Solarkollektoren und Photovoltaikanlagen

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Ein Sonnenkollektor oder auch Solarkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus der Sonnenstrahlung. Ein Sonnenkollektor "sammelt" und absorbiert die im Sonnenlicht enthaltene Energie, wobei im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen nahezu das gesamte Strahlungsspektrum des Sonnenlichtes mit hohem Wirkungsgrad ausgenutzt wird. Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante). Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der Lichtenergie der Sonne in Wärme umwandelt und diese an ein ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert (z.B. über Wärmeübertrager) oder direkt als Prozesswärme verwendet. Um die unvermeidlichen Wärmeverluste zu reduzieren, ist eine gute Wärmedämmung (fälschlicherweise oft als Isolierung bezeichnet) des Absorbers gegenüber der Umgebung notwendig. Nach der Dämmtechnik unterscheidet man Flachkollektoren, die herkömmliches Dämmmaterial verwenden; Vakuumröhrenkollektoren, die die Dämmung durch ein Vakuum erreichen, aber teurer in der Anschaffung sind; Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich gedämmt. Die einfachste Bauart ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genutzt wird. Sogar in Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch im Sommer Wassertemperaturen von über 60° erreichen. Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, und wurde bis ca. 2002 meist zur Warmwasserbereitung genutzt, zunehmend findet auch eine Verwendung der Energie in der Raumheizung statt. In Verbindung mit einem Niedrigenergiehaus und einem Saisonwärmespeicher kann die Raumheizung sogar vollständig mittels Solarkollektoren erfolgen. Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten: im Kollektor wird Wasser erwärmt und steigt nach oben, beim Abkühlen sinkt es wieder nach unten. Umgekehrt wie bei der dasselbe Prinzip nutzenden Schwerkraftheizung muss sich der Speicher daher oberhalb der Sonnenkollektoren befinden. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar. Solche Anlagen sind vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden. Die Thermosiphonanlage ist nicht zu verwechseln mit dem Thermosiphonspeicher, bei dem das Thermosiphon-Prinzip genutzt wird, um einen Warmwasserspeicher mit optimaler Temperaturschichtung solar zu beladen. Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird nahezu der gesamte Spektralbereich des Lichtes absorbiert. Die dabei freiwerdende Wärme soll nicht verloren gehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Die konvektive Wärmeabgabe nach vorn wird durch eine oder zwei Glasscheiben verringert. Bei Vakuumkollektoren ist sie ganz unterbunden. Wärme, die aufgrund der Eigentemperatur des Absorbers von diesem durch Emission wieder abgestrahlt wird, kann größtenteils ebenfalls durch die Glasscheibe zurückgehalten werden, da Glas für die höhere Wellenlänge nicht transparent ist (wellenlängenselektive Transparenz). Sie ist somit im Kollektor gefangen - das Strahlungsgleichgewicht führt zu einer höheren Temperatur als ohne Scheibe. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird. Der Absorber kann insbesondere bei Vakuumkollektoren eine wellenlängenselektive Absorption aufweisen, sodass einerseits eine hohe Absorption für Sonnenlicht besteht und andererseits im Nahen Infrarot ein geringer Emissionsgrad vorliegt und dafür sorgt, dass weniger Wärmestrahlung emittiert wird. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Sie transportiert die Wärmeleistung zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom zu erwärmenden Wasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet. Dem in sich geschlossenen Solarkreislauf, auch als Primärkreislauf bezeichnet, wird dabei ein Stoff beigemengt, der den Gefrierpunkt herabsetzt – oft ein Propylenglykol. Die Wärme wird dann über einen Wärmeübertrager auf das Wasser übertragen.

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