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Solarkollektor: Was er ist und wie er funktioniert

Der Solarkollektor ist die Hauptkomponente der Solarthermie, die Sonnenstrahlen in Wärme umwandelt. Erfahren Sie mehr über Funktionsweise und Typen.

Die Solarthermie ist eine Anlage, die die Energie der Sonne zur Erzeugung von thermischer Energie nutzt. Der Mechanismus basiert auf einem Solarkollektor, der die Sonnenenergie in Form von Wärme sammelt und an ein Fluid überträgt, das es wiederum dem Brauchwasser zuführt. Der Solarkollektor ist die Hauptkomponente einer Solarthermieanlage und wie die anderen Komponenten muss auch dieser entsprechend den Anforderungen dimensioniert werden: Es ist ein maßgeschneiderter Plan erforderlich.

Dies erfordert natürlich die Verwendung einer Software zur Planung von Photovoltaikanlagen, die Sie bei der Planungs- und Dimensionierungsphase einer Solarthermieanlage mit Zwangsumlauf, Einzel- oder Doppelspeicher unterstützt.

Solarkollektor: Was ist das?

Der Solarkollektor ist der Fachbegriff für solarthermische Kollektoren. Er ist die Hauptkomponente einer Solarthermieanlage, mit der Sonnenstrahlung in thermische Energie umgewandelt wird, die gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann. Das auf diese Weise erzeugte warme Wasser wird für sanitäre Zwecke oder zur Raumheizung verwendet.

Wie funktioniert ein Solarkollektor?

Der Solarkollektor besteht aus einem Wärmetauscher/Absorber, der in der Regel aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer hergestellt ist. Dieses Bauteil ist darauf ausgelegt, die Wärme der Sonnenstrahlen zu erfassen und an den Wasserspeicher zu übertragen.

Die Funktionsweise eines Solarkollektors kann mit der in einem Gewächshaus verglichen werden. Wenn die Sonnenstrahlen auf die Glasoberfläche treffen, wird ein kleiner Teil reflektiert, während der Rest das Glas durchdringt und von einer schwarzen Absorberplatte absorbiert wird.

Bei der Erwärmung gibt diese Platte Energie in Form von Infrarotstrahlung ab. Da das Glas für Infrarotstrahlung undurchlässig ist, speichert es die Wärme im Inneren der Platte (Treibhauseffekt), wodurch sich die primäre Trägerflüssigkeit erwärmt. Anschließend bewegt sich die Flüssigkeit durch eine Rohrschlange in Richtung des Tanks, wobei zwei Arten der Zirkulation möglich sind: natürlich oder erzwungen.

Der Hauptunterschied zwischen dem System mit erzwungener Zirkulation und dem natürlichen liegt in der Verwendung einer Umwälzpumpe, die es dem Wasser ermöglicht, den Weg vom Kollektor zum Speicher und umgekehrt zu durchlaufen. Beim Naturumlaufsystem erfolgt die Umwälzung der Flüssigkeit auf natürliche Weise und somit ohne den Einsatz von Strom, während beim Zwangsumlaufsystem eine Umwälzpumpe verwendet wird, die die Bewegung der Wärmeträgerflüssigkeit erzwingt.

Unterschied zwischen Photovoltaikmodulen und Solarthermie-Kollektoren

Die Unterschiede zwischen Photovoltaikmodulen und Solarthermie-Kollektoren führen oft zu Verwirrung. Solarthermie-Kollektoren wandeln Sonnenenergie in Wärme um, um Wasser zu erwärmen, während die Photovoltaik die gleiche Sonnenenergie nutzt, um Strom zu erzeugen.

Weitere Unterschiede sind:

  • Material: Photovoltaik-Module bestehen hauptsächlich aus Silizium, während Solarthermie-Kollektoren aus Metall (Aluminium, Kupfer, Stahl) und Glas bestehen;
  • Effizienz: Solarthermie-Kollektoren können eine Effizienz von bis zu 80% erreichen, während Photovoltaik-Module in der Regel eine Effizienz von 17% bis 25% aufweisen, je nach Art des Moduls;
  • Installation: Während ein einzelner Solarthermie-Kollektor ausreichen kann, um das Brauchwasser zu erwärmen, erfordern Photovoltaik-Module eine größere Fläche, um eine äquivalente Leistung in Elektrizität zu erzielen. Beide erfordern eine Ausrichtung nach Süden, aber im Gegensatz zu Photovoltaik-Modulen, die viel Platz benötigen, sind Solarthermie-Kollektoren flexibler in der Platzierung.

Solarthermie-Kollektor: Typen

Es gibt 3 Haupttypen von Solarkollektoren:

  • Flachkollektoren;
  • Vakuumröhrenkollektoren;
  • Konzentrator-Kollektoren.

Die ersten können in 2 weitere Kategorien unterteilt werden: verglaste Flachkollektoren und ungeschützte Flachkollektoren.

