Solartechnologie: Flach- und Vakuumröhrenkollektoren

Folgend werden Entwicklung, Marktanteil sowie Vor- und Nachteile der Kollektoren werden genauer betrachtet, da diese in den Entscheidungsprozess zur Auswahl einfließen. Ebenso wird ein Überblick zu den Systemen der solaren Gebäudeklimatisierung gegeben und das Absorptionsprinzip erläutert.*

Der Solarkollektor

Als Solarenergie oder Sonnenergie wird die von der Sonne durch Kernfusion [im Kern der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Heliumkernen] erzeugte Energie bezeichnet. Dabei beträgt die Energieintensität an der Grenze der Atmosphäre etwa 1,376 kW/m², durch diverse Umwandlungsverluste treffen aber „nur“ ungefähr 1kW/m² Strahlung auf die Erdoberfläche auf. Diese Strahlung wird als Globalstrahlung bezeichnet und setzt sich hauptsächlich aus dem Direkt- und dem Diffusstrahlungsanteil zusammen. Die Globalstrahlung mit den jeweiligen Anteilen für Direkt- und Diffusstrahlung ist sehr stark von der geografischen Lage sowie von den tages- und jahreszeitlichen Schwankungen abhängig. Tiefgreifendere Grundlagen zum solaren Strahlungsangebot sowie zu physikalischen Grundlagen zur solarthermischen Wärmenutzung werden in dieser Arbeit nicht genauer erörtert [vgl. Kaltschmitt, Wiese 1995).

Der Sonnenkollektor als wichtigste Komponente aller solarthermischen Systeme wandelt die auftreffende elektromagnetische Sonnenenergie in Wärme um. Mit einem Kostenanteil von üblicherweise 25 – 35% der Gesamtinvestitionen ist der Kollektor das kostspieligste Bauteil einer solchen Anlage. Die wichtigsten Sonnenkollektoren sind in Bild 2.1-1 abgebildet. Die verschiedenen Bauarten unterscheiden sich deutlich in Leistungsfähigkeit und Preis. Für Temperaturen bis 30°C werden die unverglasten Schwimmbadabsorber eingesetzt. Für den Niedrigtemperaturbereich bis 80°C zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung und z.T. zur solar unterstützten Klimatisierung sind Flach- und Vakuumröhrenkollektoren geeignet, daher werden diese anschließend gründlicher betrachtet [vgl. Bild 2.1?7 Wirkungsgradkennlinien von Kollektoren]. Der Einsatz von Kollektoren zur solaren Kühlung hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber der solaren Nutzung zur Trinkwarmwasserbereitung [TWW] und Heizungsunterstützung [HU]. Der Vorteil ist die nahezu zeitgleiche Übereinstimmung von solarem Angebot und Kühlung. Dieser Vorteil generiert eine bessere Ausnutzung der Solaranlage und reduziert die Stillstandszeiten [Verdampfungsschutz].

Bild 2.1?1 Übersicht verschiedener Kollektorbauarten und deren
Anwendung (vgl. DGS; 2004: 4-6)

Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten

Durch aktive Forschungs- und Entwicklungsarbeit konnte die Effektivität und Zuverlässigkeit der heutigen Solarkollektoren erheblich verbessert werden. Durch die Steigerung der Leistungsfähigkeit und die Zunahme von Solaranlagen, die neben der WWB auch zur HU eingesetzt werden, wird insbesondere in den Sommermonaten das Auftreten von Anlagenstillstand gefördert. Dies kann dazu führen, dass es zur Verdampfung der Wärmeträgerflüssigkeit kommt. Dieses wiederum kann zur vorzeitigen Alterung oder Beschädigung von temperaturempfindlichen Komponenten wie beispielsweise Pumpe und Ausdehnungsgefäß führen. Die Gefahr der Verdampfung bei Solaranlagen zur Heizungsunterstützung verlangt für die Zukunft mehr Kenntnisse zur Beherrschung des Stillstandsbetriebes. Eine weitere Steigerung der Effektivität wird nur unter Beachtung des Stillstandsverhaltens angestrebt. Das vom Bundesumweltministerium geförderte Verbundprojekt „Systemuntersuchungen großer solarthermischer Kombianlagen (vgl. Solarkombianlagen Abruf 21.11.2006)“ widmet sich dieser Problematik.

