Thermische Solaranlage - die Funktionsweise

Solaranlagen mit Flachkollektoren

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 Ãœber­gangs­zei­ten, im Früh­ling und im Herbst, ist die Ef­fizienz einer Solaranlage mit Röhren­kollek­toren un­Ã¼­ber­trof­fen.

Der Schwimmbad-Absorber

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.

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 Kontakt­wärme­Ã¼ber­tra­gung 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.

Bei der Heatpipe wird die En­thalpie­Ã¤nderung beim Pha­sen­Ã¼ber­gang 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 Ãœber­gabe 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.

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).

Unsere hoch­effi­zien­te Anlage erreicht sogar im Winter bei Minus­temperaturen oder bei leichter Bewölkung noch brauch­bare Wärme­heiz­werte.

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.

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.

Wohin mit der gewonnenen Wärme?

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

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 Ãœbergangszeiten 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.