Solarthermische Kollektoren (auch Solarkollektoren genannt) sind Geräte, die dazu dienen, die Energie der Sonne einzufangen und in Nutzwärme umzuwandeln. Diese Technologie ist für Anwendungen, die Warmwasserbereitung, Raumheizung oder industrielle Prozesse erfordern, von entscheidender Bedeutung.
Im Vergleich zu Photovoltaikmodulen, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln, sind Solarthermiekollektoren auf die Erzeugung von Wärme spezialisiert. Ihre Wirksamkeit und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten haben sie zu einer beliebten Wahl für die Verbesserung der Energieeffizienz und die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen gemacht.
Es gibt viele Arten von Solarthermieanlagen, je nachdem, für welchen Zweck sie konzipiert sind. Einige häufige Verwendungszwecke von Solarkollektoren sind:
- Heizsysteme.
- Erhitzen des Poolwassers.
- Warmwasser (DHW)
- Stromproduktion in großen solarthermischen Kraftwerken.
Funktionsprinzip
Solarthermische Kollektoren arbeiten nach dem Prinzip der Absorption von Sonnenenergie. Obwohl es verschiedene Arten von Solarkollektoren gibt, wie wir später sehen werden, ist das Funktionsprinzip bei allen ähnlich.
Zunächst trifft die Sonnenstrahlung auf eine absorbierende Oberfläche, die die Strahlungsenergie in Wärmeenergie umwandelt. Diese Wärmeenergie wird auf eine Übertragungsflüssigkeit (normalerweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel) übertragen, die durch den Kollektor zirkuliert.
Abschließend wird das heiße Fluid dann je nach Einsatzzweck unterschiedlich genutzt oder für den späteren Einsatz gelagert.
Arten von Solarthermiekollektoren
Es gibt viele Arten von Solarkollektoren. Welcher Solarkollektor verwendet wird, hängt vom Verwendungszweck ab. Derzeit können wir auf dem Solarenergiemarkt die folgenden Arten von Solarkollektoren unterscheiden:
Flache Solarkollektoren (Flachplatte)
Flache Solarkollektoren sind der gebräuchlichste Typ und werden hauptsächlich zur Erwärmung von Wasser für den Hausgebrauch, Schwimmbäder und industrielle Anwendungen verwendet.
Dieser Kollektortyp fängt die auf einer Oberfläche empfangene Sonnenstrahlung ein, um eine Flüssigkeit zu erhitzen. Der Treibhauseffekt wird häufig genutzt, um Wärmeverluste zu reduzieren.
Der Röhrensatz ist im oberen Teil von einer Abdeckung, die normalerweise aus Doppelglas besteht, und im unteren Teil von einem Isoliermaterial umgeben.
Haupteigenschaften
- Einfaches Design: Der Aufbau flacher Solarkollektoren ist relativ einfach, was zu ihren geringen Kosten im Vergleich zu anderen Kollektortypen beiträgt.
- Effizienz in gemäßigten Klimazonen: Sie sind in heißen und gemäßigten Klimazonen effizienter, wo die Wärmeverluste geringer sind. In kalten Klimazonen können sie mehr Wärme verlieren, was ihre Effizienz verringern kann.
- Häufige Anwendungen: Wird häufig in Warmwasserbereitungssystemen für Privathaushalte und Schwimmbäder sowie in gewerblichen und industriellen Anwendungen verwendet.
Betrieb eines Flachkollektors
Bei einem flachen Solarkollektor ist die Absorberplatte der Sonne ausgesetzt und erwärmt sich durch Absorption der Sonnenstrahlung. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit, die durch Rohre auf der Rückseite der Platte zirkuliert, nimmt Wärme von der Platte auf.
Die heiße Flüssigkeit wird zum Speichersystem transportiert, sodass sie bei Bedarf zum Erhitzen von Wasser oder Luft verwendet werden kann.
Vakuumröhrenkollektoren
Ein Vakuumröhren-Solarkollektor ähnelt einem Flachplatten-Solarkollektor, jedoch sind die Metallröhren durch Glasröhren ersetzt. Diese Glasröhren werden einzeln in einer weiteren Glasröhre eingekapselt, zwischen denen ein Vakuum als Isolierung entsteht. Jedes Rohr enthält ein internes Absorptionsrohr, das mit der Wärmeübertragungsflüssigkeit in Kontakt steht.
Diese Arten von thermischen Solarmodulen haben eine höhere Leistung, sind aber auch teurer.
Haupteigenschaften
- Hoher Wirkungsgrad: Vakuumröhrenkollektoren sind insbesondere bei kaltem und bewölktem Wetter effizienter als Flachkollektoren. Das Vakuum zwischen den Glasröhren sorgt für eine hervorragende Wärmedämmung und reduziert Wärmeverluste.
- Höhere Leistung bei widrigen Wetterbedingungen: Das Design ermöglicht die Aufrechterhaltung einer hohen Effizienz auch an kalten und bewölkten Tagen, da das Vakuum zwischen den Röhren als Barriere gegen Wärmeverlust fungiert.
