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Mit Sonnenkollektoren Wärme aus der Sonne gewinnen

Sonnenkollektoren absorbieren Sonnenergie und wandeln diese in Wärme um. Als Hauptteil einer thermischen Solaranlage produzieren sie so Wärme zur Warmwassererzeugung und Heizungsunterstützung im Eigenheim. Lesen Sie hier auf Solaranlage.de mehr über Aufbau und Funktion von Solarkollektoren und erhalten Sie Tipps für den Kauf.

Aufbau und Funktion von Sonnenkollektoren

Sonnenkollektoren, auch Solarkollektoren oder thermische Sonnenkollektoren genannt, stellen den Hauptbestandteil einer Solarthermieanlage dar. Im Gegensatz zu Solarmodulen, die Sonnenenergie zu Strom umwandeln, produzieren die Kollektoren Wärme bzw. thermische Energie, die im Privathaushalt zur Warmwasserbereitung und zum Heizen genutzt werden kann. So können bis zu 40 % der Heizwärme und bis zu 70 % des Warmwassers eines Haushalts von der Sonnenenergie bereitgestellt werden. Des Weiteren werden Sonnenkollektoren zur Beheizung von Schwimmbädern, in solarthermischen Kraftwerken für die Stromerzeugung und zur Herstellung von Prozessenergie im industriellen Bereich verwendet.

So ist ein Solarkollektor aufgebaut:Grafische Darstellung der Funktionsweise von Sonnenkollektoren

Im Inneren des Kollektors befindet sich der Absorber, der die Sonnenstrahlung auffängt, sich dabei erhitzt und die Wärme auf einen Wärmeträger überträgt. Der Wärmeträger ist eine Flüssigkeit, die in der Regel aus Wasser und Propylenglykol besteht – man spricht auch von der Solarflüssigkeit. Propylenglykol soll verhindern, dass das Wasser im Winter friert und im Sommer zu heiß wird. Über Rohrleitungen wird die erwärmte Flüssigkeit per Pumpe durch den Absorber und anschließend in den Solarspeicher transportiert. Dieser versorgt den Haushalt mit warmem Wasser.

Damit der Kollektor vor Wärmeverlust nach Außen geschützt ist, wird der Absorber seitlich und unterhalb gedämmt. Nur in Niedrigtemperaturkollektoren zur Schwimmbaderwärmung wird auf eine Dämmung verzichtet. Gegen die Witterung und mechanische Belastungen wie Schnee, Hagel oder Wind schützen das Gehäuse des Kollektors sowie eine transparente Glasabdeckung. Letztere verhindert außerdem den Wärmeentzug des Absorbers durch kalten Wind aber auch die Wärmeabstrahlung vom Absorber.

Weitere Informationen über die Funktionsweise eines Sonnenkollektors finden Sie in diesem Video:

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Diese Arten von Sonnenkollektoren gibt es

Unterschieden wird zwischen folgenden Kollektoren für die Privatnutzung:

Flachkollektor:

Flachkollektoren funktionieren nach dem oben beschriebenen Prinzip. Der Absorber ist ein schwarz beschichtetes Blech aus Kupfer oder Aluminium. An seiner Unterseite sind die Rohrleitungen für den Transport der wärmeleitenden Solarflüssigkeit befestigt. Die Wärmedämmung an der Rückseite und den Seitenwänden des Absorbers bestehen in der Regel aus Polyurethan-Schaum, Mineralwolle oder Schaumglas. Die Glasabdeckung ist meist ein eisenarmes Solarsicherheitsglas. Flachkollektoren zählen in Deutschland zu den meist verbreiteten Kollektoren, da sie mit 300 bis 400€/m² Kollektorfläche verhältnismäßig günstig in der Anschaffung sind. Ihr Nachteil: Aufgrund der mittelmäßigen Dämmung sind sie weder für sehr hohe benötigte Wassertemperaturen noch für niedrige Außentemperaturen geeignet – in beiden Fällen ist der Wärmeverlust hoch.

Vakuumröhrenkollektor:

Diese Kollektorenform verfügt über eine aufwendigere Dämmung: Hier ist die Absorberfläche in evakuierten (luftleer gepumpten) Glasröhren eingebaut. Reflektoren aus Metall umgeben diese Vakuumröhren, um das Sonnenlicht in die Röhren zu leiten und den Absorber zu erhitzen. Die Wärme des Absorbers wird über einen Wärmeträger über die Röhren zu einem Sammelrohr am Rahmen des Kollektors geleitet. Dieses ist mit dem Kollektorkreis verbunden.

Zwischen folgenden Formen des Vakuumröhrenkollektors wird unterschieden:

  • Direkt durchströmter Vakuumröhrenkollektor: Der Wärmeträger ist eine Flüssigkeit, die direkt durch das Röhrchen in das Sammelrohr fließt.
  • Heat-Pipe-Röhrenkollektor: Die Flüssigkeit im Wärmerohr verdampft bereits bei geringer Erwärmung. Der Dampf steigt in den Röhrchen auf und gibt die Wärme über einen Wärmetauscher an eine Wärmeträgerflüssigkeit im Sammelrohr ab. Anschließend kühlt der Dampf ab und fließt zurück an das Ende des Röhrchens. Damit dieser Verdampfungs- und Kondensierungsprozess funktioniert, müssen die Röhren in einem bestimmten Neigungswinkel montiert werden.

