In den Solarkollektoren wird der physikalische Vorgang, die Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie, ausgenutzt. Bei den Kollektoren wird zwischen den Flachkollektoren und Vakuum-Röhrenkollektoren unterschieden. Die verschiedenen Kollektoren unterscheiden sich außerdem durch die Konstruktion der Absorber und der Dämmung gegen die Umgebung bzw. Außenluft.
Damit die Kollektoren einen möglichst hohen Wärmeertrag bringen, ist die richtige Auswahl der Kollektorart entsprechend der Anwendung (Trinkwassererwärmung, Heizungsunterstützung), die Ausrichtung zur Sonne und die richtige hydraulische Einbindung in das System besonders wichtig.
Quelle: Viessmann Deutschland GmbH
Flachkollektoren
Ein Flachkollektor besteht aus einem Gehäuse aus Holz und Metall mit Wärmedämmung, einer Glas- oder Kunststoff- bzw. Folienabdeckung in einer witterungs- und UV-beständigen Scheibeneindichtung (Metallrahmen) und einem Absorber, den es in verschiedenen Bauarten und Beschichtungen gibt.
Aufbau eines Flachkollektors
Quelle: Wagner & Co Solartechnik GmbH
Kollektoren mit Mäanderabsorber und Harfenabsorber (Register)
Quelle: Viessmann Deutschland GmbH

Durch diese Bauweise des Sonnenkollektors entsteht im Kollektor ein Treibhauseffekt, der in Verbindung mit der Güte der tranparenten Abdeckung und des Absorbers (Beschichtung, Rohrführung und Plattenausführung) zu einem hohen Wirkungsgrad führt.

Das Kernstück des Flachkollektors ist der Absorber, eine schwarze Platte, durch die eine Wärmeträgerflüssigkeit (Solarflüssigkeit) strömt. Damit die Wärmeverluste gering gehalten werden, befindet sich hinter und an den Seiten des Absorbers eine hitzebeständige Wärmedämmung (Stein- bzw. Mineralwolle).

Der Absorber kann aus vollflächigen oder streifenförmigen Blechen (Vollflächen- oder Finnenabsorber) hergestellt sein. Bei den Vollflächenabsorbern kann das Rohr mäanderförmig über die gesamte Absorberfläche geführt werden und gewährleisten eine sehr sichere Wärmeabnahme, da die Solarflüssigkeit nur durch ein Rohr geführt wird. Finnenabsorber bestehen aus Absorberstreifen, an denen jeweils ein gerades Absorberrohr angebracht ist, die harfenförmig (registerförmig) zusammengeführt werden.  Die Harfenabsorbern haben unter üblichen Betriebsbedingungen einen vergleichsweise
geringeren Druckverlust, können aber ungleichmäßig durchströmt werden.

Absorberbauarten
Quelle: Wagner & Co Solartechnik GmbH


Schwimmbad-Solarkollektor
Solarabsorber für die Beckenwassererwärmung (2-Röhren-System mit Schlaufen und 3-Röhren-System)
Quelle: Krülland Wassertechnologie GmbH
Die an einem sonnigen Tag erreichbare Beckentemperatur, abhängig vom Verhältnis zwischen der Absorberfläche und der Wasserfläche
Die Sonnenenergienutzung ist bei der Beheizung von Schwimmbädern besonders günstig. Die Beheizung von Freibädern ist dann besonders rentabel, wenn sich der Energiebedarf und das Strahlungsangebot der Sonne weitgehend decken. Außerdem sind die Absorber sehr einfach zu installieren.
Die Absorber zur Schwimmbadbeheizung benötigen keine transparente Abdeckung und kein Gehäuse zur Verminderung von Wärmeverlusten. Da die Kunststoffabsorber aus EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) direkt vom Schwimmbadwasser durchströmt werden, sind die Wärmeübertragungsverluste sehr gering.
In öffentlichen Freibädern kann eine Zusatzheizung eingeplant werden, wenn Temperaturschwankungen des Beckenwassers nicht akzeptiert werden. Private Freischwimmbäder sollten möglichst ohne Zusatzheizung betrieben werden. Da aber bei schlechtem Wetter ohne Sonne die Frequentierung der Freibäder ohnehin gering ist, sollten auch bei öffentlichen Freibädern die Nachheizung eingeschränkt werden.
Eine Abdeckung der Wasseroberfläche außerhalb der Nutzungszeiten vermindert Verdunstungs- und Strahlungsverluste und spart die "kostenlose" Energie, besonders dann, wenn die Beckentemperatur um 25 °C gewünscht werden.
Zur Beckenwassererwärmung von Hallenbädern sind normale Solarkollektoren besser geeignet, wobei in den Sommermonaten Wärmeüberschüsse auch zur Trinkwassererwärmung eingesetzt werden kann. In diesem Fall ist die Kollektorkreisflüssigkeit von dem Beckenwasserkreislauf über einen Wärmetauscher aus Edelstahl oder Kunststoff getrennt.
In den Monaten Mai bis September können über 70 % der jährlichen Sonnenstunden genutzt werden. Das Verhältnis zwischen der Wasseroberfläche des Beckens und der Absorberfläche (unverglaste Sonnenenergiesammler) sollte so ausgelegt werden, dass das Beckenwasser je nach Monat ca. 4 bis 10 K erwärmt werden kann.

