Solarkollektors dient zur Wärmedämmung des Absorbers (mittels Vakuum oder mittels geeigneter Dämmmaterialien), um Wärmeverluste zu vermeiden und eine höhere Arbeitstemperatur zu ermöglichen.
Im Handel wird der Begriff Solarabsorber dagegen vorrangig für Einrichtungen verwendet, die zur preisgünstigen solaren Schwimmbadbeheizung verwendet werden und daher auch als Schwimmbadabsorber bezeichnet werden.
Absorbertypen
Dachpfannenabsorber
Der Dachpfannenabsorber ist ein neuartiger Absorbertyp, der die Optik des Daches nicht mehr beeinträchtigt. Es handelt sich um einen offenen Aluminium-Vollflächen-Absorber. Er ist in Form und Farbe einem normalen Dachziegel nachempfunden und kann mittels Spezialziegel problemlos auf dem Dach installiert werden. Durch dieses angepasste Kombination aus Form und Farbe ist das Absorberfeld auf dem Dach annähernd unsichtbar. Die Absorber leiten die Wärme über ein speziell entwickeltes Leitblech auf ein zuvor gesetztes Rohrleitungssystem ab, welches sich unter den Dachziegeln auf der Dachlattung befindet und mit einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Bei der Montage müssen die Dachpfannenabsorber per Leitblech auf dem Dachziegel nur noch aufgeklickt werden. Ein äußerst einfaches System mit guter Entzugsleistung, das Überhitzungs- und Stillstandprobleme durch die offene Bauart nicht kennt.
Schwimmbadabsorber/Absorbermatten
Bei Schwimmbadabsorbern handelt es sich meist um Matten aus hitze- und UV-beständigem schwarzen Kunststoff, die zum Beispiel auf den Dächern von Umkleidekabinen ausgelegt werden. In diese Matten sind Schläuche eingebettet, durch die meist das Schwimmbadwasser direkt hindurchgepumpt wird (dadurch wird ein Wärmeübertrager überflüssig). Im Vergleich zu Flach- und Vakuumröhrenkollektoren erreichen solche Absorbermatten nur niedrige Temperaturen von 20 bis 40 °C, die Wärme kann nicht gespeichert werden. Sie erfüllen aber dennoch ihren Zweck, da sie in Freibädern nur im Sommer bei schönem Wetter funktionieren müssen.
Flächen- oder Plattenabsorber
Der Absorber hat die Form einer Platte (zum Beispiel im Flachkollektor), um bei möglichst kleinem Volumen der Sonne eine möglichst große Oberfläche zuwenden zu können. Dabei wird das Trägermedium in gängigen Systemen durch Kupferrohre geführt, auf welche die Kollektorplatte zur optimalen Wärmeübertragung angelötet ist. Eine andere Bauform sind miteinander verlötete profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum vom Trägermedium direkt durchströmt wird. Diese sogenannten Streifenabsorber werden aber immer seltener eingesetzt - vorwiegend in Selbstbaukollektoren oder wenn es um spezielle geometrische Flächen geht.
Röhrenabsorber
Als Röhrenabsorber werden solche Bauweisen bezeichnet, bei denen das von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber dient bzw. nur durch verhältnismäßig schmale zusätzliche seitliche Absorberflächen ergänzt wird. Solche Röhrenabsorber finden sich beispielsweise in bestimmten Bauformen von Vakuumröhrenkollektoren, bei denen die einzelnen Röhren nur ein einzelnes Rohr als Absorber enthalten, ggf. durch ein schmales angelötetes Kollektorblech ergänzt. Auch Schwimmbadabsorber (siehe oben) werden gelegentlich als Röhrenabsorber bezeichnet, wenn sie aus dicht nebeneinander laufenden Schläuchen bestehen.
Luftabsorber
Möglich ist auch die Verwendung von Luft als Wärmeträger. Man spricht dann von einem Luftkollektor. Die erhitzte Luft wird direkt in den zu heizenden Raum gepumpt und dient sowohl der Belüftung als auch der Heizung.
