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Die Bestandteile

Der Kollektor

Der Kollektor ist das Herzstück der thermischen Solaranlage. Er nutzt die Sonnenstrahlung und wandelt diese in Nutzwärme um:

Mehrere Platten aus Kupfer oder Aluminium absorbieren die einfallende Sonnenstrahlung. Röhren, die an der Unterseite der Platten verlaufen und direkt mit ihnen verbunden sind, geben die absorbierte Wärmestrahlung an ein in ihnen zirkulierendes Wärmeträgermedium ab.

Die Absorber sind meisten schwarz, damit ein höchstmöglicher Absorbtionsgrad erreicht wird. Allerdings gibt der erwärmte Absorber aufgrund seiner erhöhten Temperatur auch Wärmestrahlung ab. Um diese Strahlung zu vermindern, werden die Absorber mit einer selektiven Beschichtung versehen. Damit wird gewährleistet, dass ein hoher Anteil an Strahlung aufgenommen (Absorption) und möglichst wenig durch Eigenstrahlung (Emission) wieder abgegeben wird. Die selektive Beschichtung besteht zum Beispiel aus Schwarzchrom, Schwarznickel oder Titan-Nitrid-Oxid Schichten. Letztere zeichnet sich durch einen besonders niedrigen Emissionsgrad aus. 

 

Es werden folgende Kollektor-Bauarten unterschieden:

 

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Flachkollektoren bestehen aus dem Absorber, einer transparenten Abdeckung, dem Gehäuse und Wärmedämmung. Die Abdeckung schützt den Absorber nicht nur vor Witterungseinflüssen. Sie begrenzt auch die Wärmeabgabe durch den Absorber (Treibhauseffekt) und den Wärmeentzug durch vorbeiströmende Luft. Flachkollektoren bieten ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis, es gibt eine breite Palette an Montagemöglichkeiten. (Indach, Aufdach, freie Aufstellung)

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Vakuum-Flachkollektoren stellen eine Variante der Flachkollektoren dar. Bei diesen wird, um Konvektionsverluste zu verhindern, das Gehäuse evakuiert. Das heißt, dass die Luft abgesaugt und damit ein Vakuum erzeugt wird. Damit findet kein Wärmeaustausch zwischen der im Kasten zirkulierenden Luft und dem wärmeabstrahlenden Absorber ab. Vakuum-Flachkollektoren müssen etwa alle ein- bis drei Jahre neu evakuiert werden.

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Vakuumröhrenkollektoren besitzen einen Absorberstreifen in einem luftleeren, druckfesten Glasrohr. Die Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt den Absorber in einem U-Rohr, oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr System. Mehrere Röhren hintereinander geschaltet und bilden den Sonnenkollektor. Die Energieverluste im Vergleich zum Flachkollektor werden reduziert und der Wirkungsgrad erhöht. Dies gilt vor allem bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Außenluft und dem Absorber. Bei einer Differenz von 70° C hat die Vakuumröhre beispielsweise einen 15 % höheren Wirkungsgrad als der (nicht evakuierte) Flachkollektor. Vakuumkollektoren zeigen ihre Vorteile insbesondere in der kalten Jahreszeit und bei leicht bedecktem Himmel.

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Heat-Pipe-Röhrenkollektoren sind eine Variante des Vakuumröhrenkollektors. Bei dieser Konstruktion befindet sich eine schon bei niedrigen Temperaturen verdampfende Flüssigkeit in einem Rohr. Bei Erhitzung steigt der Dampf im Wärmerohr auf und gibt die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an das Sammelrohr ab. Im Sammelrohr zirkuliert die Wärmeträgerflüssigkeit. Durch die Wärmeabgabe kondensiert und verflüssigt sich der Dampf wieder. Die Flüssigkeit fließt wieder an das Wärmerohrende zurück und der Kreislauf ist geschlossen. Die Röhren müssen eine gewisse Mindestneigung haben, damit dieser Prozess aus Verflüssigen und Verdampfen ablaufen kann.

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Beispielhafter Aufbau einer Solaranlage zur Trinkwassererwärmung

Der Speicher

Die Spitzenwerte der Energienachfrage liegen in den Morgen- und Abendstunden. In einer Zeit also, wo die Sonne noch nicht oder nicht mehr scheint. Ein Problem stellen auch Tage dar, in denen der Himmel bewölkt ist. Aus diesem Grund ist ein Speicher notwendig. Man unterscheidet zwischen folgenden Speichersystemen:

 

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Solar-Brauchwasserspeicher dienen der Brauchwassererwärmung, in ihnen wird das erwärmte Trinkwasser gespeichert. Die thermische Beladung erfolgt über einen Wärmetauscher, der sich im unteren Speicherbereich befindet. Ein weiterer Wärmetauscher wird im oberen Teil angeordnet. Er ermöglicht die Nacherwärmung des Wassers über einen Heizkessel, für den Fall, dass die solare Einstrahlung nicht ausreicht, um das Wasser auf die gewünschte Solltemperatur zu bringen.