Da bei einem Vakuumröhrenkollektor die Wärmeleitung nur am Ende, also im Sammelrohr, stattfindet, können Wärmeverluste deutlich reduziert werden. Das ist v.a. bei kalten Außentemperaturen ein großer Vorteil. Ebenso können höhere Temperaturen erreicht werden. Die effiziente Bauweise ist allerdings mit höheren Anschaffungskosten verbunden: Rechnen Sie mit 700 bis 900€/m² Kollektorfläche.

TIPP DER REDAKTION:

Die Errichtung oder Erweiterung einer Solarthermieanlage für Warmwasser und Heizung wird vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) mit bis zu 200€/m² Bruttokollektorfläche bezuschusst. Mehr dazu erfahren Sie auf dieser Seite.

Weitere Bauformen des Sonnenkollektors sind:

  • Vakuum-Flachkollektoren (eine Mischform von Flach- und Vakuumröhrenkollektor)
  • Absorbermatten (aus schwarzem Kunststoff für die Erhitzung des Wassers in Schwimmbädern)
  • Hybridkollektoren (Kombination von Photovoltaikmodulen und Sonnenkollektoren)
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Sonnenkollektoren erreichen einen sehr hohen Wirkungsgrad (60-75% gegenüber nur rund 20% bei Photovoltaikmodulen). Neben der Warmwassererzeugung werden sie daher auch zur Stromerzeugung eingesetzt. Dies geschieht in Sonnenwärmekraftwerken, die nach dem Brennspiegelprinzip arbeiten und spezielle Parabolinnenkollektoren verwenden. Der Wärmeleiter kann dabei auf Temperaturen von bis zu 400°C erwärmt werden. Der dabei entstehende Dampf wird genutzt, um Turbinen anzutreiben, mit denen wiederum Strom erzeugt wird. Dieses Verfahren lohnt sich jedoch nur bei sehr starker, direkter Sonneneinstrahlung.

Welcher Solarkollektor ist der richtige?

Bei der Wahl der Kollektorart sollten Sie sich folgende Fragen stellen:

  • Soll die Solarthermieanlage einen möglichst großen solaren Deckungsgrad liefern oder ist Ihnen eine maximale Wirtschaftlichkeit und Geldersparnis wichtiger?

    Im ersten Fall rentieren sich Röhrenkollektoren, denn sie verfügen über einen höheren Wirkungsgrad und bringen selbst bei geringer Sonneneinstrahlung (z.B. im Winter) recht viel Leistung. Für eine möglichst rentable Anlage sollten Sie sich für Flachkollektoren entscheiden: Sie sind in der Anschaffung weitaus günstiger.

  • Wie groß muss bzw. darf die Anlage sein?

    Die Größe der Anlage und die Menge der Kollektoren hängen einerseits von Ihrem Energieverbrauch ab: Lassen Sie vorab Ihren Verbrauch berechnen, damit die Größe der Anlage richtig geplant wird. Eine zu große Anlage führt zu hohen Investitionskosten, eine zu kleine schmälert den Energiegewinn. Andererseits wird die Anlagengröße von der verfügbaren Fläche beeinflusst: Steht Ihnen wenig Fläche für die Anlage zur Verfügung, sind Röhrenkollektoren vorteilhafter, da leistungsstärker als Flachkollektoren.

  • Wie hoch ist der geforderte Temperaturbereich?

  • Während für Schwimmbäder in der Regel ein einfacher Absorber mit einer Maximaltemperatur von 40° benötigt wird, liegt der Temperaturbereich von Flachkollektoren bei 20 bis 80° – ideal für die Erwärmung von Wasser im Haushalt. Temperaturen von bis zu 120° liefern hingegen Vakuumröhrenkollektoren.
Weitere Tipps zur Kaufentscheidung:

Damit Solarkollektoren ihren maximalen Wärmeertrag erreichen, sind neben der Anlagenfläche und der Kollektorenart folgende Faktoren entscheidend:

  • Globale Sonneneinstrahlung: Gute Standorte in Deutschland können jährlich über 1.000 kWh/m² liefern.
  • Ausrichtung der Anlage: Optimal sind eine Ausrichtung nach Süden und ein Neigungswinkel von rund 45°. Mithilfe einer Aufständerung kann die Neigung der Kollektoren optimiert werden.
  • Verschattung oder Verschmutzung der Anlage: Nachbarhäuser, Bäume oder andere Objekte, die einen Schatten auf die Anlage werden, können deren Effizienz deutlich reduzieren.
  • Witterungsverhältnisse: Vor allem wenn Schnee die Kollektoren bedeckt, können diese keinen Ertrag mehr liefern.
  • Leistung und Wirkungsgrad des Wärmetauschers
  • Übertragungsverluste
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