Thermische Solaranlage - die Funktionsweise

Die Sonne, der Ursprung allen Lebens mit einer Solaranlage nutzen

Solaranlage Jede uns bekannte Energie außer der Kern­energie beruht direkt oder indirekt auf Son­nen­strahlen. Holz, Pellets, Kohle, Öl und Gas sind Stoffe, die durch Photosyn­these entstanden sind. Auch Wind- und Wasser­kraft beruhen auf dem Zu­sammen­spiel von Sonnenwärme und Kälte.

Bei einer thermischen Solaranlage (Solarthermie) wird das Sonnen­licht in Wärme um­ge­wan­delt und so für die Brauch­wasser­erwär­mung oder Heizungs­unter­stützung nutzbar ge­macht. Dazu wandeln die Kollek­toren der Solaranlage das kurz­wellige Sonnen­licht in lang­wellige Wärme­strahlung um. Eine Wärme­träger­flüssig­keit (Solar­flüs­sigkeit) trans­por­tiert die gewonnene Wärme von der Solaranlage in einen Spei­cher, der die Wärme für Trink­wasser oder Raum­heizung zur Ver­fügung stellt.

Die einzelnen Kompo­nenten einer Solaranlage werden im Folgenden näher erläutert.


Bei den Kollektoren einer Solaranlage gibt es verschiedene Bau­formen, die jeweils spezifische Vorteile haben.

Solaranlagen mit Röhrenkollektoren

Vakuumröhre und Röhrenkollektor für Solaranlagen Vakuum­röhren­kollek­toren be­ste­hen aus Röh­ren mit ei­nem Ab­sor­ber im In­ne­ren, der durch ein Vaku­um ge­gen Tem­pe­ra­tur­ver­lust ge­dämmt ist. Dank der Röhren­form kann ein Hoch­va­ku­um auf­ge­baut wer­den. Dies ist die denk­bar beste Dämm­ung. Dabei gibt es ver­schie­de­ne Bau­for­men. Bei Voll­va­ku­um­röhren wird der Raum eines Glas­zylinders komplett ent­leert und mit einem Metall­deckel ver­schlos­sen. In die­sem Voll­vaku­um be­findet sich ein Ab­sorber­blech. Vor­teil ist die maxi­male Effizienz dieses Systems. Nach­teil ist die Glas-­Metall-­Verbindung, die trotz ständ­iger Tem­pera­tur­wechsel unter­schied­licher Materi­alien keine Haar­risse be­kommen darf, die zu einem Vaku­um­ver­lust führen können. Die Vaku­um­röhren unserer SWD-Kollektoren sind dagegen nach dem Prinzip der Sydney-Röhre aufgebaut. Sidney-Vaku­um­röhren sind wie eine Thermos­kanne auf­ge­baut. Der doppel­wandige Glas­körper be­steht aus zwei mit­ei­nan­der ver­schmol­ze­nen Glas­röhren. Im Pro­dukt­ions­pro­zess wird zwischen den kon­zen­tri­schen Röhren ein Vaku­um gezogen. Diese Bau­form hat den Vor­teil, dass die Röhre aus­schließ­lich aus Glas be­steht und somit ein dauer­haftes Vaku­um sicher­ge­stellt ist.

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Solaranlagen mit Flachkollektoren

Solaranlage | Flachkollektor Flach­kollekto­ren haben einen groß­flächi­gen Ab­sorber, der aus dun­kel be­schich­te­tem Kupfer- oder Alu­mini­um­blech be­steht. An dessen Rück­seite be­fin­den sich dünne Rohre durch die die Solar­flüs­sig­keit ge­pumpt wird. Unter, und seitlich des Ab­sor­bers be­fin­det sich eine Dämmung aus Mine­ral­wolle. Dank der großen Ab­sor­ber­flä­che sind Flach­kollek­toren in den Sommermonaten zur Warm­wasser­be­rei­tung bestens geeignet. In den Über­gangs­zei­ten, im Früh­ling und im Herbst, ist die Ef­fizienz einer Solaranlage mit Röhren­kollek­toren un­ü­ber­trof­fen.

Der Schwimmbad-Absorber

Schwimmbadabsorber als Solaranlagen Die ein­fach­ste Form des Kollek­tors ist ein Schwimm­bad­ab­sor­ber aus schwarzen Kunst­stoff­schläu­chen. Vor­teil ist, dass dieser auf Grund seines ein­fachen Auf­baus beson­ders viel Energie ein­fängt. Da­durch ist er ideal für den Ein­satz in Frei­bä­dern. Nach­teil ist, dass dieser Kollektor be­son­ders schlecht ge­dämmt ist; an küh­len und be­deck­ten Ta­gen gibt er Wär­me an die Um­ge­bung ab.
Der Schwimmbad-Absorber ist zur ganz­jähri­gen Trink­wasser­erwärmung oder gar Hei­zungs­unter­stützung völlig un­ge­eignet.