Künftige Forschungsaktivitäten müssen außerdem auf Kostensenkungspotenziale gerichtet werden. Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von solarthermischen Anlagen müssen hauptsächlich die Produktionskosten durch z.B. weitere Automatisierung und größere Fertigungskapazitäten gesenkt werden. Eine andere Chance zur Kostensenkung von Solaranlagen bietet die gestalterische Integration des Kollektors in Fassade und/oder Dach. Dadurch kann der Kollektor zur Reduzierung der Wärmeverluste eines Gebäudes gerade bei schwacher Strahlung im Winter beitragen. Bei Systemen mit hohem solaren Deckungsanteil ist die Variante „Fassadenintegration“ besonders attraktiv, weil eine bessere Anpassung an den jahreszeitlichen Verlauf der Sonneneinstrahlung [Neigungswinkel] auf die Kollektoren über die Heizperiode möglich wird. Somit kommt es seltener zu Stillstandsbetrieb als bei Dachintegration von Kollektoren.

Bild 2.1?2 Entwicklung des Kollektormarktes in Deutschland von 1992 bis 2004 (vgl. BSI: 2005)

Das Bild 2.1-2 zeigt die Entwicklung des deutschen Kollektormarktes von 1992 bis zum Jahr 2004, dabei ist zu erkennen, dass seit der Einführung des Marktanreizprogramm zur Förderung Erneuerbarer Energien im Jahr 1999 der Absatz besonders gestiegen ist. Die Negativentwicklung im Jahr 2002 ist auf die Kürzung der Förderfestbeträge im Juli 2001 zurückzuführen. Trotzdem hat die Akzeptanz und das Interesse der Bürger an der Nutzung von Sonnenenergie zur TWW und HU hat in der letzten Jahren kontinuierlich zugenommen, 2005 wurde eine überproportionale Absatzentwicklung (vgl. Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft e.V. 2005) verzeichnet, bei gleichzeitiger Zunahme von größeren und somit leistungsfähigeren Solaranlagen.

Flachkollektor

Besonders die Leistungsfähigkeit von Flachkollektoren [FK] konnte in den letzten 25 Jahren gesteigert werden. So waren Anfang der achtziger Jahre die verwendeten Absorberbeschichtungen meist nicht selektiv. Die transparente Abdeckung bestand häufig aus Kunststoffmaterialien. Die heute üblichen Absorber für FK werden z.B. mit Schwarzchrom oder Schwarznickel beschichtet. Für die Abdeckungen werden Klarglas oder Antireflexglas verwendet. Neben Absorbern aus Kupferblech werden seit kurzem Aluminiumblechabsorber eingesetzt.

Der Flachkollektor besteht im Wesentlichen aus Kollektorgehäuse, Absorber, Wärmedämmung und transparenter Abdeckung. Grob betrachtet hat sich der Aufbau der Kollektoren in den letzten 20 Jahren kaum verändert, hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Fertigungsverfahren und Kollektorgröße wurden jedoch enorme Fortschritte erzielt. Der Markt für Flachkollektoren ist seit der Einführung stark gewachsen. Im Jahr 2003 waren in Deutschland ca. 260 verschiedene Modelle (vgl. Solarpraxis AG 2003) erhältlich. Die Güte dieser Vielzahl von Kollektoren ist sehr unterschiedlich, so variieren beispielsweise die optischen Wirkungsgradwerte zwischen 0,67 und 0,937. Zur Auswahl von Flachkollektoren werden neben dem Wirkungsgrad die nachfolgenden Qualitätskennwerte empfohlen.

? optischer Wirkungsgrad h_o > 0,8

? k_eff –Wert £ 3,5 W/(m² K); k_eff= c₁+ c₂ (t_m– t_a)[1]

? Erfahrungen, Bekanntheitsgrad der Anbieter bzw. Hersteller

FK besitzen gegenüber Vakuumröhrenkollektoren Vor- [+] und Nachteile [-]. Diese sind:

? besseres Preisleistungsverhältnis [+]

? thermische Belastung im Stillstandsfall ist geringer [+]

? FK ist für die Dach –und Fassadenintegration geeignet [+]

? FK hat einen geringeren Wirkungsgrad durch höhere c₁ -und c₂ – Werte [-]

? ist für die Erzeugung höherer Temperaturen eingeschränkt geeignet [-]

? FK hat bei gleicher Leistung einen höheren Flächenbedarf [-]

? der Transport auf das Dach ist aufwändiger [-]

Vakuumkollektor

Allen Vakuumkollektoren gemeinsam ist die Reduzierung der thermischen, in erster Linie konvektiven Verluste im Kollektor durch Erzeugung eines Vakuums. Die Strahlungsverluste werden durch das Vakuum nicht beeinflusst, wie bei FK werden diese durch Aufbringen von hochselektiven Beschichtungen wie PVD [Physical Vapor Deposition] oder CVD [Chemical Vapour Deposition] minimiert. Dies bringt eine weitere Leistungssteigerung gegen über FK. Vakuumkollektoren werden in unterschiedlichen Bauformen hergestellt. Das sind zum einen die direkt durchströmten Vakuumröhrenkollektoren und zum anderen Heatpipe- Vakuumröhrenkollektoren.