- Spezialanwendungen: Sie werden in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Leistung bei widrigen Wetterbedingungen erfordern, wie zum Beispiel bei der Warmwasserbereitung in kalten Regionen oder für Industrieprozesse, die erhöhte Temperaturen erfordern.
Betrieb eines Vakuumröhrenkollektors
Bei Vakuumröhrenkollektoren trifft die Sonnenstrahlung auf die Glasröhren und erhitzt das innere Absorberrohr. Die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert im Absorberrohr, wo sie Wärme sammelt und zum Speichersystem transportiert.
Das Besondere an ihnen ist, dass das Vakuum zwischen den Glasröhren die Wärmeverluste an die Umgebung minimiert und somit effizienter ist.
Luftkollektoren
Luftkollektoren sind eine weniger verbreitete Art von solarthermischen Kollektoren, die Luft anstelle von Wasser erhitzen. Diese Kollektoren sind für Raumheizungs- und Trocknungsanwendungen für landwirtschaftliche Produkte konzipiert.
Haupteigenschaften
- Einfache Bauweise: Luftkollektoren sind in der Regel einfacher im Aufbau als die oben genannten Wasserkollektoren, da sie kein Wärmeübertragungsrohrsystem benötigen.
- Einsatz in der Raumheizung: Sie eignen sich zur Beheizung von Räumen, wie Gewächshäusern oder Gebäuden, aber auch für Trocknungsprozesse, bei denen Warmluft benötigt wird.
- Geringere Kosten: Aufgrund ihres einfacheren Designs und ihrer geringeren Komplexität sind sie im Allgemeinen kostengünstiger als herkömmliche Wasserkollektoren.
Funktion
In einem Luftkollektor erwärmt die Sonneneinstrahlung die Luft, die durch den Kollektor zirkuliert. Die heiße Luft wird gesammelt und zum Heizen eines Raumes oder für industrielle Anwendungen verwendet. Bei diesen Kollektoren handelt es sich in der Regel um Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren, die jedoch speziell für den Luftstrom anstelle von Flüssigkeitsströmen ausgelegt sind.
Hybridkollektoren (photovoltaisch-thermisch oder PVT)
Hybridkollektoren kombinieren Photovoltaik- und thermische Solartechnologien und ermöglichen so die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme. Diese Systeme sollen die Gesamteffizienz der Solarenergiegewinnung verbessern, indem sie beide Energiearten nutzen.
Allgemeine Charakteristiken
- Duale Stromerzeugung: PVT-Kollektoren erzeugen sowohl Strom als auch Wärme, was im Hinblick auf Platz- und Ressourcennutzung effizienter sein kann.
- Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Sie eignen sich für private und gewerbliche Zwecke, bei denen sowohl Wärme als auch Stromerzeugung erforderlich sind, beispielsweise in Warmwasserbereitungssystemen und bei der Energieerzeugung für Privathaushalte.
- Kosten und Komplexität: Im Vergleich zu einzelnen Solarthermie- oder Photovoltaikkollektoren sind die Anschaffungskosten höher und die Komplexität höher.
Funktion
Hybridkollektoren kombinieren Photovoltaikmodule mit einer absorbierenden Platte zur Wärmeerzeugung. Die Sonnenstrahlung wird durch Photovoltaikzellen in Strom und durch die absorbierende Platte in Wärme umgewandelt.
Einerseits wird die erzeugte Wärme in ein Speichersystem übertragen, während der Strom direkt genutzt oder in Batterien gespeichert werden kann.
Konzentrierende Solarkollektoren
Dieser Kollektortyp fängt die auf einer relativ großen Fläche empfangene Strahlung ein und konzentriert sie mithilfe von Flachspiegeln auf einer kleineren Fläche.
Obwohl konzentrierende Kollektoren im Vergleich zu Flach- und Vakuumröhrenkollektoren andere Eigenschaften und Anwendungen haben, handelt es sich dennoch um eine Form der Solarthermiekollektoren, da sie alle das gemeinsame Ziel haben, Sonnenenergie in Wärme umzuwandeln.
Normalerweise werden solche Solarkollektoren verwendet, um Wasserdampf unter sehr hohem Druck zu erzeugen und elektrische Energie wie in einem herkömmlichen Wärmekraftwerk zu erzeugen .
Es gibt verschiedene Arten von Solarkonzentratoren, die wir im Folgenden beschreiben:
Zylindrische Parabolkollektoren
Zylindrische Parabolkollektoren verwenden zylindrische paraboloidförmige Spiegel, um das Sonnenlicht auf ein Empfangsrohr zu konzentrieren, das sich entlang der Spiegelachse befindet. Das reflektierte Sonnenlicht erhitzt eine Thermoflüssigkeit im Inneren der Röhre, die dann zur Dampferzeugung und Stromerzeugung in einem Solarkraftwerk genutzt wird.