Pufferspeicher zur Raumheizungsunterstützung sind direkt an den Heizkreislauf (das Heizwasser) angeschlossen. Diese Speicher haben nur einen Wärmetauscher, der entweder intern als Rohrschlange, oder extern als Plattenwärmetauscher eingesetzt wird. Der zweite Wärmetauscher der Nachheizung wird nicht benötigt, da der Speicher direkt an den Heizkreis angeschlossen wird. Die Zusatzheizung belädt den Speicher am oberen Teil.

"Tank im Tank"-Speicher stellen eine weitere Bauart dar, bei der die beiden vorgenannten Speichersysteme vereinigt sind: In einem großen Pufferspeicher ist ein kleinerer Brauchwasserspeicher integriert.

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Ein Wärmespeicher sollte folgende Merkmale aufweisen:

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gute Wärmeschichtung: Das bedeutet, dass sich im oberen Bereich (Entnahmestelle) des Speichers das warme Wasser sammelt und im unteren Bereich (Zuflussstelle) das kalte Wasser. Eine säulenförmige, schlanke Bauweise verringert die Kontaktfläche zwischen der warmen und der kalten Schicht. Der Kaltwasseranschluss am Boden des Speichers sollte so konstruiert sein, dass es zu keiner Durchwirbelung der Schichten kommt. 

geringe Wärmeverluste: Die Qualität der Wärmedämmung spielt dabei die entscheidende Rolle. Aber auch die Anschlussrohre, Thermostate, Thermometer und Flansche müssen gedämmt werden, um die Verluste möglichst gering zu halten. Gute Speichersysteme führen das Entnahmerohr innerhalb des Speichers zuerst etwas nach unten und dann nach außen. Würde die Entnahmestelle direkt oben am Speicher sitzen, würde sich innerhalb der Leitung eine Schwerkraftzirkulation ausbilden, die zu Wärmeverlusten führt.

gutes Be- und Entladesystem: Der Solarwärmetauscher sollte sich weit im unteren Teil des Speichers befinden. Da dadurch der Wärmetauscher im kältesten Bereich angeordnet ist, ist eine größtmögliche Wärmeabgabe gewährleistet. Eine senkrechte Anordnung des Wärmetauschers ist einer waagrechten vorzuziehen, da auf diese Weise das erwärmte Wasser leichter in die obere Schicht aufsteigen kann.

Korrosionsbeständigkeit: Die Materialien des Speichers dürfen nicht korrodieren. Eingesetzt werden Speicher aus unbeschichtetem Stahl, emailliertem Stahl (eine warmwasserfeste Glasauskleidung), Edelstahl, kunststoffbeschichtetem Stahl und Kunststoff. Das jeweilige Material hängt vom Anwendungszweck ab. 

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Beispielhafter Aufbau einer Solaranlage zur Heizungsunterstützung

Weitere Bestandteile:

 

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Membranausdehnungsgefäß: Über einen Federmechanismus nimmt dieses Bauteil Druckschwankungen in den Rohrleitungen auf. Dies ist vor allem wichtig, wenn sich die Wärmeträgerflüssigkeit aufgrund starker Erwärmung ausdehnt.

Sicherheitsventil (Überdruckventil): Sollte die Solaranlage aufgrund eines Defekts stillstehen und keine Umwälzung erfolgen, dehnt sich die Wärmeträgerflüssigkeit stark aus. Dann öffnet sich das Überdruckventil und entleert teilweise die Leitungen. Ein Monteur muss die fehlende Flüssigkeit wieder nachfüllen.

Umwälzpumpe: Die Pumpe wird in der kalten Zuleitung zum Kollektor montiert, damit sie nicht zu hohen Temperaturen ausgesetzt wird.

Schwerkraftbremse: Wenn der Speicher heißer ist als der Kollektor, kann es dazu führen, dass die Wärmeträgerflüssigkeit an den höchsten Punkt (Kollektor) der Anlage aufsteigt. Dort kühlt sie aus und sinkt wieder zurück in den Solarspeicher und kühlt diesen aus. Eine Schwerkraftbremse verhindert diesen Effekt, der zum Beispiel nachts auftreten kann.

Regelung: Es wird in der Regel eine Temperaturdifferenzregelung verwendet. Die Temperatur des Speichers wird mit der Temperatur des Kollektors verglichen. Bei einer bestimmten Differenz schaltet die Umwälzpumpe ein.

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