mini|Vorne: Sonnenkollektoren auf dem Dach der Universität Speyer; dahinter Photovoltaikanlage mini|Solarthermiekollektoren des Wärmeverbundes Marstal als Freiflächenanlage
Ein thermischer Solarkollektor, von Laien auch als Sonnenkollektor oder Solarkollektor ( „Sonne“ und „sammeln“) bezeichnet, wandelt Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um. Die Wärme kann zur Heizung, Kühlung, zur Wasserdesinfektion, -entsalzung usw. verwendet werden. Solarkollektoren sind Teil einer thermischen Solaranlage.
Installiert werden können Solarkollektoren sowohl auf Gebäudedächern als auch als Freiflächenanlagen. Freiflächenanlagen werden insbesondere in Form von Großanlagen als Kernelement von solaren Fernwärmesystemen eingesetzt. In den Kollektoren wird meist ein flüssiger Wärmeträger (Öl, Wasser) aufgeheizt. Solarkollektoren, die Luft erwärmen, nennt man Luftkollektoren.
Zu den Sonnenkollektoren werden zuweilen auch Solarteiche gezählt, bei denen die Sonnenstrahlung eine wässrige Salzlösung aufheizt, die unter einer Süßwasserschicht liegt. Dagegen werden Vorrichtungen zur Gewinnung von elektrischer Energie in Photovoltaikanlagen nicht als Solarkollektor, sondern als Solarmodule bezeichnet.
Prinzip des thermischen Sonnenkollektors mini|Durch den Anschluss der hier als graue Balken dargestellten Kollektoren im Tichelmann-System wird eine einheitliche Rohrlänge im Vor- und Rücklauf und somit eine gleichmäßige Durchströmung jedes einzelnen Kollektors erreicht. mini|Thermosiphonkollektor in Haifa Thermische Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade – typischerweise zwischen 60 und 75 %. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante).
Zentraler Bestandteil des Kollektors ist der Solarabsorber, der die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger abgibt. Mit Hilfe dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt (z. B. über Wärmetauscher) und anschließend direkt verwendet oder gespeichert.
Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Nach der Dämmtechnik unterscheidet man Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden; Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; und Vakuum-Flachkollektoren, d. h. flache Bauform, gutes Brutto/Netto-Flächenverhältnis und Vakuum-Dämmung. Einfachabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt. Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60 °C erreichen. Aus hygienischen Gründen sollte man diese Technik nicht für Trinkwasser anwenden.
Diese Kollektoren nehmen die Strahlung annähernd gleichmäßig aus allen Richtungen auf, sie müssen nicht der Sonne nachgeführt werden und liefern auch bei Bewölkung noch eine gewisse Leistung. Daneben gibt es konzentrierende Kollektoren, die nach dem Prinzip des Brennspiegels arbeiten und deutlich höhere Temperaturen erzielen. Parabolrinnenkollektoren in Sonnenwärmekraftwerken erreichen Temperaturen um 400 °C, mit denen ein Dampfkraftwerk betrieben werden kann. Derartige Verfahren sind nur bei starker direkter Sonneneinstrahlung (ohne Bewölkung) lohnend. Während man früher ausschließlich fest aufgestellte bzw. verankerte Kollektoren verwendete, gibt es nun auch Systeme, die der Richtung zur Sonne nachgeführt werden.
Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis Anfang der neunziger Jahre meist nur zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen.
Werden mehrere Sonnenkollektoren parallel geschaltet, müssen diese gemäß Tichelmann-System angeschlossen werden, um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung sicherzustellen.
Ein Thermosiphonkollektor arbeitet ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip: Im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben, beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten (Naturumlauf). Umgekehrt als bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb des Sonnenkollektors befinden. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel, Australien) auf vielen Dächern zu finden, denn der exponiert über der Dachhaut liegende Speicher würde in kälteren Ländern zu schnell auskühlen. Zudem ist es aus Gewichtsgründen schwierig, einen Speicher auf dem Dach zu montieren, dessen Kapazität in Ländern mit saisonal geringer Sonnenscheindauer und -intensität ausreicht.
Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen.
Aufbauschema mini|Schema eines Flachkollektors mini|Schnittbild eines Flachkollektors
Das Schema zeigt den Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Solarabsorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme soll nicht verloren gehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Die konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Bei Vakuumkollektoren ist sie ganz unterbunden.
Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem wieder abgestrahlt wird, kann durch die Glasscheibe zumindest zurückgehalten werden, da Glas für die höhere Wellenlänge nicht transparent ist (wellenlängenselektive Transparenz, Treibhauseffekt) – es bildet sich ein Strahlungsgleichgewicht aus. Für Solarkollektoren wird oft spezielles Solarglas verwendet, es ist transparenter als Fensterglas, widersteht den Temperatur-Inhomogenitäten besser und degradiert weniger durch ultraviolettes Licht und Alterung.
Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlängenselektive Absorption aufweisen, sodass einerseits eine hohe Absorption für Sonnenlicht besteht und andererseits im Mittleren Infrarot ein geringer Emissionsgrad vorliegt und dafür sorgt, dass weniger Wärmestrahlung emittiert wird.
Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf eine in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren strömende Wärmeträgerflüssigkeit (Wasser/Glycol, Sole, Öl, sogenannte Solarflüssigkeit). Sie transportiert die Wärme zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solarkollektoren mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom zu erwärmenden Wasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet. Dem in sich geschlossenen Solarkreislauf, auch als Primärkreislauf bezeichnet, wird dabei ein Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt – zum Beispiel das ungiftige Propylenglycol. Die Wärme wird dann über einen Wärmetauscher z. B. auf das Heizwasser oder das Wasser des Wärmespeichers übertragen.
mini|CPC-Vakuumröhrenkollektor In Vakuumröhrenkollektoren wird die Wärmedämmung durch einen evakuierten Raum innerhalb des Glases verbessert: Wärmeenergie kann nur durch Strahlung, nicht aber durch Konvektion oder Leitung wieder an die kältere Umgebung abgegeben werden. Um den Druckkräften standzuhalten, werden runde Glasröhren verwendet.
Absorbertechnik Der Solarabsorber ist ein Hauptbestandteil eines thermischen Sonnenkollektors. Er dient zur Absorption der Sonnenstrahlung.
Die Solarabsorber befinden sich auf Blechen aus Aluminium oder Kupfer. Unterstützt durch eine selektive Beschichtung erwärmt sich dieser Absorber im Sonnenlicht; diese Wärme wird durch eine in Rohren am Absorber strömendes Fluid (Solarflüssigkeit oder Luft) aufgenommen und zur Nutzung oder einem Wärmespeicher transportiert. Der Solarkollektor muss eine gute Wärmedämmung haben (mittels Vakuum oder mittels geeigneter Dämmmaterialien), um Wärmeverluste zu vermeiden und eine höhere Arbeitstemperatur zu erhalten.
Absorbertypen Dachpfannenabsorber Der Dachpfannenabsorber ist eine Absorberbauform, die die Optik des Daches nicht beeinträchtigen soll. Es handelt sich um offene Aluminium-Vollflächen-Absorber in Form eines Dachsteines. Die Absorber leiten die Wärme über Wärmeleitbleche auf ein zuvor installiertes Rohrsystem ab, das sich unter den Dachziegeln auf der Dachlattung befindet und mit einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Bei der Montage müssen die Dachpfannenabsorber per Leitblech auf dem Dachziegel nur noch aufgeklickt werden. Dachpfannenabsorber sind aufgrund fehlender Abdeckung robust, können jedoch weder die Absorptionsleistung noch die Isolation anderer Kollektoren erreichen, weshalb sie wenig effizient sind.
Schwimmbadabsorber/Absorbermatten Sogenannte Schwimmbadabsorber sind Matten aus UV-beständigem schwarzem Kunststoff, die in der Nähe von Swimmingpools oder Freibädern ausgelegt oder aufgestellt werden. Die Matten bestehen aus Schläuchen oder aus einer Plattenheizkörper-ähnlichen Form aus Polyethylen, durch die das Schwimmbadwasser direkt hindurchgepumpt wird – dadurch wird ein Wärmetauscher überflüssig. Im Vergleich zu anderen Kollektoren erreichen solche Absorbermatten nur moderate Temperaturerhöhungen, was aber bei dem genannten Verwendungszweck nicht ins Gewicht fällt.
Flächen- oder Plattenabsorber Der Absorber hat die Form einer Platte (Flachkollektor). Die Wärmeüberträgerflüssigkeit wird durch Kupferrohre geführt, die mit den Plattenabsorbern durch Löten, Schweißen oder Falzen verbunden sind, um die Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen. Eine andere Bauform sind aufeinander gelegte und miteinander verbundene profilierte Kupferplatten, deren Profilzwischenraum von der Trägerflüssigkeit direkt durchströmt wird (Streifenabsorber, auch sunstrip genannt).Website der Firma ökoTech Solarkollektoren GmbH zu sunstrip-Kollektoren, abgerufen am 22. Oktober 2017. Sie sind großtechnisch einfach und effizient herstellbar.
Röhrenabsorber Als Röhrenabsorber werden solche Bauweisen bezeichnet, bei denen das von der Wärmeträgerflüssigkeit durchflossene Rohr selbst als Absorber dient bzw. nur durch verhältnismäßig schmale zusätzliche seitliche Absorberflächen ergänzt wird. Röhrenabsorber finden sich beispielsweise in bestimmten Bauformen von Vakuumröhrenkollektoren, bei denen in den vakuumierten Glasröhren ein wasserführendes Absorberrohr verläuft, ggf. durch ein schmales angelötetes Absorberblech ergänzt. Auch Schwimmbadabsorber (siehe oben) werden gelegentlich als Röhrenabsorber bezeichnet, wenn sie aus dicht nebeneinander laufenden Schläuchen bestehen.
Hybridabsorber