Solarkollektoren
Unter einem Solarkollektor versteht man eine Sammelvorrichtung für die im Sonnenlicht enthaltene Energie. Eine andere Bezeichnung hierfür lautet Sonnenkollektor. Das Grundprinzip von Solarkollektoren ist schon seit Jahrtausenden bekannt. Bereits in der Antike nutzte man Brenn- und Hohlspiegel. Davon zeugt auch die Legende von Archimedes, der angeblich die Römische Flotte allein mit Brennspiegeln in Brand setzte und im Meer versenkte. Die Vorläufer heutiger Solarkollektoren wurden von Horace-Bénédict de Saussure erfunden und im 19. Jahrhundert von Augustin Mouchot weiterentwickelt. Heutige thermische Solarkollektoren heizen mit der eingefangenen Sonnenergie Wasser auf, das meist als Übertragungsmedium dient. Hierbei nutzt man beinahe das vollständige Spektrum des Sonnenlichts und erzielt einen relativ hohen Wirkungsgrad. Solarkollektoren werden vorrangig zur Warmwasseraufbereitung in Haushalten eingesetzt. Man findet sie jedoch auch bei der Beheizung von Schwimmbädern, dem Anwärmen von Biomassekulturen zur Gewinnung von Biogas oder bei der Beheizung von Räumen als Saisonwärmespeicher vor. Thermische Solarkollektoren sollten nicht mit Solarzellen oder Solarmodulen verwechselt werden. Während die Kollektoren die Sonnenenergie lediglich sammeln, wandeln Solarzellen bzw. –module diese Energie in elektrische Energie um.
Prinzip
Der zentrale Bestandteil eines Kollektors ist der Solarabsorber. Er wandelt Lichtenergie in Wärme um und gibt sie an einen ihn durchfließenden Wärmeträger weiter. In der Regel handelt es sich bei diesem Wärmeträger um Wasser. Das Wasser führt die Wärme aus dem Kollektor ab und speichert sie anschließend bzw. verwendet sie als Prozesswärme. Um den Wärmeverlust bei diesem Vorgang zu reduzieren, ist eine sehr gute Wärmedämmung notwendig. Entsprechend der Dämmtechnik unterscheidet man Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren, Vakuum-Flachkollektoren, Einfachabsorber oder einen einfachen dunklen Behälter, der durch Sonnenschein erwärmt wird. Zunächst wurden Kollektoren nur zur Warmwasseraufbereitung genutzt. In den letzten Jahren ging man in Verbindung mit Saisonwärmespeichern und Niedrigenergiehäusern dazu über, auch die Raumbeheizung mittels Solarkollektoren durchzuführen. Eine besondere Form der Kollektoren sind Thermosiphonkollektoren, die vielen auch schon aus südlichen Ländern bekannt sind. Sie arbeiten nach dem Schwerkraft-Umlauf-Prinzip: durch die Sonneneinstrahlung wird das Wasser im Kollektor erwärmt, steigt nach oben und beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten. Wichtig ist, dass der hierbei integrierte Warmwasserspeicher zumindest teilweise oberhalb des Kollektors liegt, damit eine dauerhafte Zirkulation entstehen kann. Der Nachteil der Thermosiphonkollektoren besteht darin, dass sie über eine geringe Wärmedämmung verfügen und so relativ schnell ihre Wärme verlieren, sobald die Umgebungstemperatur des Speichers sinkt.
Aufbau
Ein handelsüblicher Flachkollektor besteht aus einer Glasabdeckung, einer Isolation, dem Absorber, einer Rohrschlange sowie Kaltwassereinlauf und Warmwasserablauf. Die Sonnenstrahlen treffen durch die Glasplatte auf den Absorber. Der Absorber absorbiert nahezu das gesamte Spektrum des Lichts. Entstehende Wärme wird aufgrund besonderer Eigenschaften des Spezialglases und bei guter Dämmung gehalten und im Kollektor gefangen. Ist der Absorber erhitzt, überträgt er die Wärme auf die Wärmeträgerflüssigkeit, die durch Kupfer- oder Aluminiumrohre fließt. Die Wärme wird zu einem Wärmespeicher oder einem Verbraucher transportiert. Neben dem Flachkollektor sind auch halbkugel- oder kugelförmige Kollektoren erhältlich. Diese Solarkollektoren können die Energie der Sonne während ihres ganzen Umlaufs nutzen und sind so weitaus leistungsfähiger.
Absorber
Der Absorber ist das Herzstück eines thermischen Sonnenkollektors. Er nimmt die Energie der Sonne beinahe vollständig auf. Der Rest des Kollektors dient größtenteils zur Wärmedämmung. Absorber bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Absorberblechen. Diese Bleche bestehen ihrerseits aus Aluminium oder Kupfer und sind selektiv beschichtet. Der Absorber erwärmt sich im Sonnenlicht. Die Wärme wird an eine Flüssigkeit abgegeben, die den Absorber in Röhren durchströmt. Absorber sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich. Man unterscheidet Schwimmbadabsorber, Flächen- oder Plattenabsorber, Röhrenabsorber und Luftabsorber. Schwimmbadabsorber bestehen meist aus hitze- und UV-beständigen schwarzen Kunststoffmatten. In diesen Matten befinden sich Schläuche, durch die das Schwimmbadwasser durchgepumpt und somit erhitzt wird. Aufgrund des Materials erreichen diese Matten nur relativ niedrige Temperaturen. Flächen- oder Plattenabsorber bieten der Sonne eine möglichst große Fläche bei möglichst kleinem Volumen. Das Trägermedium fließt durch Kupferrohre, die an die Kollektorplatte angelötet sind. Somit wird eine optimale Wärmeübertragung auf das Trägermedium gewährleistet. Bei Röhrenabsorbern dient das von der Trägerflüssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber. Manchmal befindet sich lediglich zusätzlich eine schmale Absorberfläche auf den Röhren. Verwendet man Luftabsorber, dient die Luft und kein Wasser als Wärmeträger. Die erhitzte Luft wird in den Wohnraum gepumpt und kann so auch als Heizung dienen. Absorber können sich im Hinblick auf ihre Beschichtung und ihren
Aufbau unterscheiden. Die Beschichtung eines Absorbers hat direkten Einfluss auf seine Absorptionsfähigkeit. Die meisten Beschichtungen sind schwarz eingefärbt und wirken darüber hinaus selektiv. Das heißt, sie nehmen kurzwellige Sonnenenergie gut auf, geben aber längerwellige Wärmeenergie schlecht ab. Moderne Beschichtungen auf Titanbasis schimmern meist bläulich. Schwarzchrom-Beschichtungen werden selten oder nicht mehr verwendet. Hinsichtlich des Aufbaus unterscheidet man je nach Hersteller zwischen Vollflächenabsorbern, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen, Streifenabsorbern, die aus schmalen Streifen bestehen und Kissenabsorbern, bei denen die Trägerflüssigkeit zwischen zwei Blechen fließt. Die besten Leistungswerte finden sich grundsätzlich bei Vollflächenabsorbern. Andererseits passen sich Streifenabsorber besser an die (
Haus-)Dachform an. Hier sind auch maßgeschneiderte Kollektoren möglich.
