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Damit ein Sonnenkollektor auch bei höheren Temperaturdifferenzen funktioniert und nicht nur bei sommerlicher Hitze - wie die offenen Absorber der Schwimmbad-Kollektoren - , muß man die Wärmeverluste verringern, die der Absorber durch Konvektion und Rückstrahlung erleidet. Dies geschieht, indem man den Absorber in eine Art Vitrine einschließt. Das Ergebnis ist der Flachkollektor, bei dem der Absorber, durch den das Wasser zirkuliert, von einer Glasscheibe abdeckt wird - ähnlich wie die Salatpflanzen eines Frühbeets. Durch das Glas kann die Sonnenstrahlung den Absorber mit dem darin zirkulierenden Wasser ohne größere Verluste erreichen. Die Wärmeverluste durch Konvektion werden jedoch stark verringert, da die Luft den Absorber nicht mehr frei umströmen kann. Die Glasabdeckung reduziert auch die Rückstrahlung des Absorbers, da diese langwelliger ist als die Einstrahlung und deshalb vom Glas in der umgekehrten Richtung nicht so leicht durchgelassen wird. Natürlich wird der Flachkollektor auch auf der Rückseite durch eine gute Wärmedämmung gegen Abstrahlverluste geschützt.
Die Wärmeverluste des Flachkollektors lassen sich weiter verringern, wenn man an der Frontseite eine zweite oder gar eine dritte Glasscheibe anbringt. Allerdings verringern sich dadurch auch die Lichtdurchlässigkeit und der solare Strahlungsgewinn am Absorber. Eine doppelte Verglasung bewirkt also nicht unbedingt eine Verbesserung des Wirkungsgrads.
Vorteilhafter ist eine sogenannte transparente Wärmedämmung: Sie besteht aus wabenförmigen Kunststoffröhrchen, die das Sonnenlicht durch Mehrfachreflexionen auf den Absorber lenken. Zugleich schützt dieses transparente Material den Kollektor vor Wärmeverlusten. Allerdings kann es bei sehr hohen Temperaturen schmelzen, weshalb es in der Praxis nur für die Dämmung von Speicherkollektoren verwendet wird.
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Im Vakuum-Röhrenkollektor verdampft eine Flüssigkeit, steigt in den Röhren hoch und kondensiert am außen anliegenden Rohr des Wasserkreislaufs. |
Am leistungsfähigsten sind Vakuum-Röhrenkollektoren: Hier befindet sich der Absorber in einer luftleeren Glasröhre, so daß er keine Verluste durch Konvektion bzw. Abgabe von Wärme an die Luftmoleküle erleidet. Der Absorber ist mit einem Wärmeträgerrohr verbunden, in dem Methanol oder eine andere geeignete Flüssigkeit verdampft. Dieser Dampf steigt in dem Rohr hoch und kondensiert an einem außen anliegenden Rohr, das von dem zu erwärmenden Wasser durchflossen wird. Bei dieser Bauart muß die Röhre einen Mindestaufstellwinkel (z.B. 30°) haben. Bei einer anderen Bauart wird das Wasser, das erwärmt werden soll, direkt durch die Röhre gepumpt. Diese Röhrenkollektoren können in jeder beliebigen Lage montiert werden.
Bei Vakuum-Röhrenkollektoren können die einzelnen Röhren können so gedreht werden, daß ihre Absorberfläche optimal von der Sonne bestrahlt wird. Sie eignen sich deshalb besser als Flachkollektoren zur Anbringung auf solchen Dächern, die mehr oder weniger stark von der Südlage abweichen. Bei gleicher Leistung beanspruchen sie etwa ein Drittel weniger Fläche und erreichen besonders hohe Warmwassertemperaturen bis zu rund 110°C. Allerdings sind sie um einiges teuer als Flachkollektoren.