Hybridabsorber
PV/T- oder auch PVT-Systeme kombinieren Fotovoltaik (PV) mit thermischer (T) Nutzung der Sonnenenergie. Die PV-Zellen – besonders die aus kristallinem Silizium – haben jedoch mit steigender Temperatur sinkende Wirkungsgrade. Daher sind besonders Niedertemperatursysteme für PVT geeignet.
Beschichtungen
Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heißt, die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt.
Moderne Beschichtungen z. B. eta plus, Tinox (Vaillant), sunselect und andere haben meist eine bläulich-schimmernde Farbe. Sie erreichen mit 91 bis 96 Prozent Absorption ähnlich hohe Werte wie die früher überwiegend verwendete (schwarz schimmernde) Schwarzchrom-Beschichtung, jedoch zugleich deutlich niedrigere Emissionswerte, verlieren also weniger Wärme durch Abstrahlung. Dadurch erreichen sie insgesamt deutlich höhere Leistungswerte als nur schwarz lackierte Absorber, aber auch mess- und spürbar höhere Werte als schwarzchrom-beschichtete Absorber.
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 von Wärmestrahlung). Technisch ausgedrückt: Er soll sich gegenüber den jeweiligen charakteristischen Wellenlängen selektiv verhalten. Man spricht dann auch von einem Solarselektivabsorber.
Zudem muss er selbst langfristig hitze- und UV-beständig sein.
In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit sogenanntem 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. Erreicht wird dies mit einer Plasmakante.
Eine der ersten Beschichtungen mit selektiver Absorption, die serienmäßig hergestellt werden konnte, war die sogenannte 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“).
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, 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).
Geschichte
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. Jahrhundert 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 selten 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 ergänzen. Der Anteil einer solchen Anlage an der Warmwasserbereitstellung liegt über das Jahr gesehen zwischen 50 und 60 %,[2] was ca. 14 % des Heizenergiebedarfs entspricht.
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 durchaus zweistellige Prozentsätze zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Setzt man auch einen Saisonwärmespeicher ein, ist es sogar möglich, im Sommerhalbjahr so viel Wärme zu speichern, dass der Heizenergiebedarf das ganze Jahr über gedeckt werden kann. Einschränkungen ergeben sich nur bei zu niedriger montierbarer Kollektorfläche im Verhältnis zum Jahres-Heizenergiebedarf, etwa bei mehrgeschossigen Häusern. Saisonwärmespeicher bestehen im einfachsten Fall aus einer ausreichend großen Menge Wasser oder passiver Wärmemasse. Häuser mit passiv solarer Bauweise oder Sonnenkollektoren und Saisonwärmespeicher werden auch unter dem Begriff Sonnenhaus vermarktet.
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
Wirtschaftliche Betrachtung
Sonnenkollektorsysteme sind generell vor allem hinsichtlich der niedrigen Betriebskosten attraktiv, da sie durch den nicht vorhandenen Brennstoffbedarf kaum laufende Kosten verursachen. Die regelmäßigen Kosten beschränken sich auf geringe Stromkosten von etwa 8 € pro Jahr für den Betrieb der elektrischen Umwälzpumpe bei 7 W Stromverbrauch und 5300 Betriebsstunden pro Jahr, bezogen auf ein durchschnittliches Einfamilienhaus und einen Strompreis von 21,5 Cent pro kWh. Darüber hinaus fällt alle zwei Jahre eine Wartungsüberprüfung an.[3] Anders als bei der passiven Solararchitektur, die schon den Entwurf der Gebäudehülle betrifft, lassen sich Kollektorsysteme oft einfach in bestehende Gebäude integrieren, weswegen die wirtschaftliche Abwägung bei Altbauten oft nur zwischen einem Sonnenkollektorsystem oder anderen aktiven Heizungsformen stattfindet. Bei einem solchen Vergleich sollten grundsätzlich auch die Umweltauswirkungen einbezogen werden. Auch ist das System sehr einfach zu handhaben, da z. B. keine Restasche entfernt werden muss, wie etwa bei vielen Pelletheizungen.
