Flachkollektor und Vakuum Flachkollektor in der Solarthermie

Der Flachkollektor ist der am häufigsten verwendete Kollektor in der Solarthermie. Ein Flachkollektor gewinnt Wärme aus der Sonneneinstrahlung und stellt diese zur Wassererwärmung oder Heizungsunterstützung zur Verfügung. Der Flachkollektor ist eine langjährig erprobte und preisgünstige Technik. Eine etwas teurere, aber effektivere Variante ist der Vakuum Flachkollektor.

A. Flachkollektoren

Die Anforderungen an einen Flachkollektor sind vielfältig: ein Flachkollektor soll bei der Nutzung die einfallende Sonnenstrahlung zum einen möglichst vollständig in Wärme umgewandeln, zum anderen müssen die Materialien aber auch sehr temperaturbeständig sein. Die Abdeckung des Solarthermie Kollektors muss lichtdurchlässig sein, gleichzeititig aber thermische Verluste minimieren, die beispielsweise durch Wärmestrahlung und den Luftstrom im Solarthermie Kollektor entstehen.

Die Wärmedämmung soll ausreichend dick sein, aber ebenfalls sehr temperaturbeständig, und darf keine Bindemittel enthalten, welche bei hohen Temperaturen ausgasen und einen Niederschlag auf der Abdeckung bilden könnten. Wichtig ist außerdem, dass der gesamte Solarthermie Flachkollektor gut vor äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, Insekten und Staub, geschützt ist.

Ein Flachkollektor oder Vakuum Flachkollektor kann einen Wirkungsgrad von bis zu 82 Prozent erreichen. Die thermischen Verluste sind aufgrund der Wärmedämmung vergleichsweise gering. Aufgrund des einfachen Aufbaus wird der Flachkollektor in der Solarthermie vor allem bei der Warmwassererzeugung am häufigsten genutzt. Auch die Flachkollektoren Preise sind im Vergleich zu einem Röhrenkollektor relativ gering.

Flachkollektor: effektiver Aufbau für bestmögliche Wärmegewinnung

Der Solarthermie Absorber besteht aus schwarzem beschichtetem Metall und ist mit Rohren verbunden, die Wärme sammeln und an ein Wärmeträgermittel weitergeben. Meistens werden die Metalle Kupfer oder Aluminium für den Absorber von einem Flachkollektor genutzt. Die Beschichtung besteht zum einen aus der galvanischen schwarzen Schicht und einer blauen Schicht. Beide bestehen aus Metalloxid und sorgen dafür, dass der Absorber auch bei häufigen Temperaturwechseln einen hohen Wärmeertrag erwirtschaften kann.

Die Abdeckung des Solarthermie Kollektors ist durchsichtig und meistens aus Glas. Heutzutage wird dafür meistens ein thermisch behandeltes Sicherheitsglas verwendet, welches 3-6 Millimeter dick ist und auch „Solarglas“ genannt wird. Die Flachkollektor Abdeckung dient dazu, den Absorber vor Umwelteinflüssen, zum Beispiel vor Wind und Niederschlag, zu schützen und zu verhindern, dass Wärme entweicht. Meistens ist die Abdeckung außerdem verspiegelt, um zu verhindern, dass die Sonnenstrahlen reflektiert werden. So wird der Wärmeertrag des Flachkollektors vergrößert, indem optische Verluste minimiert werden.

Mithilfe einer Wärmedämmung auf der Rückseite und den Seiten des Kollektors werden Wärmeverluste der Solarthermie verhindert. Die Dämmung besteht in den meisten Fällen aus Hartschaumplatten oder aus Mineralfaserdämmstoffen.

Das Kollektorgehäuse sorgt dafür, dass die Komponenten zusammengehalten werden. Es schützt den Absorber und die Wärmedämmung vor äußeren Einflüssen und bietet Befestigungs­möglichkeiten für die Montage des Solarthermie Kollektors. Wichtig ist, dass keine Wärme durch Fugen entweicht und das Gehäuse gut gedichtet ist.

