Bauteile einer Solaranlage

Kollektoren

Bei Solaranlagen für die Warmwasserbereitung und Raumheizung werden überwiegend verglaste Flachkollektoren (Abb. 5) oder Vakuumröhrenkollektoren (Abb. 6) verwendet. Erstere besitzen ein gut wärmegedämmtes Gehäuse mit transparenter Abdeckung des Absorbers, welches Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung reduziert. Mit diesem Kollektortyp können bei Temperaturen bis 50 °C Wirkungsgrade von etwa 60% erreicht werden. Das heißt 60% der auftreffenden Strahlungsenergie wird in nutzbare Wärme umgewandelt. Noch bessere Wirkungsgrade und höhere Temperaturen lassen sich mit Vakuumröhrenkollektoren erzielen. Bei ihnen befinden sich die einzelnen Absorberstreifen in nahezu gasfreien (evakuierten) Glasröhren. Dieses Vakuum ist eine ideale thermische Isolation, die Wärmeverluste durch Konvektion der Luft verhindert. Insbesondere bei der Heizungsunterstützung, aber auch zur Prozesswärmeerzeugung werden Vakuumröhrenkollektoren eingesetzt. Die aufwendigere Technik schlägt sich in höheren Investitionskosten für diese Kollektoren nieder. Als Absorbermaterialien benutzt man Metalle wie Kupfer oder Aluminium. Eine so genannte selektive Beschichtung der Absorber sorgt dafür, dass die Aufnahme von Strahlungsenergie erhöht wird und die Abstrahlung von Wärme minimiert. Eine weitere Steigerung der Energieausbeute erreicht man durch die Verwendung von Antireflexglas als Abdeckung. Haben bislang bei normalem Glas bestenfalls 90% des Lichts das Kollektorinnere erreicht, so sind es bei Antireflexglas über 95%.

Für die Erwärmung von Schwimmbeckenwasser in Freibädern eignen sich einfache, kostengünstige Absorbersysteme. Durch auf Dächern oder anderen Freiflächen ausgelegte schwarze Schläuche wird das Beckenwasser durch den Absorber gepumpt, dort aufgewärmt und läuft anschließend wieder in den Wasserkreislauf zurück.

Wärmespeicher

Da Wärme oft gerade dann benötigt wird, wenn die Sonne nicht scheint, muss ein Solarsystem mit einem gut gedämmten Speicher ausgerüstet sein. Wenn dieser Trinkwasser vorhalten soll, muss er darüber hinaus aus Edelstahl hergestellt oder geeignet beschichtet sein. Durch geschickte Be- und Entladung von schlanken, hohen Wärmespeichern kommt es zu einer Temperaturschichtung des Wassers. Aufgrund seiner geringeren Dichte steigt das warme Wasser in den oberen Teil des Speichers, während das kalte Wasser im unteren Bereich bleibt.

Die thermische Beladung des Speichers erfolgt über einen Wärmetauscher in das niedrigere Temperaturniveau. Da hier die Differenz zur Kollektortemperatur am größten ist, wird die Kollektorbetriebstemperatur besser abgesenkt. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Anlage aus, da kaltes Wasser mehr Wärme aufnehmen kann als warmes Wasser. Die Wärmeentnahme als Brauchwasserwärme oder Heizwärme erfolgt aus dem oberen, wärmeren Speicherbereich. Reicht die solar gewonnene Energie nicht aus, um diesen Entnahmebereich auf Solltemperatur zu bringen, so wird mit einer konventionellen Zusatzheizung nachgeheizt. Da im Bedarfsfall nur der Entnahmebereich im oberen Speicherteil und nicht das ganze Speichervolumen nachgeheizt werden muss, können so Energiekosten minimiert werden. Die Temperaturschichtung sollte daher beim Beladen und bei der Entnahme der Wärmefracht möglichst nicht zerstört werden. Die Verwirbelungen der Schichtung an der Kaltwasserzufuhr verhindert beispielsweise eine Prallplatte. Schichtladesysteme helfen bei der Optimierung der Temperaturschichtung. So leitet beim Beladen ein Wärmeleitrohr das solar erwärmte Wasser in passende Temperaturschichten. Auch ein sehr niedriger Durchfluss im Solarkreis (Low-Flow) kann der Verwirbelung der Schichtung entgegenwirken.