Sonnenkollektoren wandeln Strahlung in Wärme

Sonnenkollektoren gewinnen Wärme aus solarer Strahlungsenergie. Sie lassen sich zum Beispiel auf dem Dach montieren und versorgen die Heizung, die Warmwasserbereitung oder andere Anwendungen mit thermischer Energie. Welche Arten von Sonnenkollektoren man unterscheidet und was diese auszeichnet, erklären wir im folgenden Beitrag.

Funktion von Sonnenkollektoren

Sonnenkollektoren sind Bestandteile von Solarthermieanlagen, die das Licht der Sonne in Wärme wandeln. Sie unterscheiden sich deutlich von Solar- oder Photovoltaikmodulen. Denn diese bestehen aus einzelnen Zellen, die elektrische Energie aus solarer Strahlung gewinnen.

Je nach Aufbau und Einsatzgebiet lassen sich verschiedene Arten von Sonnenkollektoren unterscheiden. Für die Versorgung des eigenen Hauses sind das:

  • Schwimmbadabsorber
  • Flachkollektoren
  • Vakuum-Röhrenkollektoren
  • Vakuum-Flachkollektoren
Hand hält Thermostat vor Sonnenkollektoren

Schwimmbadabsorber sind einfache Sonnenkollektoren

Schwimmbadabsorber bestehen aus dunkel gefärbten Matten, in die ein System aus Rohrleitungen integriert ist. Sie sind einfach aufgebaut und vergleichsweise günstig. Einsetzen lassen sich die Absorber zum Beispiel, um das Wasser in einem Schwimmbad zu erwärmen. Dabei werden sie auf Dächern, Vordächern oder offenen Flächen installiert und direkt vom Badewasser durchströmt. Schwimmbadabsorber arbeiten mit niedrigen Systemtemperaturen und meist nur im Sommer. Durch die höheren Außentemperaturen erreichen sie einen guten Wirkungsgrad. Dieser fällt jedoch schnell, wenn die Temperaturen wieder fallen.

Flachkollektoren sind vielfach eingesetzt

Flachkollektoren sind technisch ausgereifte Sonnenkollektoren. Sie bestehen aus einem wärmegedämmten Gehäuse, das zur Sonne mit einer speziellen Glasschicht abgedeckt ist. Im Inneren befindet sich ein sogenannter Absorber. Diese dunkel gefärbte Fläche erwärmt sich im Licht der Sonne und überträgt die Energie an ein angebundenes Rohrsystem. In diesem zirkuliert die sogenannte Solarflüssigkeit, ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Sie nimmt die Wärme auf und transportiert sie dann zur Heizungsanlage.

Durch ihre Dämmung verlieren Flachkollektoren auch bei sinkenden Außentemperaturen weniger Wärme. Sie können daher ganzjährig genutzt werden und versorgen zum Beispiel die Heizung oder die Warmwasserbereitung mit Energie. Darüber hinaus kommen sie auch bei Eisspeicherheizungen zum Einsatz. Wie diese funktionieren, erklären wir im Beitrag Eisspeicher.

Vakuumröhren-Kollektoren gewinnen viel Wärme

Vakuumröhren-Kollektoren bestehen aus einzelnen Glasröhren, die nebeneinander an einen Verteiler und Sammler angebunden sind. Durch den besonderen Aufbau gewinnen die Sonnenkollektoren mehr Wärme als ein Flachkollektor der gleichen Fläche. So besteht jedes einzelne Element eigentlich aus zwei ineinander liegenden Röhren. Während sich in der inneren Röhre alle nötigen Bauteile zum Auffangen und Umwandeln der solaren Strahlung befinden, wird der Raum zwischen beiden evakuiert. Dabei entsteht ein Vakuum, das genau wie bei einer Thermoskanne für sehr niedrige Wärmeverluste sorgt. Vakuumröhrenkollektoren sind teurer als Flachkollektoren, bieten aber auch eine höhere Ausbeute. Sie eignen sich vor allem dann, wenn Neigung oder Ausrichtung des Daches nicht optimal sind oder der Platz begrenzt ist.

Je nachdem, wie die Wärme der gewonnen und an das Heizsystem übertragen wird, lassen sich direkt durchflossene und Heat-Pipe-Kollektoren unterscheiden.

Direkt durchflossene Sonnenkollektoren

Bei direkt durchflossenen Kollektoren führt ein Rohr vom Sammler in und aus der Vakuumröhre. Dieses ist mit dem Absorber verbunden, der auch hier für die Umwandlung von Strahlung in Wärme verantwortlich ist. Solarflüssigkeit durchströmt die Leitungen und transportieren die gewonnene Wärme zur Heizungsanlage. Ein entscheidender Nachteil dieser Bauart ist die mechanische Beanspruchung an dem Punkt, an dem die Heizleitungen das Vakuum durchstoßen. Denn ist eine einzelne Röhre beschädigt, lässt sie sich nicht ohne Weiteres tauschen.

Vakuumröhren-Kollektoren mit Heat-Pipe

Bei Sonnenkollektoren mit Heat-Pipe (auch Wärmerohr genannt) befindet sich ein spezielles Medium in der inneren Röhre. Dieses verdampft durch die Strahlungsenergie der Sonne und steigt nach oben. Hier verbindet ein Wärmeübertrager die Röhre mit dem Sammler. Er übergibt die Solarwärme auf die Solarflüssigkeit und sorgt dafür, dass das Medium im Wärmerohr wieder flüssig wird. Dabei fällt es nach unten und der Kreislauf beginnt von vorn. Auf diese Weise sinken die Materialbelastungen in den Röhren und defekte Elemente lassen sich einfach austauschen. Wichtig zu wissen ist, dass Kollektoren mit Heat-Pipe oder Wärmerohr nur dann richtig funktionieren, wenn sie in einem Mindest-Neigungswinkel aufgestellt werden.

Konzentrator-Spiegel sorgen für höhere Leistung

Eine Möglichkeit, die Leistung der Sonnenkollektoren zu erhöhen, bieten sogenannte Konzentrator-Spiegel. Diese sind halbrund und werden jeweils hinter den Röhren montiert. Sie fangen das Licht der Sonne auf und lenken es immer direkt zum Absorber in der Röhre.

Vakuumflachkollektoren sind Zwischenlösung

Vakuumflachkollektoren sollen die Vorteile von Flach- und Röhrenkollektoren verbinden. Während der Absorber genau wie bei einem Flachkollektor aufgebaut ist, ersetzt ein Vakuum die übliche Dämmung. Durch die rechteckige Form ist der Konstruktionsaufwand hier jedoch deutlich höher. Außerdem kann das Vakuum oft nicht über lange Zeit gehalten werden, weshalb es in regelmäßigen Abständen zu erneuern ist. Die Sonnenkollektoren sind vergleichsweise teuer, ermöglichen aber auch eine höhere Energieausbeute.

Heizung.de Autor Alexander Rosenkranz

Fazit von Alexander Rosenkranz

Sonnenkollektoren wandeln die Strahlungsenergie der Sonne in Wärme für Heizung oder Warmwasserbereitung. Während Flachkollektoren den Standard darstellen, eignen sich die effizienteren Vakuumröhrenkollektoren vor allem dann, wenn der Platz begrenzt oder die Bedingungen auf dem Dach nicht optimal sind.

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