Solarkollektoren im Überblick

Ein Solarkollektor, auch Sonnenkollektor oder Solarthermiekollektor genannt, ist das Herzstück einer solarthermischen Anlage. Unabhängig von der jeweiligen Bauweise, ist die Grundfunktion eines jeden Sonnenkollektors dieselbe. Doch wie sieht diese Grundfunktion genau aus, und welche verschiedenen Solar-Kollektoren gibt es?

Die Themen auf dieser Seite:

    Wie funktioniert ein Solarkollektor?

    Die Grundfunktionsweise eines Solarthermiekollektors
    Alle Sonnenkollektoren fangen die Sonnenstrahlung mittels eines Absorbers auf und wandeln diese in Wärme um. Die Wärme wird in einem Wärmeträger gespeichert, der durch den Solar-Kollektor fließt (Flüssigkeit), beziehungsweise strömt (Luft).

    Der Kreislauf einer Solarthermie-Anlage
    Mittels einer Solarpumpe wird das erhitzte Wärmeträgermedium über ein Rohrsystem zu einem Solarspeicher transportiert. Über einen Wärmeaustauscher wird das darin enthaltene Trink- oder Heizungswasser erhitzt und kann so zur Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung genutzt werden.

    Quelle: ARD

    Die verschiedenen Arten der Solarkollektoren

    In der Haustechnik kommen vorwiegend Flachkollektoren, Röhrenkollektoren und Dachpfannenkollektoren zum Einsatz. Alle drei Kollektorentypen haben die Weiterleitung der Sonnenenergie mittels Trägerflüssigkeit gemein. Je nach Sonnenstrahlung erreichen diese thermischen Solarkollektoren recht hohe Wirkungsgrade. Üblicherweise liegen diese in einem Bereich zwischen 60% und 75%. Das einfallende Sonnenlicht wird von den sogenannten Absorbern relativ gleichmäßig aus allen Richtungen aufgenommen. Dieses Attribut ist gerade in Nordeuropa ein wichtiger Faktor, da die Solarkollektoren auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung erzeugen. Weiterhin haben die hohen Wirkungsgrade den Vorteil, dass die Sonnenkollektoren nicht dem Verlauf der Sonne maschinell nachgeführt werden müssen.

    Neben den drei in Nordeuropa gängigsten Solarkollektoren, die mittels einer Trägerflüssigkeit die gesammelte Sonnenenergie an den Wärmespeicher abgeben, lohnt sich ein Blick auf den Luftkollektor. Dieser wird in der Regel für den alleinigen Zweck der direkten Gebäudeerwärmung genutzt.

    Der Speicherkollektor gehört sicherlich zu den ältesten Methoden, die Sonnenenergie für die Erwärmung von Nutzwasser verwertbar zu machen. Der Speicherkollektor ist eine Kombination aus Kollektor und Wärmespeicher und wird hauptsächlich in südlichen Ländern eingesetzt, da er stark frostgefährdet ist.

    Um die gigantischen Wassermassen von Schwimmbädern umweltfreundlich zu erwärmen, kommen sogenannte Schwimmbadkollektoren oder Pool-Kollektoren zum Einsatz.

    Noch in der Entwicklung ist ein Hybridkollektor, der einen Solarkollektor mit einem Photovoltaikmodul vereint. Diese innovative Kombination der beiden Nutzungsarten von Solarenergie beschreibt die neue Generation regenerativer Energiegewinnung für Privathaushalte und Unternehmen.

    Der Flachkollektor

    FlachkollektorDer Flachkollektor ist aufgrund seiner robusten Bauweise, seiner hohen Lebensdauer und des überzeugenden Preis-Leistungs-Verhältnisses einer der am meistgenutzten Solarthermie-Kollektoren Europas. Der Sonnenkollektor besteht aus einem flachen, gut isolierten Kasten, der mit Solarglas abgedeckt ist. Die im Inneren befindliche Absorptionsfläche (Kupfer- oder Aluminiumblech) speichert die Sonnenenergie und gibt die Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit weiter. Die Solarflüssigkeit setzt sich meist aus Wasser und einem Anteil an Frostschutzmittel zusammen, damit die Anlage im Winter nicht einfriert. Diese Art der Solarkollektoren dienen als Kombianlagen zur Warmwasserbereitung sowie zur Heizungsunterstützung.

    Der Vakuumröhrenkollektor

    VakuumröhrenkollektorNeben dem Flachkollektor ist der Vakuumröhrenkollektor die gängigste Variante der Solarthermie-Kollektoren für Haustechnik. Hier werden mehrere Röhren, in denen der Absorber die Sonnenenergie auffängt, nebeneinander angeordnet. Ähnlich dem Prinzip einer Thermoskanne, sind die Absorber innerhalb des Vakuumröhrenkollektors luftleer. Der Wärmeverlust an die Umgebung ist bei einem Vakuumröhrenkollektor gegenüber anderen Solarkollektoren wesentlich geringer. Auch bei hohen Temperaturunterschieden zeugt der Vakuumröhrenkollektor von einer sehr hohen Effizienz. Dieser Solarthermiekollektor benötigt zudem weniger Fläche, ist aber in der Anschaffung teurer.