Bei einer gewünschten Wassertemperatur von ca. 22 - 24 °C im Mai und September und ca. 26 °C im Sommer ist eine Absorberfläche in der Größe von ca. 80 % der Wasserfläche empfehlenswert. Wenn es besonders in der Übergangszeit wärmer werden soll, kann die Absorberfläche auf 120 % vergrößer werden.

Faustformel:

Absorberfläche = Wasserfläche!
Minimale Absorberfläche = 40 % der Wasserfläche
Max. Absorberfläche = 120 % der Wasserfläche

 


Vakuum-Rohrenkollektoren

Bei dem Röhrenkollektor ist der Absorber in einer unter Vakuum gesetzte (evakuierte) Glasröhre eingebaut. Da ein Vakuum gute Wärmedämmeigenschaften besitzt, sind die Wärmeverluste besonders bei hohen Temperaturen geringer als bei Flachkollektoren. Man unterscheidet zwischen Kollektoren mit der Heat-Pipe-Technik (Wärmerohr-Technik) und der direkten Durchströmung.

Bei Vakuum-Röhrenkollektoren ist jede Vakuum-Röhre über die Längsachse drehbar. Dadurch können sie optimal zur Sonne ausgerichtet werden. Aber auch das Drehen aus der Sonne, was in Anlagen zur Heizungsunterstützung im Sommerbetrieb ist möglich. Denn diese Anlagen sind nur für die Trinkwassererwärmung im Sommerbetrieb immer viel zu groß ausgelegt. Die Folge ist, dass diese Anlagen mit hoher Temperatur in Stagnation gehen. In vielen Fällen wird durch die Ausrichtung der Röhren mit den Absorberflächen eine unnötiges Abführen von überschüssiger Wärme durch sinnfreie Lösungen (Pool, Heizkörper an der Außenwand oder im Keller) oder eine Beschattung unnötig.
Schwerkraftprinzip- Heatpipe und
direkte Durchströmung
Quelle: Viessmann Deutschland GmbH
Direkt durchströmte Vakuumkollektoren auch für eine horizontale Montage auf dem Flachdach oder senkrechte Montage an der Fassade
Quelle: SOLTOP Schuppisser AG
Bei dem Heat-Pipe-System wird ein mit Wasser oder Methanol gefülltes Absorberrohr als Wärmerohr (Heat-Pipe) verwendet. Durch die Sonneneinstrahlung wird der Absorber erwärmt, das Wasser oder Methanol im Wärmerohr verdampft und die Wärme wird nach oben in einen Kondensator transportiert und gibt dort die Wärme an die Wärmeträgerflüssigkeit ab. Das kondensierte Wasser oder Methanol fließt zurück in das Wärmerohr und der Wärmetransport beginnt erneut. Dieser Vorgang erfordert einen bestimmten Anstellwinkel des Kollektors, damit der Wärmetransport aus der Röhre an den Kondensator erfolgen kann.
Bei dem Finnenabsorber besteht der Absorber aus einer flachen Finne mit einem angeschweißten Absorberrohr. In den direkt durchströmten Vakuum-Röhrenkollektoren zirkuliert der Wärmeträger direkt in den Absorberrohren innerhalb der Röhren. Sie eignen sich deshalb besonders gut für die lageunabhängige Montage. Bei direkt durchströmten Röhren wird ein Koaxialrohr (Rohr-in-Rohr) eingesetzt. Im inneren Rohr wird der Wärmeträger vom Rücklauf aus in die Röhre geführt und über das äußere am Absorber verschweißte Rohr wird die Solarflüssigkeit zurückgeführt und dabei erwärmt. Bei Heatp-Pipes wird ein einzelnes, unten geschlossenes Rohr verwendet.