Dieser Kollektortyp wandelt Sonnenenergie hocheffizient in Wärme um und wird in industriellen Anwendungen und großen Stromerzeugungsanlagen eingesetzt.
Zentrale Turmsammler
Zentrale Turmkollektoren bestehen aus einem Turm, der von einem Feld aus Spiegeln (Heliostaten) umgeben ist, die der Bewegung der Sonne folgen und das Sonnenlicht zu einem Empfänger an der Spitze des Turms reflektieren. Der Empfänger fängt das konzentrierte Licht ein und wandelt es in Wärme um, die zur Dampferzeugung und Stromerzeugung genutzt werden kann.
Dieser Kollektortyp ist ideal für große Solarkraftwerke, da er extrem hohe Temperaturen erreichen kann und eine hohe Effizienz bei der Stromerzeugung bietet.
Lineare Fresnel-Konzentratoren
Lineare Fresnel-Konzentratoren verwenden eine Reihe flacher oder leicht gebogener Spiegel, um das Sonnenlicht auf einen festen linearen Empfänger zu konzentrieren. Durch die Konzentration des Lichts wird eine Thermoflüssigkeit erhitzt, die im Receiver zirkuliert, und diese Wärme wird zur Erzeugung von Dampf oder Strom genutzt.
Diese Kollektoren sind wirtschaftlicher als zylindrische Parabolkollektoren und eignen sich für mittelgroße Anwendungen, da sie in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung ein gutes Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz bieten.
Vor- und Nachteile thermischer Solarkollektoren
Vorteile
- Reduzierte Energiekosten: Solarthermische Kollektoren können die Energiekosten erheblich senken, indem sie die kostenlose Sonnenenergie nutzen.
- Umweltverträglichkeit: Sie tragen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen und zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen bei.
- Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Sie sind vielseitig einsetzbar und können in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden, von der häuslichen Beheizung bis hin zu industriellen Prozessen.
- Geringer Wartungsaufwand: Sie sind im Allgemeinen wartungsarm und haben eine lange Lebensdauer.
Nachteile
- Anschaffungskosten: Die Anschaffungskosten für die Installation von Solarthermiekollektoren können hoch sein, obwohl sie sich im Laufe der Zeit oft durch Einsparungen bei den Energiekosten amortisieren.
- Klimaabhängigkeit: Die Effizienz solarthermischer Kollektoren hängt von der Verfügbarkeit des Sonnenlichts ab, was ihre Wirksamkeit in bewölkten Regionen oder im Winter einschränken kann.
- Platzbedarf: Solarthermische Kollektorsysteme benötigen für die Installation eine ausreichende Fläche, was in Gebieten mit begrenztem Platzangebot eine Einschränkung darstellen kann.
- Wärmespeicherung: Ein Speichersystem ist erforderlich, um Wärme zu nutzen, wenn keine Sonne scheint, was die Kosten und die Komplexität des Systems erhöhen kann.
Energieeinsparungen
Der Einsatz von Solarthermiekollektoren in einem normalen Haus kann im Vergleich zu einem Haus, in dem sie nicht genutzt werden, zu erheblichen Energieeinsparungen führen. Durch die Nutzung der Sonnenenergie zur Wassererwärmung würden solarthermische Kollektoren den Bedarf an herkömmlichen Warmwasserbereitungssystemen, die normalerweise auf Strom oder fossile Brennstoffe angewiesen sind, deutlich reduzieren.
Eine Studie der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) zeigt, dass solarthermische Kollektorsysteme je nach geografischer Lage und Effizienz des Systems zwischen 50 % und 80 % des Warmwasserbedarfs in einem typischen Haushalt decken können.
Andererseits können Solarthermiesysteme nach Angaben der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA die Kosten für die Warmwasserbereitung um 50 bis 70 % senken. In Europa könnte ein typischer Haushalt etwa 200 bis 280 Euro pro Jahr einsparen, wenn er durchschnittlich 400 Euro pro Jahr für die Warmwasserbereitung ausgibt.
Aus all diesen Gründen wird geschätzt, dass sich die Anfangsinvestition in solarthermische Kollektorsysteme dank der kumulierten Energieeinsparungen in einem Zeitraum von 5 bis 10 Jahren amortisieren kann, abhängig von lokalen Anreizen und den Kosten herkömmlicher Brennstoffe.
Zukunft und Entwicklung
Die Solarthermie-Kollektortechnologie entwickelt sich ständig weiter, mit Fortschritten bei Materialien, Design und Effizienz.
Derzeit konzentriert sich die Forschung auf die Verbesserung der Effizienz solarthermischer Kollektoren durch neue absorbierende Materialien und Isolationstechniken.
Andererseits erfreuen sich Hybridsysteme, die Photovoltaik- und Wärmetechnologien kombinieren, immer größerer Beliebtheit und bieten eine höhere Effizienz und Vielseitigkeit.
Auf der Kostenseite können die Reduzierung der Herstellungskosten und die Einführung neuer Technologien dazu führen, dass Solarthermiekollektoren für ein breiteres Anwendungsspektrum zugänglicher werden.