Kollektoren für Solaranlagen – Modelle, Unterschiede und die Vor & Nachteile

Solarkollektoren sind das wichtigste Element einer Solaranlage. Die Sonnenenergie wird in den Kollektoren eingefangen und bereitgestellt, um Wasser zu erwärmen und für den Haushalt freizusetzen. Solarkollektoren werden in zwei verschiedene Modelle unterschieden, die beide Vor- und Nachteile aufweisen. Die Kollektoren weisen zudem unterschiedliche Effizienzwerte und Preiskategorien auf, wodurch sie sich unterscheiden.

Solarkollektoren - das Herz der Solaranlage

Ohne den Kollektor könnte eine Solaranlage die Sonnenenergie nicht in nutzbare Wärme umwandeln. Der Kollektor ist also das Herz der Solaranlage, der es möglich macht, die erneuerbare Energie im Haushalt zu nutzen. Sie wollen mehr über Solaranlagen und die Kosten erfahren? Berechnen Sie die Kosten für Ihre individuelle Solaranlage mit unserem Solaranlagenrechner! Welche verschiedenen Modelle gibt es aber unter den Kollektoren und welcher ist der richtige für meine Solaranlage?

Flachkollektor - das bewährte Modell

Die Flachkollektoren waren die ersten Kollektoren, die zur Nutzung von Sonnenenergie eingesetzt wurden. Sie sind daher bis heute das am meisten verbreitete Modell und bilden einen Marktanteil von stolzen 70%. Ihr Ruf ist daran wohl nicht ganz unbeteiligt, denn Flachkollektoren gelten als sehr preiswert, zuverlässig und vor allem bieten sie eine Technologie, die sich über die Jahre durchaus bewährt hat.

Aufbau eines Flachkollektors - Absorber, Gehäuse und die Wärmeträgerflüssigkeit

Ein Flachkollektor hat zwei einfache Bestandteile. Ein Gehäuse und ein geschwärztes Metallblech, dass sich im Inneren des Gehäuses befindet. Dieses Metallblech wird auch als Absorber bezeichnet, da die dunkle Beschichtung für eine gute Absorption der auftreffenden solaren Strahlung sorgt. Der Absorber wandelt zudem die auftretende Sonnenenergie effizient in Wärme um. Damit die Wärme transportiert werden kann, verlaufen auf der Rückseite des Absorbers Rohre, in denen Wärmeträgerflüssigkeit fließt. Diese fließt kalt in den Kollektor und verlässt ihn heiß. Damit der Kollektor geschützt ist vor äußeren Bedingungen, wie der Witterung, wird er durch ein Sicherheitsglas abgedeckt. Dieses Glas ist sehr stabil und gleichzeitig hoch transparent, damit so wenig Strahlung wie möglich an diesem abprallt. Es ist also gewährleistet, dass soviel Sonnenenergie wie möglich den Absorber erreicht, um dort in Wärme umgewandelt zu werden. Damit auch das Gehäuse effektiv zur Wärmegewinnung beiträgt, ist dieses besonders gut gedämmt und verliert somit kaum an Wärmeenergie. Die Effizienz der Solaranlage wird somit gesteigert.

Unterschiede bei Flachkollektoren - Aufbau, Form & Rohrleitung

Auch wenn die Flachkollektoren zu einem Modell zusammengefasst werden, gibt es dennoch Unterschiede. Unterschiedliche Flachkollektoren unterscheiden sich im Gehäusewerkstoff, der unterschiedlichen Verbindung der Rohre und noch weiterer Merkmale. Je nach Anwendung haben die unterschiedlichen Ausführungen ihre Vor- und Nachteile.

• Form des Absorbers - Der Absorber kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So gibt es Absorber aus Stahl-, Edelstahl- oder Aluminiumblechen. Diese können unterschiedlichste verbunden werden beispielsweise durch Punktschweißen aber auch durch Rollbondings. Auch bei den Kupferrohren, in denen die Flüssigkeit geleitet wird, gibt es Unterschiede. Sie können eingepresst aber auch gelötet werden.
• Beschichtung des Absorbers - Die Absorberschicht hat sich in den letzten Jahren immer weiter entwickelt. Die Schicht soll schließlich möglichst viel der solaren Energie absorbieren können. Die heutige Technik sieht dafür hoch selektive Schichten vor, die einen besonders hohen Absorptionsgrad aufweisen. Sie hat zusätzlich einen geringen Emissionsgrad der langwelligen Wärmestrahlung.
• Verlegung der Wärmeträgerrohre - Die Rohre können entweder in einem Rohrregister verlegt werden, wobei sie parallel nebeneinander liegen und oben und unten miteinander verbunden sind, oder aber sie werden mäanderförmig verlegt, was soviel heißt wie schlangenartig an einem Stück.
• Gehäusematerial - Das Material des Gehäuses kann je nach Modell auch variieren. Am weitesten verbreitet sind Aluminium, Edelstahl aber auch Kunststoff. Sogar Holz wäre eine Option als Gehäuse für einen Solarkollektor.

Röhrenkollektor - die bessere Wärmedämmung sorgt für höhere Effizienz

Der Röhrenkollektor kam nach dem Flachkollektor und ist eine Alternative zu diesem. Trotz anderer Technik und weniger Marktanteil, hat auch dieses Modell seine Vorteile.