Da der Heizenergiebedarf aber schon durch die Gebäudedämmung beeinflusst werden kann, ist eine ausschlaggebende Frage, ob man verfügbare Mittel generell in eine größer bemessene Heizung oder stattdessen in bessere Wärmedämmung investiert. Die Antwort hängt von der vorhandenen Dämmung sowie den baulichen Möglichkeiten zur Anbringung einer größeren Kollektorfläche bzw. dem Einsatz anderer Heizungsformen ab, einschließlich dem vollständigen Verzicht auf eine Heizung bei Neubauten mit passiver Solararchitektur.
Bei der Auslegung einer Heizung muss man zwischen dem alleinigen Einsatz mit bestimmten Saisonwärmespeichern, und dem kombinierten Einsatz mit einer anderen (bestenfalls ökologisch ebenfalls neutralen) Heizungsform unterscheiden. Die Wahl der Technologie für die saisonale Zwischenspeicherung ist mitbestimmend für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Die klassische Beschränkung eines Kollektorsystems auf "Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung" kann grundlegend falsch sein, sofern die Anschaffungskosten für den Saisonwärmespeicher nur gering genug sind. Hier muss man von dem konkreten Produktpreis für das jeweilige Gesamtsystem ausgehen, sowie Lebensdauer und laufende Kosten berücksichtigen. Oft lässt sich gerade durch die technisch vergleichsweise einfache saisonale Zwischenspeicherung der Wärme, etwa mit weitgehend verlustfreien thermochemischen Wärmespeichern, großen oder zumindest gut isolierten Puffer-Wärmespeichern, oder ebenfalls verlustarmen Latentwärmespeichern niedrige Gesamtkosten erreichen. Auch eine mögliche Nachführung der Kollektoren, oder eine Änderung des Aufstellwinkels zum Winter hin, kann das Preis-Leistungs-Verhältnis beeinflussen.
Bei der Entscheidung für oder wider ein Sonnenkollektorsystem spielt aber auch die Förderung unterschiedlicher Technologien eine Rolle. Eine Entscheidung für die bei Solarthermie eigentlich sehr kostengünstige ganzjährige Stromerzeugung (z. B. per Stirling-Generator) wird z. B. oft zu Gunsten der höher geförderten Photovoltaik verzerrt (vergleiche 5,11 Cent Aufschlag pro kWh gemäß KWK-Gesetz zzgl. des üblichen Marktpreises von 3 bis 8 Cent, gegenüber 43,01 Cent Einspeisevergütung im Jahre 2009 gemäß EEG bei Photovoltaik).
Ökologische Sicht
Sonnenkollektorsysteme verursachen während des Betriebes keine direkten Emissionen und verringern im Vergleich mit konventionellen Heizungssystemen CO2- und Feinstaub-Emissionen. Bereits in wenigen Jahren hat ein Kollektor die gleiche Menge an Energie der Heizung zugeführt, wie sie für die Produktion usw. des Kollektors aufgewendet werden musste.[2]
Ökonomisch gesehen konkurrieren z. B. Blockheizkraftwerke auf Basis nachwachsender Brennstoffe wegen der nötigen landwirtschaftlichen Erzeugung der Brennstoffe mit der Nahrungsmittelerzeugung um Ackerfläche und verursachen durch die Anlieferung der Brennstoffe regelmäßig ein zusätzliches Straßenverkehrsaufkommen. Bei Sonnenkollektorsystemen ist dies demgegenüber grundsätzlich nicht der Fall.
Literatur
- Norbert Schreier et al.: Solarwärme optimal nutzen. Wagner & Co Verlag, 1980-2005, ISBN 3-923129-36-X
- Ulrich Fox: Sonnenkollektoren - thermische Solaranlagen. Kohlhammer, Stuttgart 1998, ISBN 3-17-015009-X.
- John A. Duffie et al.: Solar engineering of thermal processes. Wiley, Hoboken 2006, ISBN 0-471-69867-9.
Quellen
Weblinks
Commons: Sonnenkollektor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Sonnenkollektor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen- www.thema-energie.de - Infos zur Solarwärme von der Deutsche Energie-Agentur (dena)