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Was ist ein Sonnenkollektor?

Was ist ein Sonnenkollektor?

Sonneneinstrahlung in Deutschland

Genutzt wird bei einem Sonnenkollektor die Strahlungsenergie der Sonne , die sich folgendermaßen zusammensetzt:

48 % sichtbares Licht
38 % infrarotes Licht (Wärmestrahlung)
7 % ultraviolettes Licht
7 % andere Strahlungsarten (Radiostrahlung, Röntgenstrahlung, kurzwellige UV-Strahlung)

Im Mittel beträgt die gesamte Sonneneinstrahlung im Jahr in Erdentfernung 1,36 kW auf jeden Quadratmeter (Solarkonstante). Die an einem Ort tatsächlich nutzbare Sonnenenergie ist wesentlich geringer. Zum einen wird durch die Atmosphäre der Erde ein erheblicher Teil der Strahlung absorbiert, sodass nur noch ca. 50 % bis zum Erdboden gelangen. Zum anderen ist zu beachten, dass zu einem bestimmten Ort der Erdoberfläche nur am Tage Sonnenstrahlung gelangt. Insgesamt sind das für Deutschland nur ca. 10 % der Energie, die von der Sonne in Richtung Erde abgestrahlt wird. Messungen haben ergeben: In Deutschland treffen auf eine nach Süden geneigte Fläche durchschnittlich 1 100 kWh im Jahr auf jeden Quadratmeter (Bild 2). Dabei gibt es ein Nord-Süd-Gefälle: In Norddeutschland sind es etwa 10 % weniger, in Süddeutschland etwa 10 % mehr als dieser genannte Durchschnittswert.

Sonneneinstrahlung auf eine nach Süden geneigte Fläche

Aufbau und Wirkungsweise eines Sonnenkollektors

Eine Solaranlage zur Erzeugung von warmem Wasser besteht aus dem eigentlichen Kollektor und meist aus zwei Wasserkreisläufen, die durch einen Wärmetauscher miteinander verbunden sind.
Kaltes Wasser gelangt in den Kollektor. Dort wird Strahlungsenergie der Sonne auf das Wasser übertragen. Seine thermische Energie erhöht sich. Dieses erwärmte Wasser gelangt in den Wärmetauscher. In diesem Wärmetauscher erfolgt eine Energieübertragung. Thermische Energie vom Wasser des einen Kreislaufes wird auf das Wasser des anderen Kreislaufes übertragen. Dieses erwärmte Wasser kann dann zum Heizen oder als Brauchwasser genutzt werden.

Aufbau eines Sonnenkollektors

Ziel ist es, möglichst viel Strahlungsenergie der Sonne zu nutzen. Für die Gewinnung von warmem Wasser werden meist Flachkollektoren verwendet, die man gut auf Hausdächern installieren kann. Bei einem kastenförmig aufgebauten Flachkollektor trifft die einfallende Sonnenstrahlung auf eine geschwärzte Platte aus Metall oder Kunststoff. Diese absorbiert die Strahlungsenergie weitgehend und wandelt sie in thermische Energie um. Damit die thermische Energie nicht gleich wieder durch Wärmestrahlung verloren geht, ist der Kollektor nach oben hin mit einer oder zwei transparenten Abdeckungen versehen, die Wärmestrahlung nach außen verhindern. Außerdem wird die Wärmeströmung verringert, da die Absorberplatte nicht in direktem Kontakt mit der Außenluft steht. Eine Wärmedämmung aus Mineralwolle oder Schaumstoff an den Seiten sowie an der Unterseite begrenzt weitere Wärmeverluste des Kollektors. Zur kontrollierten Wärmeabführung aus dem Kollektor lässt man ein Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, in Kanälen oder in Rohren an der Absorberplatte vorbeiströmen.

Aufbau eines Flachkollektors mit direkt durchströmtem Absorber

Mithilfe von Sonnenkollektoren ist es heute möglich, einen erheblichen Teil der Heizung und des Brauchwassers für ein Haus zu gewinnen. Häufig erfolgt auch eine Kombination aus der Nutzung von Sonnenkollektoren zur Gewinnung von warmem Wasser und Solarzellen zur Gewinnung elektrischer Energie. Da bei einem solchen Haus der zusätzliche Energieaufwand gering ist, spricht man auch vom

Nullenergie Haus.

zunächst stellen wir den Flachkollektor vor, da er am häufigsten verwendet wird in Deutschland: 

Der Flachkollektor

Skizze eines Flachkollektors

Flachkollektoren bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Als transparente Abdeckung kommt meistens eisenarmes Solarsicherheitsglas zum Einsatz, das sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich auszeichnet. Gleichzeitig gelangt nur wenig der Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch somit entsteht ein Treibhauseffekt.