Aufbau eines Röhrenkollektors - Vakuum, Heat-Pipe und die Glasröhren

Das Modell Röhrenkollektor unterscheidet sich besonders in einem Punkt von dem Flachkollektor, nämlich in der Dämmung. Währen beim Flachkollektor nur das Gehäuse gedämmt ist, wird beim Röhrenkollektor jeder einzelne Absorber gedämmt und das auf eine besondere Art und Weise. Der Absorber ist hier von einer evakuierten Glasröhre umhüllt, da Vakuum besonders gute Wärmedämmeigenschaften aufweist und weder Verluste durch Konvektion noch durch Wärmeleitung zulässt. Mehrere der Röhren zusammen werden mit einem Sammler verbunden und ergeben dann einen Röhrenkollektor. Da diese Weise zu Dämmen deutlich effektiver ist, als die bei einem Flachkollektor, ist die Effizienz hier deutlich höher, da weniger Energie verloren geht. Aufgrund der Technik wird dieses Modell auch Vakuum-Röhrenkollektor genannt.

Unterschiedliche Bauform von Röhrenkollektoren - Heat-Pipe, CPC & direkte Durchströmung

Die Röhrenkollektor Modelle werden zusätzlich in unterschiedliche Bauformen unterschieden. Zum einen die direkt und die nicht direkt durchströmenden Röhrenkollektoren - sie werden auch Heat-Pipe genannt. Eine weitere Form sind die CPC - Vakuumröhrenkollektoren.

• Direkt durchströmte Röhrenkollektoren - Die Wärmeträgerflüssigkeit fließt bei dieser Bauform direkt durch Kupferrohre in die Glasröhren. Hier wird sie erwärmt und beim Austreten mit den anderen Rohren im Sammler zusammengeführt. Anschließend werden sie über den Solarkreis zum Wärmeübertrager transportiert. Bei einem defekten Vakuum ist es nicht schwer einen der Röhren unabhängig von den anderen aus zu tauschen.
• Heat-Pipe (nicht direkt durchströmt) - Die Heat-Pipe nutzt zur Wärmeübertragung einen thermodynamischen Prozess, bei dem ein Wärmerohr ( Head-Pipe ) durch das Glasrohr verläuft, welches eine leicht verdampfende Flüssigkeit, wie Wasser oder Alkohol, enthält. Bei Erwärmung verdampft diese Flüssigkeit und steigt zum Kopf der Glasrohre, wo die Wärme durch Kondensation des Dampfes auf die außerhalb des Kopfes vorbeifließende Wärmeträgerflüssigkeit übertragen wird. Der Rest der Flüssigkeit fließt zurück zum Boden der Rohre und wiederholt den Prozess, sobald Zimmertemperatur erreicht ist. Diese reicht aus, die Flüssigkeit zum Kondensieren zu bringen, da ein Unterdruck in den Rohren - das Vakuum - herrscht.
• CPC Vakuumröhrenkollektor - Diese Bauform ist eine Abwandlung der direkt durchströmten Röhrenkollektoren. Auch hier verlaufen die Kupferrohre durch die Glasröhren, die Besonderheit ist allerdings, dass zwei Glasröhren konzentrisch angeordnet werden und vor einem Parabolspiegel liegen. Die absorbierende Beschichtung ist auf dem inneren der Glasrohre angebracht. Der Parabolspiegel hilft dabei den Kollektor noch effizienter zu gestalten und das besonders bei geringer Einstrahlung. Die Erträge sind hier also vergleichsweise höher und der Kollektor arbeitet effektiver.

Die Wärmeträgerflüssigkeit - was beachtet werden muss

Die  Wärmeträgerflüssigkeit speichert die Wärme und transportiert diese durch den Solarkreis bis hin zum Solarspeicher. Die Wärme wird dann von der Flüssigkeit abgegeben und verwendet um Hahn- oder Heizungswasser zu erwärmen. Die abgekühlte Flüssigkeit fließt dann zurück und beginnt ihre Reise von vorn. Die Frage die sich stellt ist jedoch, was als Wärmeträgerflüssigkeit geeignet ist. Hier ist die Antwort relativ einfach, denn normales Wasser eignet sich bereits perfekt für diese Aufgabe. Da aber besonders in kalten Monaten die Gefahr von Frost besteht und somit irreparable Schäden an Kollektor oder Absorberrohr entstehen könnten, muss das Wasser mit einem Frostschutzmittel versetzt werden. Aber auch hohe Temperaturen muss die Wärmeträgerflüssigkeit aushalten können. Besonders in CPC-Vakuumröhrenkollktoren kann es zu Temperaturen von bis zu 350 °C kommen. Damit durch das Frostschutzmittel und solch hoher Temperaturen die Viskosität nicht leidet und somit die Wärmekapazität vermindert wird, wird üblicherweise ein Mischverhältnis von 40% Propylenglykol und 60% Wasser angestrebt. Diese Mischung hält nicht nur Kälte von bis zu -25°C aus, sondern ist auch für hohe Temperaturen geeignet. Achten Sie beim Kauf der Wärmeträgerflüssigkeit besonders auf eine hohe Temperaturstabilität, einen guten Korrosionsschutz, eine möglichst geringe Viskosität, eine hohe Umweltverträglichkeit und einer hohen Wärmekapazität.