Die Vakuumröhren: Höchste Effizienz und lange Lebensleistung

Vakuumröhre für Solaranlagen Bei der Sidney-Vaku­um­röhre ist die Auß­en­seite der inne­ren Glas­röhre mehr­schich­tig bedampft. Das von außen bläu­lich sicht­bare Alu­mini­um­nitrit ab­sor­biert die Sonnen­strah­len und wandelt das kurz­wellige Licht in lang­wellige Wärme. Weil Wärme­ver­luste nicht nur durch Kontakt­wärme­über­tra­gung ent­stehen können, sondern auch durch Ab­strah­lung, sorgt die von innen sicht­bare Kupfer­bedampfung dafür, dass die einmal ab­sor­bier­te Wärme in der Röhre bleibt und nicht wieder ab­ge­strahlt wird. Im Inneren der Vaku­um­röhre lei­ten Wärme­leit­bleche aus eng an­lie­gen­dem Alu­mini­um die ab­sor­bier­te Wärme wei­ter an ein Kupfer­rohr, das für den Ab­trans­port der Wärme sorgt. Für den Wärme­trans­port gibt es ver­schie­dene Systeme: direkt durch­flossene Kupfer­rohre und Heat­pipe-Kupfer­rohre.

Vakuumröhre für Solaranlagen Bei der Heatpipe wird die En­thalpie­änderung beim Pha­sen­über­gang zwi­schen dem flüssi­gen und dem gas­för­migen Aggre­gat­zu­stand genutzt. Die Heat­pipe besteht aus einem Kupfer­rohr, das mit etwas Flüs­sig­keit gefüllt ist (je nach Her­stel­ler ent­weder Al­kane oder Was­ser mit Frost­schutz). Die Al­kane in der Heatpipe ver­dam­pfen schon bei re­la­tiv ge­rin­gen Tem­pe­ra­tur­en.

Beim Ver­dam­pfen in der Röhre wird die Wärme auf­ge­nom­men. Der Dampf steigt auf in den Kon­den­sa­tor-Kopf der Heat­pipe. Dort kon­den­siert der Dampf und gibt die Wärme an den Sam­mler ab, wo die Über­gabe an die Wärme­trä­ger­flüs­sig­keit er­folgt. Das Kon­den­sat rinnt in der Heat­pipe wieder nach un­ten, der Vor­gang be­ginnt er­neut.

Ein Vor­teil von Heat­pipes ist die be­son­ders ein­fa­che Mon­ta­ge, weil der Kollek­tor in Ein­zel­tei­len an­ge­lie­fert wird. Ein wei­ter­er Vor­teil ist die trocke­ne An­bin­dung, die einen Wechsel der Röhren im lau­fen­den Be­trieb er­mög­licht.


Alle Solaranlagen von SWD sind mit unseren verbesserten, besonders effizienten SWD Heatpipe-Vakuumröhren ausgestattet

Bei den Vakuum­röhren handelt es sich um zwei in­einander ver­schmol­zene Glas­röhren aus Boro­silikat­glas.
Zwischen den beiden Röhren befindet sich ein Vakuum, das als hoch­gradig wir­kungs­volle Isolier­schicht dient (Thermoskannen­prinzip). Die innere Röhre ist mit einer mehr­schichtigen Stahl/Kupfer-Beschichtung (ALN/AIN-SS/CU) bedampft, die zu einer extrem hohen Ab­sorber­wirkung und Energie­effizienz führt.

Wichtig: Bei unseren Röhren gibt es keine Metall-­Glas­verbindung, ein Vakuum­verlust ist somit fast aus­ge­schlossen. Die Röhren halten Hagel­kör­nern bis zu 30 mm Durch­messer stand. In unseren Vakuum­röhren sorgt ein hoch­ef­fek­tives Wärme­leitblech aus Aluminium für einen schnellen und verlust­armen Wärme­transport zur Heatpipe (Haupt­wärme­leiter aus Kupfer in der Mitte der Röhre). Diese Heatpipe trans­portiert die ab­sor­bierte Wärme direkt in den Röhren­kopf, von dem sie dann an den Samm­ler abgegeben wird (siehe Grafik).

SWD Heatpipe Vakuumröhre für Solaranlagen
Unsere hoch­effi­zien­te Anlage erreicht sogar im Winter bei Minus­temperaturen oder bei leichter Bewölkung noch brauch­bare Wärme­heiz­werte.


Die neue Generation der SWD-Heatpipes: Mehr Leistung

SWD Heatpipe Vakuumröhre Leitblech

Die neue Generation der SWD-­Heatpipe verfügt über die besondere Einblech­tech­nologie (linke Röhre). Durch die spe­zielle Form wird die aus dem Son­nen­licht gewonnene Wärme verlust­arm zur Heatpipe transportiert. Die rechte Röhre zeigt den Vergleich zum weniger ef­fizien­ten Zweiblech-­System.