    Der CPC-Spiegel-Vakuumröhrenkollektor

    CPC-Spiegel-VakuumröhrenkollektorBei dieser Variante der Röhrenkollektoren bündeln parabolische Hohlspiegel die Sonnenstrahlen. CPC steht für „Compound Parabolic Concentrator“. Bei Dachsolaranlagen werden die Spiegel im Inneren des Kollektors montiert, um das Licht von hinten auf die Röhrenabsorber zu werfen. Der Wirkungsgrad der Vakuum-Röhrenkollektoren wird mittels dieser Technik gesteigert, da der Anteil des in den Kollektor einfallenden Lichts auf die Röhren maximiert wird. Wenn für spezielle Anwendungen extrem hohe Temperaturen erforderlich sind, sind Vakuumröhrenkollektoren mit CPC-Spiegeln eine gute Wahl.

    Der Dachpfannenkollektor

    DachpfannenkollektorVom Funktionsprinzip arbeitet dieser Solarkollektor wie ein Flachkollektor oder ein Vakuumröhrenkollektor. Der Vollflächenabsorber ist auf der Oberfläche der Dachziegel angebracht. Optisch unterscheidet sich der Solarthermiekollektor nicht vom übrigen Dach und ist von seiner Effizienz vergleichbar mit dem Vakuumröhrenkollektor. In der Regel sind Dachpfannen-Kollektoren aus Aluminium mit oxidischer Oberflächenschutzbeschichtung und einem sehr hohen Wirkungsgrad. In Verbindung mit einer speziellen Solar-Wärmepumpe (Wasser-/Sole-Wärmepumpe) können diese Solarkollektoren durch Egalisierung der Lufttemperatur mit der Kollektortemperatur auch bei Dunkelheit und schlechtem Wetter für Wärmeenergie sorgen.

    Der Luftkollektor

    LuftkollektorEin Luftkollektor nutzt die Luft als Wärmeträger. Der Vorteil dieser Solarkollektoren sind die überschaubaren Anschaffungskosten. Zudem ist der Luftkollektor nicht anfällig für Korrosion. Auch die Gefahr des Einfrierens bei niedrigen Außentemperaturen ist nicht gegeben. Luftkollektoren sind recht groß und finden hauptsächlich im Industriebereich Verwendung.
    Nachteilig ist die Verwendung der Luft als Wärmeträger. Die Effizienz im Vergleich zur Trägerflüssigkeit in einem Vakuum-Röhrenkollektor wird bei Weitem nicht erreicht. Zudem benötigt man Ventilatoren, die zur Luftzirkulation dienen. Gemessen an anderen Kollektoren verbrauchen Luftkollektoren dadurch mehr Strom. Um den Stromverbrauch für die Ventilatoren zu senken, werden Luftkollektoren auch in Kombination mit Photovoltaikmodulen angeboten.
    (Bild: Energie-Projekt)

    Der Speicherkollektor

    SpeicherkollektorDer Speicherkollektor ist vom Aufbau her die einfachste Variante eines Solarkollektors. Im Gegensatz zu den anderen Kollektoren ist der Speicherkollektor eine zusammenhängende Einheit. Er fungiert zur gleichen Zeit als Kollektor und Wärmespeicher. Diese Art der Sonnenkollektoren kommt vorwiegend in südlichen, sonnenverwöhnten Regionen zum Einsatz. Die Speicherkollektoren sind einfach in der Bauweise und somit günstig in der Anschaffung. Allerdings sind Speicherkollektoren wegen des im Kollektor befindlichen Nutzwassers extrem schwer. Speicherkollektoren sind sehr robuste, kostengünstige Solarkollektoren, die allerdings stark frostgefährdet sind.

    Der Pool- oder Schwimmbadkollektor

    SchwimmbadkollektorDer Schwimmbadkollektor ist vom Aufbau sehr simpel und bedingt effizient. Genutzt werden diese Solar-Kollektoren primär für die Erwärmung von Schwimmbecken. Anders als bei der solarthermischen Heizungsunterstützung eines Hauses, bei der die Sonnenwärme mittels einer Trägerflüssigkeit an einen Solarspeicher weitergeleitet wird, fungiert bei einem Pool-Kollektor das Wasser im Schwimmbecken als Wärmeträger. Der Schwimmbad-Kollektor ist meist ein schwarzer, großflächiger Absorber. Das erwärmte Wasser zirkuliert durch wetterfeste und korrosionsbeständige Rohre. Zudem müssen die Rohrleitungen einen relativ breiten Durchmesser vorweisen. Grund hierfür ist der möglichst geringe Strömungswiderstand, der nötig ist, damit die Pumpen den meist längeren Transportweg des Wassers leichter bewerkstelligen können.

    Der Hybridkollektor

    HybridkollektorDer Hybridkollektor vereinigt die Eigenschaften von Photovoltaik und Solarthermie innerhalb eines Kollektors – er erzeugt gleichzeitig Strom und Wärme. Das Konzept dieses Sonnenkollektors erscheint ideal. Allerdings ist diese gekoppelte Funktionsweise mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Photovoltaikmodule erreichen ihren besten Wirkungsgrad bei circa 25 Grad. Solarkollektoren benötigen dagegen weitaus höhere Temperaturen, um den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen (z. B. 80 °C bei einem Flachkollektor). Da also viel Wärme abgeführt werden muss, um eine Überhitzung des Systems zu vermeiden, ist ein hoher Wärmebedarf eine Nutzungsvoraussetzung.

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