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B. Vakuumröhrenkollektoren

Röhrenkollektor: mehr Wärme durch Unterdruck

Bei einem Flachkollektor entstehen in der thermischen Solaranlage hohe Wärmeverluste durch Luftbewegungen vom Absorber zur Außenhaut. Entfernt man die Luft aus dem Kollektorkasten, reduziert man diese Verluste stark. Diese Technik kann man mit dem System einer Thermoskanne vergleichen; auch dort entsteht ein Unterdruck.

Der Wirkungsgrad bei einem Vakuumröhrenkollektor, oder einfach nur Röhrenkollektor, ist daher bis zu 30 Prozent höher als der des Flachkollektors, allerdings müssen auch die Preise der Röhrenkollektoren berücksichtigt werden, denn ein Vakuumröhrenkollektor ist in der Regel teurer als ein Flachkollektor.

Ein Röhrenkollektor besteht aus gläsernen zusammengefassten Röhren, die auf einem Rahmen angebracht werden. Die Röhrenform ist erforderlich, weil aufgrund des starken Vakuums, auch „Hochvakuum“ genannt, eine massive Druckbelastung am Vakuumröhrenkollektor entsteht. Bei einem Vakuumröhrenkollektor unterscheidet man zwischen der direkt durchströmten Röhre, der Heatpipe und der Sydney-Röhre.

Beim Heatpipe-System befindet sich ein Rohr im Solarthermie Kollektor, welches meistens mit Alkohol gefüllt ist. Wenn die Flüssigkeit verdampft, steigt diese nach oben und gelangt in einen Wärmetauscher, der die Wärme an die Trägerflüssigkeit vom Röhrenkollektor überträgt. Der Dampf wird dadurch gekühlt und bewegt sich durch das Rohr wieder nach unten.

Eine Sydney-Röhre ist doppelwandig. Das Vakuum befindet sich zwischen einem inneren und einem äußeren Glasrohr, welche an den Enden miteinander verbunden sind. Das innere Glasrohr enthält die Wärmeträgerflüssigkeit und dient als Absorber.

Bei einer direkt durchströmten Röhre strömt das Wärmeträgermedium, welche die Wärme vom Vakuumröhrenkollektor zum Speicher transportiert, in einem U-förmigen Rohr auf der einen Seite des Absorbers in die Röhre ein und auf der anderen Seite wieder hinaus. Aufgrund von Problemen mit Undichtigkeiten wird dieser Röhrentyp heutzutage in der Solarthermie nur noch selten verwendet.

Der Absorber minimiert Wärmeverluste im Vakuumröhrenkollektor

Der Absorber vom Solarthermie Röhrenkollektor, welcher die Wärme aus den Sonnenstrahlen gewinnt, ist als Streifen in den einzelnen Röhren angebracht. Um den Ertrag des Absorbers zu erhöhen, wird bei einem Röhrenkollektor außerdem meistens ein Reflektor aus Aluminium auf der Rückseite des Gehäuses montiert. So wird die Sonneneinstrahlung auf die Rückseite des Absorbers erhöht.

In der Solarthermie besteht der Absorber bei direkt durchflossenen Röhren und Heatpipe-Vakuumröhren meistens aus Blech; bei Sydney-Röhren ist der Absorber vom Vakuumröhrenkollektor aus Glas. Der Röhrenkollektor wird nicht mit Solarglas, sondern mit transparentem Borsilikatglas abgedeckt. Da dieses Glas verhältnismäßig dick ist, ist es auch bei hohen Temperaturunterschieden und hohen Belastungen stabil.

Als Gehäuse wird bei einem Röhrenkollektor nur die Halterung für die Röhren bezeichnet. Diese besteht meistens aus Aluminium oder Kunststoff. Die Rohre, die den Wärmeträger transportieren, leiten die Wärme dann vom Vakuumröhrenkollektor zum Speicher.