Solarkollektoren

• Was sind Solarkollektoren genau? Solarkollektoren sind die zentralen Bauteile einer Solarthermie-Anlage, die Sonnenstrahlung absorbieren und hocheffizient in nutzbare thermische Energie umwandeln. Diese gewonnene Wärme dient der Erwärmung von Trinkwasser oder unterstützt die Heizungsanlage direkt, wodurch der Verbrauch fossiler Brennstoffe im Haushalt spürbar sinkt.
• Wie funktionieren moderne Solarkollektoren? Ein Absorber im Inneren der Solarkollektoren nimmt das Sonnenlicht auf und gibt die Wärme an eine frostsichere Solarflüssigkeit weiter. Eine Umwälzpumpe transportiert diese erhitzte Trägerflüssigkeit anschließend zum Wärmespeicher, wo die gewonnene Energie für die spätere Nutzung im Gebäude bereitgehalten wird.
• Welche Arten von Kollektoren existieren? Man unterscheidet primär zwischen Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren als gängige Bauformen für Solarkollektoren auf Dächern. Während Flachkollektoren durch ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis überzeugen, bieten Röhrenkollektoren aufgrund ihrer exzellenten Isolierung deutlich höhere Erträge auf kleinerer Fläche, besonders in den kalten Wintermonaten.
• Lohnen sich Solarkollektoren finanziell? Die Installation hochwertiger Solarkollektoren amortisiert sich durch die enorme Einsparung teurer Brennstoffe wie Gas oder Öl innerhalb weniger Jahre. Zudem steigert die Nutzung von Solarthermie den Immobilienwert und ermöglicht attraktive staatliche Förderungen, welche die anfänglichen Investitionskosten für die regenerative Anlagentechnik erheblich reduzieren.
• Wo ist der beste Standort? Für maximale Erträge sollten Solarkollektoren auf einer unverschatteten Dachfläche mit südlicher Ausrichtung und einem Neigungswinkel zwischen 30 und 50 Grad montiert werden. Eine fachgerechte Ausrichtung optimiert die Absorption der Sonnenstrahlen, sodass die Solarthermie-Anlage über das gesamte Jahr hinweg eine konstante Wärmeleistung erbringt.

Die erste und einfachste Maßnahme besteht darin, die Rohre in einem wärmeisolierten Gehäuse mit Glasabdeckung zu verlegen. Dabei wird der Treibhauseffekt ausgenutzt.

Das Sonnenlicht kann die Abdeckung mit nur minimalen Verlusten durchdringen und wird bei der Absorption an den Rohren in Wärme umgewandelt. Für diese Wärme stellt die Glasabdeckung eine wirksame Barriere dar, weswegen die Temperatur im Innenraum deutlich höher als in der Umgebung ist.

Die Absorption des Sonnenlichts durch die Rohre wird darüber hinaus durch eine geeignete Beschichtung der Oberfläche deutlich verbessert. Zwei Effekte beschränken diese Absorption. Zunächst wird ein Teil des Sonnenlichts an der Oberfläche reflektiert, bevor er in Wärme umgewandelt werden kann.

Aber auch nach der Umwandlung in Wärme kommt es an der Oberfläche noch zu Verlusten durch Wärmeabstrahlung. Ein Teil dieser Verluste wird durch die Glasabdeckung verhindert, mit deren Hilfe die Wärme zumindest in unmittelbarer Nähe der Rohre gehalten wird. Noch effektiver ist es allerdings, die Abstrahlung direkt an der Oberfläche zu minimieren.

Reflektion und Abstrahlung können durch eine einfache Maßnahme bereits signifikant reduziert werden: Die Rohre sollten zumindest schwarz lackiert werden.

Noch bessere Ergebnisse werden mit modernen Beschichtungen erzielt, den so genannten selektiven Beschichtungen. Sie erlauben es, die Verluste an der Oberfläche auf weniger als fünf Prozent zu beschränken. Die beschichteten Oberflächen werden als Absorberbeschichtungen bezeichnet.

Die einfachere Bauform eines Solarkollektors ist der Flachkollektor. In einem solchen Kollektor werden nicht die Rohroberflächen selbst beschichtet, sondern die Rohre zwischen zwei beschichteten Platten verlegt, den so genannten Flachabsorbern.

Demgegenüber werden in Röhrenkollektoren die Rohre selbst beschichtet, die Oberflächen der Rohre bilden also selbst den Absorber.

Der Vergleich beider Varianten ist einfach: Röhrenkollektoren sind in der Herstellung aufwändiger und teurer, weisen dafür aber einen höheren Wirkungsgrad auf.

Die Leistung eines Röhrenkollektors kann durch zwei Maßnahmen noch weiter verbessert werden:

• Die erste Möglichkeit besteht darin, das Innere des Kollektorgehäuses zu evakuieren. Damit werden thermische Verluste durch Wärmeleitung vermieden. Grundsätzlich ist das auch für Flachkollektoren möglich, in der Praxis wird diese aufwändige Maßnahme jedoch meist bei Röhrenkollektoren durchgeführt, die dann als Vakuum-Röhrenkollektoren bezeichnet werden.
• Der zweite Weg zur weiteren Leistungssteigerung eines Röhrenkollektors besteht darin, das an den Röhren vorbei gestrahlte Licht durch Spiegel an der Rückwand der Kollektors auf die Röhren zurückzuwerfen. Diese Spiegel werden als CPC-Spiegel bezeichnet.

Insgesamt kann der Wirkungsgrad des Solarkollektors durch diese Maßnahmen gegenüber einem Flachkollektor um etwa ein Drittel gesteigert werden. So können Kollektorwirkungsgrade von mehr als 80 Prozent erreicht werden.

Flachkollektoren bieten die Möglichkeit, insbesondere kleine Solarwärme-Anlagen zur Warmwasserbereitung preiswert zu realisieren.

Vakuum-Röhrenkollektoren bieten sich an, wenn entweder nur eine kleine Dachfläche zur Verfügung steht oder die Solarthermieanlage zur Raumheizung genutzt werden soll.