Sonnenkollektor

Ein Sonnenkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung. Sie absorbiert die Sonnenenergie und nutzt die entwickelte Wärme mit relativ günstigem Wirkungsgrad zur Erwärmung eines meist flüssigen Wärmeträgers.

Nebenstehendes Schema zeigt den Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen schwarzen Absorber. Dieser ist schwarz, damit er wenig Strahlung reflektiert. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige, energiearme Strahlung umgewandelt. Die dabei freiwerdene Wärme darf nicht verlorengehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Im Kollektor wird die Wärme auf das in Kupferrohren fließende Wasser übertragen. Der größte Teil der jetzt langwelligen Strahlung hat nicht mehr ausreichend Energie um durch die Glasscheibe zu reflektiern und ist somit im Kollektor eingefangen, wo er letztlich auch zu Wärme wird. Dies ist der Effekt der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird.

Der Sonnenkollektor wird in einen Flüssigkeitskreislauf eingebunden, durch den die gesammelte Wärmeenergie transportiert wird. Anwendung der in Form von Hitze angesammelten Sonnenenergie können Warmwassererzeugung zum Waschen und Baden, Hausbeheizung, Kühlen und Prozessenergie (z.B. zur Beschleunigung der Umstellung auf Biodiesel oder zum Anwärmen von Biomassekulturen zur Biogas Erzeugung) sein. Um auch an regnerischen und bewölkten Tagen Heißwasser sicherzustellen ist in der Erneuerbaren Energieanlage meist ein Wärmespeicher eingebaut. Außerdem kann ein regulärer Durchlauferhitzer nachgeschaltet werden.

Man unterscheidet fokussierende und nicht fokussierende Solarenergieanlagen. Im Sonnenwärmekraftwerken z.B. wird oft ein vergleichsweise kleine Kollektorfläche von einem Vielfachen von Reflektorflächen gebündelten Photonen bestrahlt. In Röhrenkollektoren ist der fokussierende Spiegel und der Absorber integriert.

Sonnenkollektoren enthalten eine dunkle (teilweise speziell beschichtete) Absorberplatte, um die direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut aufzufangen und damit eine Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität zu erhitzen. Oft wird dabei eine Änderung des Aggregatzustandes (Verdampfung) erzielt, durch die mehr Energie aufgenommen und beim Kondensieren wieder abgegeben werden kann. In Gegenden mit Winterfrostgefahr sollte dies ein Flüssigkeit sein, die einen niedrigen Gefrierpunkt hat, wie z.B. eine Wasser-Glykol-Mischung. Der Kollektor würde sonst bei tiefen Außentemperaturen durch die gefrierende Flüssigkeit und deren Ausdehnung zerstört werden. In warmen Gebieten bzw. wenn bei Frostgefahr das System entleert wird, kann auch nur Wasser verwendet werden.

In einem gut isolierten Speichertank mit eingebautem Wärmetauscher wird dann die Hitze des thermalen Trägermediums dem zu erhitzenden z.B. Wasser erst bei Bedarf weitergegeben.

Um die Absorption zu maximieren und die Wärmeverluste an die Umgebung klein zu halten, werden evakuierte Glasröhren-Kollektoren, sogenannte Vakuum-Röhrenkollektoren verwendet.

In thermischen Kollektoren können Temperaturen von bis zu 200 °C auftreten, die Arbeitstemperaturen betragen bis zu 120 °C.

In den 1970er Jahren wurden Kollektoren mittels alter Flachheizkörper und einfacher Glasscheiben gebaut, heute hat sich diese Technik deutlich weiterentwickelt. Der Einsatz speziell entwickelter Materialien und die industrielle Herstellung haben Hochleistungskollektoren erschwinglich gemacht und zu ihrer weiten Verbreitung beigetragen.

Da sich die meisten Flüssigkeiten bei Erwärmung ausdehnen und damit ein geringeres spezifisches Gewicht erlangen, kann idealerweise ein alleine durch die Schwerkraft betriebener Heiz-Kreislauf erreicht werden, wenn der thermale Speichertank am höchsten Punkt des Kollektorkreislaufes installiert ist. Häufig sind jedoch elektrisch angetriebene Pumpen notwendig, da die Kollektoren auf dem Dach angebracht werden. Diese Pumpen können auch über eine kleine Photovoltaikanlage betrieben werden.

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

Siehe auch: Thermochemischer Wärmespeicher, Sonnenofen, Aufwindkraftwerk

Weblinks

• Wissenskatalog Energie: Solarwärme
• Interaktiver Solarförderberater