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Der Sonnenkollektor

Sonnenkollektoren sind Vorrichtungen, welche das Sonnenlicht einfangen, um sie dann in Energie umzuwandeln. Die draus gewonnene Energie kann dann zur Heizung, Kühlung, Wasserdesinfektion und vieles mehr genutzt werden. Solche Anlagen heißen Solaranlagen.

Sonnenkollektoren heißen auch thermische Solarkollektore, da sie die thermische Energie (Wärme) der Sonnenstrahlen einfangen und ein Übertragungsmedium (Wasser oder ein Gas) erhitzt. Kollektoren welche dagegen die thermische Energie in elektronischen Strom umwandeln, werden Solarmodule genannt wie z.B. bei einer Photovoltaikanlage. Dann gibt es noch die Luftkollektoren, welche die Luft zur Erwärmung nutzen.

Das Prinzip des thermischem Sonnenkollektors

Thermische Sonnenkollektoren können zwischen 60 - 75% der Energie der Sonnenstrahlen nutzbar machen, das ist ein hoher Wirkungsgrad. In Europa sind thermische Sonnenkollektoren je nach Jahreszeit und Region schon sehr sinnvoll wie z.B. im Süden Frankreichs, Italien, Spanien und in Teilen Deutschlands.

Der wichtigste Bestandteil des Sonnenkollektors ist der Solarabsorber, welcher die Sonnenstrahlen in Wärme umwandelt und diese an einen Wärmeträger übergibt, dieser wiederum befindet sich in einem Kreislauf. Der Wärmeträger wird dann mittels Wärmetauscher direkt in Verwendung gebracht oder gespeichert.
Um den Wärmeverlust so gering wie nur möglich zu halten, ist eine gute Wärmedämmung des Absorbers unbedingt erforderlich.

Daher gibt es je nach Region unterschiedliche Dämmtechniken bzw. Bauarten:

  • Flachkollektoren: herkömmliches Dämmmaterial wird verwendet.
  • Vakuumröhrenkollektoren: Dämmung durch ein Vakuum, teuer in der Anschaffung.
  • Vakuum-Flachkollektoren: flache Bauform mit Vakuum-Dämmung, günstig in der Anschaffung.
  • Einfachabsorber: werden zur Schwimmbaderwärmung genutzt, bestehen aus meist Kunststoff und in der Regel nicht zusätzlich gedämmt.

Die einfachste Bauart ist allerdings ein einfacher schwarz Behälter, welcher mit Wasser befüllt ist. Bei dem richtigen Behälter erwärmt er sich bei Sonneneinstrahlung innerhalb weniger Stunden fast bist zur Siedetemperatur (etwa 95°C), die Bauart wir im Süden schon seit Jahrhunderten verwendet. Auch in Mitteleuropa kann man einen normalen Gartenschlauch verwenden, da sich das Wasser im Schlauch auf ca. 60°C erhitzt, sollte man aber nicht für Trinkwasser verwenden, da sich im Gartenschlauch viel Dreck und Bakterien finden.

Thermische Sonnenkollektoren nehmen die Sonnenstrahlung aus allen Richtung auf und müssen nicht nach der Sonne gerichtet werden, Sie bringen auch wenn der Himmel bewölkt ist, eine gewisse Leistung. Dann gibt es noch Kollektoren, welche nach dem Prinzip des Brennspiegels arbeiten und viel höhere Temperaturen erreichen können. Die Parabolrinnenkollektoren von Solarkraftwerken können eine Temperatur von bis zu 400°C erreichen, mit diesen Kollektoren werden Dampfturbinen angetrieben. Parabolrinnenkollektoren sind aber nur dann sinnvoll, wenn man die Sonnenstrahlen direkt auf die Kollektoren richtet, wenn der Himmel bewölkt ist, bringen sie nicht mal mehr annähernd die volle Leistung.
Früher wurden die Kollektoren noch fester verbaut, heutzutage gibt es schon System, welche sich automatisch nach der Sonne richten.