Auch beim normalen Flachkollektor verbessert sich der Wirkungsgrad, wenn man ihn abdichtet und die Luft aus dem Innern das Glaskastens absaugt. Allerdings ist das in der Praxis mit Problemen verbunden, weil unter dem Luftdruck normalerweise die Frontscheibe zerbrechen würde. Damit ein solcher Vakuumflachkollektor dem Luftdruck standhalten kann, muß seine Frontscheibe durch viele kleine Stäbchen abgestützt werden, welche die wirksame Absorberfläche vermindern und bei schrägem Lichteinfall den Absorber verschatten können. Der Unterdruck ist auch nicht konstant, wie beim Vakuum-Röhrenkollektor, sondern muß regelmäßig mit einer Pumpe erneuert werden. Ferner ist er geringer, was die Dämmwirkung entsprechend vermindert. Aus allen diesen Gründen spielen Vakuum-Flachkollektoren in der Praxis so gut wie keine Rolle.
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Beim umweltfreundlichen Tinox-Verfahren wird die selektive Beschichtung auf dünne Kupferbänder (links) aufgedampft. Der so entstehende bläuliche Absorber (rechts) erreicht einen Absorptionsgrad von 95 Prozent. |
Durch eine gute Dämmung oder die Vakuum-Technik läßt sich zwar verhindern, daß der Absorber seine Wärme durch "Konvektion" an die ihn umgebende Luft verliert. Die beste Wärmedämmung ändert aber nichts an den Verlusten, die der Absorber durch Abstrahlung erleidet. Um hier Abhilfe zu schaffen, werden die Absorber durch eine "selektive" Beschichtung für die Einstrahlung der Sonne möglichst sensibel und für die Abstrahlung der damit erzeugten Wärme möglichst ungeeignet macht. Die selektive Beschichtung der Absorber gehört inzwischen zum Standard. Mitunter wird auch zusätzlich die Glasabdeckung des Kollektors selektiv beschichtet, damit möglichst wenig von der Wärme, die der Absorber erzeugt, per Strahlung verlorengehen kann.
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Die Dachdurchführung eines Primärkreislaufs. |
Da Wasser bei null Grad Celsius gefriert, würden die einkreisigen Anlagen südlicher Länder, bei denen das Brauchwasser direkt durch den Sonnenkollektor erwärmt wird, bei uns im Winter schnell unbrauchbar und beschädigt werden. Einen Ausweg bieten zweikreisige Anlagen: Durch den Kollektor und andere kälteempfindliche Teile der Anlage zirkuliert dabei ein frostsicheres Wasser-Glykol-Gemisch, das die im Kollektor aufgenommene Energie über einen Wärmeaustauscher an den Brauchwasser-Kreis abgibt. In unseren Breiten sind alle Flachkollektoren zweikreisig. Auch die Thermosiphon-Technik läßt sich so bei uns einsetzen. Voraussetzung ist allerdings, daß unter dem Dach genügend Platz vorhanden ist, um den Speicher bzw. Wärmeaustauscher höher als den Kollektor anbringen zu können. Andernfalls funktioniert der natürliche Kreislauf des erwärmten Wassers nicht und es muß eine Pumpe mit Regelsystem für die Zirkulation sorgen.
Frostsicherheit bieten auch einkreisige Speicherkollektoren, bei denen zwar das Trinkwasser direkt durch den Sonnenkollektor erwärmt und dort auch gespeichert wird, das ganze System aber samt der Zuleitungen so gut gegen Kälte gedämmt ist, daß es ebenfalls nicht einfrieren kann. Für die Abdeckung der Frontseite wird meistens die schon erwähnte transparente Wärmedämmung verwendet. Auch bei Speicherkollektoren sind Umwälzpumpen und Regelsysteme nicht erforderlich, weil das erwärmte Wasser auf natürliche Weise vom Kaltwasser-Einlauf im unteren Teil des Behälters nach oben zum Warmwasser-Ventil steigt und dort abgezapft werden kann. Die verbrauchte Menge wird durch nachfließendes Kaltwasser ersetzt.