Bei runden Glasabsorbern werden zwei ineinanderliegende Glasröhren miteinander verschweißt und evakuiert. Der Absorber ist auf die innere Glasröhre aufgedampft. Über Wärmeleitbleche und darin eingelegte Absorberröhrchen wird die aufgenommene Wärme an den Wärmeträger abgegeben. Damit auch an den rückseitigen Teilen des Absorbers die Strahlung nutzen zu können, muss dieser mit einem Spiegel ausgestattet sein.

Bei einem Finnenabsorber besteht der Absorber aus einer flachen Finne mit einem angeschweißten Absorberrohr. In den direkt durchströmten Vakuum-Röhrenkollektoren zirkuliert der Wärmeträger direkt in den Absorberrohren innerhalb der Röhren. Sie eignen sich deshalb besonders gut für die lageunabhängige Montage. Bei direkt durchströmten Röhren wird ein Koaxialrohr (Rohr-in-Rohr) eingesetzt. Im inneren Rohr wird der Wärmeträger vom Rücklauf aus in die Röhre geführt und über das äußere am Absorber verschweißte Rohr wird die Solarflüssigkeit zurückgeführt und dabei erwärmt. Bei Heatp-Pipes wird ein einzelnes, unten geschlossenes Rohr verwendet.

 

Bei runden Glasabsorbern werden zwei ineinanderliegende Glasröhren miteinander verschweißt und evakuiert. Der Absorber ist auf die innere Glasröhre aufgedampft. Über Wärmeleitbleche und darin eingelegte Absorberröhrchen wird die aufgenommene Wärme an den Wärmeträger abgegeben. Damit auch an den rückseitigen Teilen des Absorbers die Strahlung nutzen zu können, muss dieser mit einem Spiegel ausgestattet sein.

Die Kondensatoren gibt es in nasser und trockener Anbindung. Bei der trockenen Anbindung steht der Kondensator in Kontakt mit einem Metallblock, der in seinem Inneren vom Wärmeträgermedium durchströmt wird. Bei nasser Anbindung befindet sich der Kondensator direkt in der Solarflüssigkeit.

Absorber – Flächendefinitionen bei Sonnenkollektoren
Unter Absorption versteht man in der Physik die Umwandlung von Licht in Wärme in einem Festkörper. Ein idealer schwarzer Körper wandelt das Licht vollständig in Wärme um. In Sonnenkollektoren ist die vom Licht bestrahlte Oberfläche des Absorbers die wichtigste konstruktive Einflussgröße für die aus dem Sonnenlicht gewinnbare Wärme.
Um die unterschiedlichsten Kollektorbauformen hinsichtlich der Leistungsdaten vergleichen zu können, wurden in europäischen Normen (DIN EN 12975 - Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile) Flächendefinitionen eingeführt.
Absorberfläche
Die Absorberfläche ist die nicht verschattete, vom Licht bestrahlbare gesamte Oberfläche des Absorbers. Bei ebenen Flächen (Rechtecke), die schwarze obere Fläche. Bei zylindrischen Absorbern , die gesamte Fläche des schwarzen Zylindermantels.
Aperturfläche

Die Aperturfläche (Lichteinfallsfläche) ist die Flächenprojektion der Lichteinfallsfläche auf den Absorber.
Bei einem Flachkollektor ist die Aperturfläche der Bereich innerhalb des Kollektorrahmens (Glasscheibe), durch den Licht auf den Absorber gelangen kann. Bei den Vakuum-Röhrenkollektoren (mit flachen Absorbern oder runden Absorbern ohne Reflektorflächen) ist die Aperturfläche die Summe der Längsschnitte aller Glasröhren. Da in den Röhren oben und unten kleine Bereiche ohne Absorberblech sind, ist die Aperturfläche bei diesen Kollektoren immer etwas größer als die Absorberfläche. Bei Röhrenkollektoren mit dahinterliegenden Reflektorflächen ist die Projektion dieser Spiegelfläche als Aperturfläche definiert.

Bruttokollektorfläche
Die Außenmaße eines Kollektors wird als Bruttokollektorfläche bezeichnet. Sie hat  für die Leistung der Geräte bzw. deren Bewertung keine Bedeutung. Die Außenmaße sind für die Montageplanung der und teilweise für die Beantragung von Fördermitteln notwendig.
Kollektorflächen
Quelle: Viessmann Deutschland GmbH


 
 
 

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