Sonnenkollektoren sind fester Bestandteil einer thermischen Solaranlage und wurde bis spät in die neunziger zu Warmwasserbereitung verwendet. Auch zur Raumheizung wird die thermische Solaranlage genutzt. Bei Niedrigenergiehäusern können in Verbindung eines Wärmespeicher, kann die Raumheizung vollständig genutzt werden.
Eine ganze Anlage besteht aus mehreren Sonnenkollektoren und werden nach dem sogenannten Tichelmann-System angeschlossen, damit eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der Solarkollektoren sichergestellt werden kann.

Die einfachste Art die Solarenergie zur Wassererwärmung zu nutzen ist der Thermosiphonkollektor, er arbeitet OHNE Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip. Das im Kollekte befindliche Wasser erwärmt sich und steigt nach oben, wenn sich das Wasser abkühlt, steigt es weider nach unten. Wie bei einer Schwerkraftheizung, muss die der Speicher sich oberhalb des Kollektor befinden.


Ein Thermosiphonkollektor hat meist schon einen Wasserspeicher fest verbaut und ist somit seine eigene Solaranlage. Diese einfach Art von Solaranlagen, findet man vorallem in südlichen Ländern wie Grichenland, Italien oder Israel auf sehr vielen Dächern, vor allem in den Städten. Da die Thermsiphonkollektoren schlecht gedämmt sind, verlieren sie nachts und an kühlen Tagen schnell die Wärme. Thermosihponanlagen sind nicht zu verwechseln mit einem Thermosiphonspeicher, welche das Thermosiphon-Prinzip nutz, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen.

Der Aufbau

Das Bild hier zeigt das Aufbauschema eines Flachkollektors und die wichtigsten Bauteile. Die Sonnenstrahlen treffen durch die Glasplatte auf dem Solarabsorber, welche beim auftreffen auf den Absorber, welcher fast die gesamten Sonnenstrahlen absorbiert. Die Kollektoren sind auch sehr gute gedämmt, damit die freigegebene Wärme nicht verloren geht. Die Wärmeabgabe nach unten wird durch zwei Glasscheiben verringert, bei Vakuumkollektoren wird dies durch ein Vakuum komplett unterbunden.

Sonnenkollektor

Die Wärme die durch die Eigentemperatur des Absorbers abgestrahlt wird, kann die Glasscheibe zum größten Teil zurückgestrahlt werden. Die Wärme ist damit im Kollektor gefangen und führt so zu einer höheren Temperatur, welche ohne Schreibe niemals möglich wäre. Dieser Effekt wird auch Treibhauseffekt genannt. Moderne Solarkollektoren werden mit speziellen Solarglas ausgestattet.
Die Absorber in Vakuumkollektoren weist eine wellenlängenselektive Absorbtion auf, so kann einerseits das Sonnenlicht stark absorbiert werden und andererseits kann so weniger Wärmestrahlung entweichen.

Der Absorber überträgt die Wärme auf die im Kupfer- oder Aluminiumrohre fließende Solarflüssigkeit. Die Solarflüssigkeit transportiert die Wärme direkt zu einem Verbraucher oder zu einem Wärmespeicher. Es gibt auch Solarkollektoren mit offenem Kreislauf, wie bei Thermosiphonanlagen. In winterliche Regionen mit hoher Frostgefahr werden jedoch getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet.
Der Primärkreislauf (Solarkreislauf) wird ein Stoff beigemengt, welcher den Gefrierpunkt herabsetzt (meist Propylenglycol). Die Wärme wird dann über einen Wrämeübertrager auf das Wasser übertragen.

Die beste Art der Wärmedämmung sind die Vakuumröhrenkollektoren, hier dämmt ein Vakuum die Wärme ab. Dies verhält sich wie bei einer Thermoskanne, hier kann die Wärmeenergie nur durch Strahlung entwichen. Damit den Druckkräften stand gehalten werden kann, werden runde Glasröhren verwendet.

