Techniklexikon

Sonnenkollektor

Energietechnik, regenerierbare Energiequellen, Vorrichtung zur Umwandlung von (direktem oder diffusem) Sonnenlicht in Wärme. Das Prinzip besteht in der Aufheizung eines Absorbermediums und der anschliessenden Wärmeabführung an einen Verbraucher durch ein gasförmiges oder flüssiges Trägermedium. Eine gängige technische Ausführung stellen sog. Flachkollektoren dar, bei denen zur Verringerung der thermischen Abstrahlung der Absorber mit einer optisch durchsichtigen, jedoch im infraroten Spektralbereich undurchlässigen (opaken) Abdeckung versehen wird, typischerweise einer Glasscheibe. Der restliche Raumwinkel wird mit einer optisch opaken Isolation (Steinwolle, Polyurethan o.ä.) ausgestattet. Der Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors ist durch das Verhältnis der thermischen Nutzleistung und der gesamten absorbierten Leistung gegeben; seine Optimierung muss bei der Verringerung der thermischen Verluste ansetzen. Ein Ansatz besteht in der Ausführung der transparenten Abdeckung als Mehrschichtsystem, wodurch ein Teil der von der Abdeckung abgestrahlten Wärmemenge zurückgehalten werden kann. Praktisch ist dieses Verfahren auf die Verwendung einiger weniger Abdeckplatten begrenzt, da die optische Transmission als Folge der Mehrfachreflexionen als Funktion der Anzahl der Platten stark abnimmt. Das Verfahren kann verbessert werden durch die Evakuierung der Zwischenräume zwischen den Abdeckplatten, was zu einer Reduktion der konvektiven Verluste führt. Eine technisch relativ anspruchsvolle Lösung stellen sog. Vakuumröhrenkollektoren dar, bei denen sich Absorberstreifen in allseitig transparenten, evakuierten Glasröhren befinden. Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung selektiver Absorberschichten, die im optischen Spektralbereich transparent, im infraroten Spektralbereich (entsprechend Absorbertemperaturen von ca. 100 °C) jedoch undurchlässig sind.

Zur praktischen Charakterisierung von Sonnenkollektoren verwendet man das Konzept des Jahreswirkungsgrades, der sich aus der gewichteten Mittelwertbildung der Wirkungsgrade bezüglich der einzelnen Monate bzw. der Einstrahlung ergibt. Mit der zur Zeit verfügbaren Technologie lassen sich bereits gute Jahreswirkungsgrade erzielen.

Sonnenkollektor 1: Darstellung eines thermischen Flachkollektors zusammen mit der Angabe der wichtigsten Verlustmechanismen.

Sonnenkollektor 2: Abhängigkeit des Wirkungsgrades zweier Kollektorsysteme in Abhängigkeit vom reduzierten Parameter DT / G (DT: Differenz zwischen Absorber- und Umgebungstemperatur, G: globale solare Einstrahlung in W/m²).