Vakuumröhrenkollektor:
Bei VRK wird der in der Glasröhre eingeschlossene Raum auf unter 10^-2 bar evakuiert. Dadurch werden die konvektiven Verluste begrenzt. Bei einem Unterdruck von 10^-6 bar werden auch die Verluste durch Wärmeleitung unterbunden. Die Strahlungsverluste lassen sich durch die Erzeugung eines Vakuums nicht reduzieren, da für den Transport von Strahlung kein Medium notwendig ist. Sie lassen sich aber wie auch bei FK durch Selektivbeschichtungen minimieren.

Bild 2.1?3 direkt durchströmter VKR (Vitosol 200 Viessmann)

VRK sind in den folgenden drei verschiedenen Typen auf dem Markt erhältlich, für genauere Beschreibung der Bauform siehe (Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie 2004).

? in evakuierter Glasröhre liegender Absorberstreifen

? Sydneykollektor mit außen liegendem Reflektor [CPC]

? Glas-in-Glas-Rohr mit innenliegendem Reflektor

Als eine Variante ist im Bild 2.1?3 der direkt durchströmter Vakuumröhrenkollektor im Schnitt dargestellt. Bei dieser Bauform wird der Wärmeträger über ein Koaxial-Wärmetauscherrohr bis zum Boden des Glaskolbens geführt. Dort fließt er im Gegenstrom zurück und nimmt dabei die Wärme vom hochselektiven Absorber auf.

Heatpipe-Vakuum-Röhrenkollektor:
Das Bild 2.1-4 zeigt den Schnitt eines Vakuum-Röhrenkollektor nach dem Heatpipeprinzip. Wie auch beim direkt durchströmten VRK wird ein hoch selektiv beschichteter Absorberstreifen in eine Vakuumröhre integriert. Der Absorberstreifen wird mit einer Heatpipe [Wärmerohr] metallisch wärmeleitend mit dem Absorber verbunden. Das Wärmerohr ist mit Alkohol oder Wasser im Unterdruck gefüllt, welches schon ab einer Temperatur von 25°C verdampft. Der so entstandene Dampf steigt zum oberen Ende des Wärmerohres auf und gibt dort durch Kondensation an einem Wärmetauscher die Wärme an die vorbeiströmende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Bei der Montage ist auf einen Mindestneigungswinkel von 25° zu achten, da sonst die Wärmeträgerflüssigkeit nicht zirkulieren kann.

Auswahlkriterien für VRK:

Im Jahr 2003 wurden bereits 66 verschiedene Vakuumröhrenkollektoren in Deutschland vertrieben. Die Wirkungsgrade bei diesen Typen variierten von 0,421 bis 0,813 (vgl. Solarpraxis AG 2003). Die anschließenden Gütekennwerte dienen als Kriterien zur Wahl von VRK.

? optischer Wirkungsgrad h_o > 0,6 bis 0,8

? k_eff –Wert £ 1,5 W/(m² K)

? Stagnationstemperatur:

· Heatpipe- Kollektoren 130 bis 150°C

· durchströmte Vakuumröhrenkollektoren

· ohne Reflektor 190 bis 270°C

· mit Reflektor 270 bis 350°C

Bild 2.1?4 Heatpipe – VKR (Vitosol 300 Viessmann)

Vor- [+] und Nacheile [-] von Vakuumröhren- gegenüber Flachkollektoren:

? VRK erreicht einen höheren Wirkungsgrad bei höheren Temperaturen zwischen Absorber und Umgebung [z.B. im Sommer] [+]

? haben einen geringeren Flächenbedarf bei gleichem Ertrag [+]

? erzielen einen höheren Wirkungsgrad bei niedrigeren Einstrahlungen [+]

? unterstützt die Heizung effektiver [+]

? erreichen höhere Temperaturen [+]

? lassen sich leichter zum Aufstellort transportieren [Röhren einzeln] [+]

? können als direkt durchströmte Röhre horizontal auf ein Flachdach montiert werden, [+]

? haben ein schlechteres Preis/Leistungsverhältnis [-]

? in der Regel nicht für die Innendachmontage einsetzbar [-]

? Horizontalmontage bei Heatpipe-Systeme nicht möglich [Neigung mind. 25°] [-]

? durch die hohen Stillstandstemperaturen bei Dachheizzentralen ohne besondere Maßnahmen zum Schutz des MAG[2] [Vorschaltgefäß, Kühler] nicht zu empfehlen [-]

Kollektorkreiskomponenten

Für den Betrieb einer solarthermische Anlage werden neben den Kollektoren weitere Komponenten notwendig. Die bedeutsamsten Komponenten werden an dieser Stelle erwähnt, jedoch nicht genauer beschrieben.