Der Absorber

Der Solarabsorber (kurz Absorber) ist eine fester Bestandteil der thermischen Sonnenkollektoren. Er ist für die Absorption (Aufnahme) der Energie der Sonnenstrahlen zuständig.
Die Absorber bestehen meist aus mehreren Absorberblechen welche aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Durch eine selektiven Beschichtung erwärmt sich der Absorber durch das Sonnenlicht, die Wärme wird dann von einer Solarflüssigkeit aufgenommen und zu einen Wärmespeicher und direkt zum Verbraucher (Heizung, Dusche oder Waschbecken) weitergeleitet. Die weiteren Komponenten im Kollektor dienen der Wärmedämmung mittels Vakuum oder Dämmmaterialien, so dass der Verlust der Wärme so gering wie möglich bleibt und eine hohe Arbeitstemperatur sichergestellt werden kann.

Arten von Absorbern

Dachpfannenabsorber

Er ist ein neuartiger Absorbertyp, da der Dachpfannenabsorber die Optik des Daches nicht mehr beeinträchtigt. Er hat die Form einen Dachziegels und kann mit Spezialziegel ohne Probleme auf dem Dach installiert werden. Es handelt sich hierbei um einen offenen Aluminium-Vollflächen-Absorber.
Die Dachpfannenabsorber leiten die Wärme mit Hilfe von speziell entwickelten Leitblechen auf ein Rohrleitungssystem, welche zuvor unter den Dachziegeln auf der Dachlattung installiert wurde. Die Wärme wird in dem Rohrleitungssystem mit einer Wärmeträgerflüssigkeit transportiert. Die Absorber werden bei der Montage mit einen Leitblech auf die Dachziegel aufgeklippt. Diese System ist super einfach, hat eine gute Entzugsleistung, überhitzt nie und durch die offene Bauform kommt es nie zum Stillstand.

Absorbermatten

Werden auch Schwimmbadabsorber genannt und sind Matten aus hitze- und UV-beständigen Kunststoff. Die Absorbermatten werden meist auf den Dächern von Umkleidekabinen ausgelegt. In den Matten sind Schlauche eingearbeitet, durch welche das Wasser aus den Schwimmbecken direkt durchgepumpt wird. Nachteil der Absorbermatten ist, dass das Wasser nicht höher als 40°C erwärmt werden kann und dass die Wärme nicht gespeichert werden kann. Aber die Matten erfüllen Ihren Zweck, Sie kommen nur bei Freibädern und schönem Wetter zum Einsatz.

Flächen- oder Plattenabsorber
Falchkollektor

Der Flächenabsorber ist eine Platte, um so möglichst viel Fläche der Sonne zu zuwenden, bei möglichst kleinem Volumen der Platte. Dabei werden Kupferrohre verwendet, welche auf die Kollektorenplatte aufgelötet werden.

Röhrenabsorber

Vakuumröhren

Dies Bauart sorgt dafür, dass die Wärmeträgerflüssigkeit direkt durch den Absorber fließt. Diese Bauart wird bei  verwendet, bei denen der Absorber nur ein einzelne Rohr enthält.

Luftabsorber
Luftkollektor

Hier wird die normale Luft als Wärmeträger verwendet, man spricht auch von einem Luftkollektor. Die erwärmte Luft wird dann direkt in den Heizraum gepumpt und kann sowohl belüften als auch heizen.

Hybridabsorber

PV-T oder auch PVT-Systeme kombinieren Photovoltaik (PV) mit thermischer Solartechnologie. Die PV-Zellen bestehen aus kristallinem Silizium, haben jedoch bei steigender Temperatur einen sinkenden Wirkungsgrad. Daher sind besonder Niedertemeperatuesystem für PVT geeignet.