Außerdem verhindert die transparente Abdeckung den Wärmeentzug vom Absorber durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion). Gemeinsam mit dem Gehäuse schützt sie den Absorber vor Wettereinflüßen. Typische Gehäusematerialien sind Aluminium und verzinktes Stahlblech, selten wird auch glasverstärkter Kunststoff verarbeitet.
Durch die Wärmedämmung auf der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden werden Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert. Als Dämmaterialien werden hauptsächlich Polyurethan-Schaum und Mineralwolle bevorzugt, in seltenen Fällen auch Mineralfaser-Dämmstoffe wie Glaswolle, Steinwolle, Glasfaser oder Fiberglas.
Flachkollektoren zeichnen sich durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis aus, sowie durch eine breite Palette an Montagemöglichkeiten (Indach, Aufdach, Freiaufstellung).

Um Konvektionsverluste im Kollektor zu reduzieren, besteht auch die Möglichkeit, die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herauszupumpen. Diese Kollektoren nennt man Vakuum-Flachkollektoren. Sie müssen etwa alle ein bis drei Jahre neu evakuiert werden.

Beispiel für ein Niedrigenergiehaus

Verschiedene Arten von Sonnenkollektoren

Neben Flachkollektoren nutzt man auch andere Bauformen von Sonnenkollektoren, z. B.Parabolspiegel oder Zylinderspiegel, die die Strahlung zu einem Absorber hin reflektieren, der sich im Brennpunkt des betreffenden Spiegels befindet. Durch diese Bündelung der Strahlung werden im Absorber höhere Temperaturen erreicht als bei einem Flachkollektor. Teilweise nutzt man solche Anordnungen auch, um Wasserdampf zu erzeugen und damit kleine Kraftwerke zu betreiben. Man spricht dann von Sonnenkraftwerken.

Eine spezielle Form ist der in Frankreich existierende Sonnenofen , bei dem man durch eine spezielle Spiegelanordnung Temperaturen von über 3 000 °C erreichen kann.

Wieviel Energie liefert ein Sonnenkollektor?

Wirkungsgradkennlinien eines Sonnenkollektors

Der Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors ist definiert als Quotient aus nutzbarer thermischer Energie und auftreffender Sonnenenergie. Außer Wärmeverlusten treten optische Verluste auf. Der Konversionsfaktor oder optische Wirkungsgrad h0 gibt an, wieviel Prozent der Sonnenstrahlung durch die transparente Abdeckung des Kollektors gelangt und vom Absorber aufgenommen werden kann. Er ergibt sich im wesentlichen aus dem Produkt aus                                                                           Transmissionsgrad der Abdeckung und Absorptionsgrad des                                                                        Absorbers. Die Wärmeverluste werden durch den thermischen Verlustfaktor oder k-Wert angegeben. Er gibt den Energieverlust in Watt pro m² Kollektorfläche und °C Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Umgebung an. Je höher diese Temperaturdifferenz ist, desto größer sind die Wärmeverluste. Ab einer bestimmten Temperaturdifferenz sind die Wärmeverluste gleich dem Energieertrag des Kollektors, so daß dieser keine Energie mehr an den Solarkreislauf liefern kann. Dies trifft meist im Winter auf.
Ein guter Kollektor verfügt über einen hohen Konversionsfaktor und einen niedrigen k-Wert.

 

Kollektortyp

Konversionsfaktor

Thermischer Verlustfaktor in W/m² °C

Temperaturbereich in °C

Absorber (unabgedeckt)

0,82 bis 0,97

10 bis 30

bis 40

Flachkollektor

0,66 bis 0,83

2,9 bis 5,3

20 bis 80

Vakuum-Flachkollektor

0,81 bis 0,83

2,6 bis 4,3

20 bis 120

Vakuum-Röhrenkollektor

0,62 bis 0,84

0,7 bis 2,0

50 bis 120

Speicherkollektor

etwa 0,55

etwa 2,4

20 bis 70

Luftkollektor

0,75 bis 0,90

8 bis 30

20 bis 50

Zusammenfassung
Artikel Name
Was ist ein Sonnenkollektor?
Beschreibung
Was ist ein Sonnenkollektor und wie funktioniert er?
Autor
Name
Franke


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