Flachkollektoren

Die Flachkollektoren sind die gängigsten und kostengünstigsten, hauptsächlich für die Warmwasserbereitung verwendet. Sie sind einfach zu installieren und erfordern keine besondere Wartung. Sie haben eine obere Glasabdeckung, eine umgebende Struktur mit isolierendem Material und einen internen Wärmetauscher, der das Wärmeträgerfluid in den Kupferröhren erwärmt.

Vakuumröhrenkollektoren

Vakuumröhrenkollektoren gelten als besonders effiziente Kollektoren, die auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen und geringer Sonnenstrahlung arbeiten können. Sie sind im Vergleich zu Flachkollektoren teurer und können hohe Temperaturen von bis zu 100°C erreichen. Sie bestehen aus einer Reihe von Glasröhren, in denen sich eine zweite Glasröhre und dazwischen ein Luftleerraum befinden, der als Isolierung dient und Wärmeverluste reduziert. Es handelt sich um eine zuverlässige Technologie, die auch für die Integration in ein Strahlungsheizungssystem geeignet ist.

Konzentrator-Kollektoren

Konzentrator-Solarkollektoren sind konkave Kollektoren, die darauf ausgelegt sind, die Sonnenenergie an einem bestimmten Punkt (Brennpunkt) zu konzentrieren. Sie sind nur bei direktem Sonnenlicht effektiv, da sie der Sonnenbewegung folgen müssen. Da diese Art von Kollektor hohe Temperaturen von 400-600 °C erreichen kann, ist sie eine logische Wahl für Solaranlagen oder Solarstromzentralen.

Die Hauptkollektoren sind 4 und unterscheiden sich in Positionierung, Form und Position des Brennpunkts:

  • Lineare parabolische Konzentrator-Solarkollektoren: haben eine parabolische Form und werden in einer Linie montiert. Entlang ihres Brennpunkts fließt ein Rohr, das das Wärmeträgerfluid enthält, das, sobald es erhitzt ist, in die Turbinen fließt, die mit den Generatoren verbunden sind. Sie sind mit einem automatisierten System ausgestattet, das die Ausrichtung entsprechend der Neigung der Sonnenstrahlen je nach Tageszeit ändert;
  • Lineare Fresnel-Reflektor-Kollektoren: sind linear angeordnet und werden je nach Sonne gedreht, haben eine flache Form und keine parabolische Form. Der Brennpunkt wird daher nach oben verschoben, und die Positionierung des Fluids erfolgt über der vorherigen Art;
  • Kreisförmige parabolische Reflektor-Kollektoren: sind unabhängig und jeder hat einen eigenen Empfänger, der sich im Brennpunkt, dem zentralen Punkt der Parabel, befindet;
  • Solarturmkraftwerke: sind unabhängige Spiegel und zeichnen sich durch einen einzigen Brennpunkt für alle Paneele aus. Sie richten sich automatisch auf den Empfänger aus, der auf einem Turm platziert ist, in dem sich ein Tank mit dem Wärmeträgerfluid befindet, das erhitzt wird.

Verglaste Flachkollektoren und ungeschützte Flachkollektoren

Verglaste Kollektoren bestehen hauptsächlich aus einer robusten Glasabdeckung, die für widrige Wetterbedingungen wie Regen, Wind, Hagel und kalte Temperaturen ausgelegt ist. Diese Abdeckung dient auch dazu, die Sonnenstrahlen zu filtern und einen Treibhauseffekt zu erzeugen, der die Wärme speichert. Im Inneren befindet sich ein wärmeisoliertes Absorberblech unten und seitlich in einem metallischen oder Kunststoffbehälter eingeschlossen.

Das Absorberblech kann:

  • ein nicht selektive Oberfläche haben: Der Wärmeabsorber ist einfach schwarz lackiert, eine Farbe, die dazu beiträgt, die Sonnenstrahlen besser und länger zu erfassen und zu speichern. Diese Art von Panel wird für Wohngebäude empfohlen, die hauptsächlich in den kurzen Sommerperioden genutzt werden;
  • eine selektive Oberfläche haben: Der Wärmeabsorber wird durch eine Oberfläche verstärkt, die es dem Panel ermöglicht, die Sonnenwärme besser zu speichern, indem sie die von ihm emittierten Infrarotstrahlen reflektiert und gleichzeitig die Reflexion reduziert. Dies ist aufgrund einer verglasten Oberfläche möglich, die den Durchgang der Sonnenstrahlen ermöglicht, aber die vom Kollektor abgegebenen Infrarotstrahlen reflektiert. Obwohl teurer, sind diese Panels viel effizienter und ermöglichen eine Nutzung während des größten Teils des Jahres.

Die ungeschützten Flachkollektoren (auch unverglast genannt) haben eine Abdeckung aus Kunststoff. Sie sind sehr kostengünstig, aber wenig effizient und eignen sich nur für die Sommerzeit und Gebiete mit hoher Sonneneinstrahlung. Sie werden beispielsweise verwendet, um Warmwasser für Betriebe und Campingplätze bereitzustellen oder das Wasser eines Freibades zu erwärmen.

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