? Puffer- und Solarspeicher

? Externer Wärmetauscher

? Membranausdehnungsgefäß

? Sicherheitsventil und Sicherheitstemperaturbegrenzer

Allgemeine Kollektorbewertungskriterien

Kollektorwirkungsgrad:
Der Wirkungsgrad eines Kollektors wird als Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung [q_N] zu eingestrahlter Sonnenenergie [G] definiert. Je höher die Temperaturdifferenz. bei gleicher Einstrahlung [max. 1000 W/m²] zwischen Absorber und Außenluft ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad wird weiterhin durch die Bauart des Kollektors beeinflusst: Durch die optischen Verluste [h_o] und die thermischen Verluste [k_eff– Wert oder c₁ und c₂[3]]. Dabei ergibt sich Eta 0 aus dem Transmissionsgrad des Glases t [Tau] und dem Absorptionsgrad des Absorbers a.

Der thermische Wirkungsgrad wird aus der Temperaturdifferenz [DT] zwischen mittlerer Absorbertemperatur [t_m] und Umgebungslufttemperatur [t_a] bestimmt.

Die Wirkungsgrad- Kennliniengleichung [Gl. 2.1] für Kollektoren ist im Bild 2.1-5 beispielhaft dargestellt. Dabei wird die Abhängigkeit von der Einstrahlung und der Temperaturdifferenz zwischen Absorber und Außenluft gezeigt.

Die thermischen Verluste von Kollektoren nehmen bei höheren Temperaturen des Absorbers nicht mehr linear zur Temperaturdifferenz [DT] zu, sondern sie ändern sich quadratisch [c₂] auf Grund stärkerer Wärmeabstrahlung.

Bild 2.1?5 Wirkungsgradkennlinien der verschiedenen Kollektorarten und ihre
Einsatzbereiche [4] (vgl. DGS; 2004: 4-29)

Solarer Deckungsanteil und Systemnutzungsgrad:

Bei der Auslegung von Solaranlagen sind solarer Deckungsanteil [SD] und Systemnutzungsgrad [SN] entscheidende Größen, dieser wird aus dem Verhältnis von Wärmebedarf und Kollektorfläche bestimmt. Die Größen SD und SN verhalten sich divergent zu einander. Mit steigender Absorberfläche nimmt der SN ab und der SD zu, bei gleicher Speichergröße. Im Bild 2.1-6 ist dieser Zusammenhang grafisch dargestellt.

Der solare Deckungsanteil ist als Verhältnis von solarem Wärmeertrag zum Gesamtwärmebedarf definiert [vgl. Gl.2.2]. Je höher der SD ist, desto weniger fossile Energie muss für die Nachheizung aufgebracht werden. Bei Anlagen, die „nur“ zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden, sollte aus wirtschaftlicher Sicht [Mehrkosten] und zum Schutz der Anlage vor thermischen Belastungen [Stagnation im Sommer] auf eine Überdimensionierung verzichtet werden. Ein wirtschaftlich optimales System hat in den sonnenreichen Monaten [Deutschland: Mai bis August] einen SD- Anteil von 100% und erreicht somit im Jahresmittel 60%. Wird ein System auch für die solare Heizungsunterstützung ausgelegt, so kann dies nur mittels Vergrößerung der Kollektorfläche verwirklicht werden. Für diese Anwendung müssen Speicher [Kombi- oder Pufferspeicher] eingesetzt werden, die für eine thermischen Beladung bis 90°C geeignet sind.

Bild 2.1?6 Solarer Deckungsgrad und Systemnutzungsgrad in Abhängigkeit der
Absorberfläche (vgl: DGS; 2004: 5-18)

Der Systemnutzungsgrad beschreibt, wie effizient eine Solaranlage ist und wird als Verhältnis von solarem Wärmeertrag zur Globalstrahlung auf die Absorberfläche definiert. Der SN wird für einen bestimmten Zeitraum, i.d.R. für ein Jahr [vgl. Gl.2.3] ermittelt. Der SN kann bei bekannter Absorberfläche, bekannter Einstrahlung und gemessenem solarem Wärmeertrag bestimmt werden.

Die besten SN werden mit so genannten Vorwärmanlagen erzielt. Das sind Anlagen, die TWW auf Temperaturen von 35°C vorwärmen, wobei immer eine Nachheizung erforderlich wird. Typische SN für diese Anlagen mit kleiner dimensionierten Kollektorflächen [0,3m²/50l TWW 60°C] liegen im Bereich von SN= 55.