SWD Heatpipe im Vergleich

Zusätzlich wurde der „Heatpipe-Kopf“ neu konzipiert.
Durch einen größ­eren Durch­messer (größ­ere Ober­fläche) kann deut­lich mehr Wärme an den Sammler über­tragen werden.
Das ge­währ­leistet einen we­sent­lich höheren Wir­kungs­grad.
Bild: Unsere neue SWD-Heatpipe im Ver­gleich zu einem anderen System mit ge­ringerem Durch­messer.


Garantie und Gewährleistung

Laut den tech­nischen Prü­fungen und Be­lastungs­tests bestehen unsere Vakuum­röhren im Betrieb gut 20 bis 25 Jahre. Wir gewähren acht Jahre Garantie auf unsere SWD-­Vakuum­röhren und zwei Jahre Gewähr­leistung auf alle anderen Bau­teile.

SWD 8 Jahre Gewährleistung

Wohin mit der gewonnenen Wärme?

Solarpeicher für Solaranlage Um die durch die Solaranlage ge­wonne­ne Wärme speichern zu können, be­nö­ti­gen Sie einen ge­eig­ne­ten Speicher; möglichst mit innen liegendem Wär­me­tau­scher. Je nach Bedarf und Anlage un­ter­schei­det man zwischen reiner Brauch­wasser­erwär­mung und Heizungs­unter­stützung. Reine Brauch­wasser­erwärmung erfolgt unter Nutzung eines Solarspeichers / Trink­wasser­speichers, in der Regel mit zwei innen liegenden Wärmetauschern.
Für die An­lage zur Heizungs­unter­stützung kann zwischen der Ver­wen­dung eines Kombi- oder Hygienespeichers oder einer Mehr­speicher­lösung (Brauchwasserspeicher + Pufferspeicher) gewählt werden. Alter­nativ kann man einen reinen Pufferspeicher in Ver­bin­dung mit einer Frisch­was­ser­station ver­bauen. Damit das Sys­tem gut funk­ti­oniert, muss das Speicher­volumen auf die An­la­gen­größe und ggf. auf Zusatz­kom­po­nen­ten ab­ge­stimmt sein.

Die Größe eines Speichers

Pufferpeicher für Solaranlage Ein zu kleiner Speicher ist zu schnell beladen und die Anlage geht zu schnell in die Stagnation, schaltet also ab, weil die Wärme nicht mehr im Speicher untergebracht wird. Ein zu groß gewählter Speicher reagiert zu träge. Die Anlage wird zwar alle gewonnene Energie darin los, erreicht aber auf­grund des großen Wasservolumens nur sehr langsam die ge­wünsch­te Zieltemperatur bzw. erreicht sie in den Übergangszeiten gar nicht und Sie müssen dann bereits mit an­de­ren Energie­quellen nachheizen. Ein guter Richt­satz für die passende Speichergröße sind die Vorgaben des BafA bezüglich der Förderung solarthermischer Anlagen.
Je angefangener qm Kollektor­fläche sollten der Anlage 50 Liter Speichervolumen zur Verfügung stehen. Dieser Wert kann nach oben bis zu 20% abweichen, darf für die Förderung aber nicht unterschritten werden.


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Der hydraulische Anschluss einer Solaranlage

Edelstahlwellrohr für Solaranlagen Eine Solaranlage stellt einen eigenen hy­drau­li­schen Kreis­lauf dar. Kalte oder ab­ge­kühlte Solar­flüs­sig­keit (ein Gemisch aus Wasser und Gly­kol = Frost­schutz) wird unten aus dem Wär­me­tau­scher Ihres Spei­chers zur Solar­anlage ge­pumpt, er­wärmt sich dort und wird als heiße Solar­flüs­sigkeit wieder oben in den Wärme­tauscher des Spei­chers zurück­ge­führt. Dort kann die Ener­gie an das kal­te Wasser ab­ge­lei­tet wer­den und erwärmt so nach und nach das Speicher­volumen. Um die Wärme mög­lichst ver­lust­arm zu trans­por­tieren, be­nötigt man ein gut iso­lier­tes Lei­tungs­system. Das kann gut iso­liertes Kupfer­rohr sein, das im Solar­be­reich aufgrund hoher Tem­pe­ratu­ren hart­ge­lötet werden muss oder bereits fer­tig iso­liertes Edel­stahl­well­rohr, das mit einer hoch­tem­pe­ra­tur­be­stän­digen Dämmung gegen Wärme­verlust ge­schützt ist. Für den Laien und Selbst­aufbauer ist die Ver­wen­dung des Well­rohres meist die ein­fachere Variante, da dies mittels Schraub­ver­bin­dungen mit den an­deren Solar­kompo­nen­ten ver­bun­den wird und zudem flexi­bel ist, d.h. ohne großen Auf­wand von der Solaranlage bis zum Spei­cher­auf­stell­ort ver­legt wer­den kann.