Solarthermie

 


 

Die Strahlung der Sonne kann in Wärme umgewandelt werden. Anlagen, die Wärme erzeugen bezeichnet man als thermische Solaranlagen. Sie bestehen prinzipiell aus folgenden Elementen:
- dem Kollektorfeld
- dem/den Wärmespeicher(n)
- dem Solarkreis (geschlossener Rohrkreis zw. Kollektoren und Speicher)
- der Regelung

Sonnenkollektoren absorbieren solare Strahlung und wandeln sie in Wärme um. Sie geben die Wärme danach an ein Wärmeträgermedium ab, welches  über ein Rohrsystem zu dem Solarspeicher gepumpt wird und  dort das Wasser im Speicher erwärmt, Anschließend strömt es abgekühlt zu den Kollektoren zurück. Solange nutzbare Wärme in den Kollektoren zur Verfügung steht, hält ein Regler die Pumpe in Betrieb. Im Winter heizt ein Kessel die fehlende Wärme nach. Derartige Anlagen können verhältnismäßig einfach in vorhandene Warmwassersysteme und Heizungsanlagen eingebunden werden. 


Schema: DGS Solar



Der Kollektor ist das Bindeglied zwischen dem Sonnenenergienutzer und der Sonneneinstrahlung. Es gibt unterschiedliche Arten und Bauformen für unterschiedlichste Anwendungsgebiete mit spezifischen Kosten und Leistungen. Übliche Bauformen sind zur Zeit:
Vakuumröhrenkollektoren
Zur Verringerung der thermischen Verluste in einem Kollektor werden Glaszylinder mit innen liegenden Absorberstreifen wie Thermoskannen evakuiert. Dadurch werden Wärmeverluste durch Konvektion und Wärmeleitung verringert. Die Strahlungsverluste lassen sich durch Erzeugen eines Vakuums nicht reduzieren, da für den Transport von Strahlung kein Medium notwendig ist. Sie werden, wie auch beim Flachkollektor, durch selektive Absorberschichten niedrig gehalten. Die Wärmeverluste an die Umgebungsluft sind damit sehr stark reduziert. Auch bei einer Absorbertemperatur von 1200C und mehr bleibt das Glasrohr außen kalt.
Ein Vakuumröhrenkollektor besteht aus einer Anzahl miteinander verschalteter Röhren, die am Kopf durch einen Verteiler- bzw. Sammlerkasten verbunden sind. Darin verlaufen gedämmte Vor- bzw. Rücklaufleitungen. Wir unterscheiden direkt durchströmte und Heat-pipe­Vakuumröhrenkollektoren.
Flachkollektoren
Marktgängige Flachkollektoren bestehen aus einem Metallabsorber in einem flachen, rechteckigen Gehäuse, welcher zur Rückseite und zu den schmalen Seiten Wärme gedämmt wird und an der Vorderseite, welche der Sonne zugewandt ist, mit einer transparenten Abdeckung (Spezialglas) versehen ist. Zwei Rohranschlüsse für den Zu- und Abfluss des Wärmeträgermediums führen meist seitlich aus dem Kollektor. Das Kernstück eines Flachkollektors bildet der Absorber. Er besteht aus einem gut Wärme leitenden Metallblech (z. B. aus Kupfer oder Aluminium) mit einer bläulichen (selektiven), gut Wärme leitenden Beschichtung (Tinox, Sanselect) und aus mit ihm leitend verbundenen Kupferrohren. Trifft Solarstrahlung auf den Absorber, wird sie überwiegend absorbiert und teilweise reflektiert. Durch die Absorption entsteht Wärme, die im Blech an die Kupferrohre geleitet wird. Durch diese strömt die Wärmeträgerflüssigkeit, welche die Wärme aufnimmt und zum Speicher transportiert.
Schwimmbadabsorber
Diese  Kollektoren bestehen aus witterungs- und UV­ beständigem Kunststoff ohne Gehäuse, Wärmedämmung und Glasscheibe und werden für die preiswerte Wassererwärmung in  Schwimmbädern eingesetzt.
Montage

Kollektoren können als Schrägdachmontage, Flachdachmontage und Fassadenmontage ausgeführt werden, je nach spezifischen örtlichen Gegebenheiten und Anforderungen.
Wärmespeicher
Die solar erzeugte Wärme muss gespeichert werden, da das Energieangebot der Sonne nicht beeinflussbar ist und selten mit den  Wärmebedarfszeiten übereinstimmt. Es wird derzeit zwischen Trinkwasserspeichern zur direkten Erwärmung von Trinkwasser und Kombispeichern zur Erwärmung von Trinkwasser oder zur Unterstützung der Heizung unterschieden.
Trinkwasserspeicher:
Dies sind mit Trinkwasser gefüllte Stahlspeicher (Druckspeicher) mit zwei Wärmetauschern. An dem unteren Wärmetauscher wird der Solarkreis, an dem oberen die Nachheizung durch den Heizkessel angeschlossen.
Kombispeicher:
Kombispeichern werden in zwei Arten unterteilt:
Pufferspeicher sind mit Heizungswasser gefüllte Stahlspeicher (Druckspeicher) oder drucklose Kunststoffspeicher. Die in ihnen bevorratete Wärme kann wahlweise ins Heizungssystem eingespeist oder über einen Wärmetauscher an das Trinkwasser übertragen werden. Ein Tank-in-Tank-Speicher stellt eine Kombination aus Puffer- und Trinkwasserspeicher dar. In einen Pufferspeicher ist im oberen, warmen Bereich ein kleinerer Trinkwasserspeicher eingebaut, dessen Oberfläche als Wärmetauscher fungiert. Er eignet sich für den Einsatz in Solaranlagen zur Warmwasserbereitung  mit oder ohne Heizungsunterstützung.
Schichtenspeicher:
Wenn heißes Wasser sofort nutzbar sein soll, ohne dass zuvor der komplette Speicher erwärmt werden muss, benötigt man für die Beladung von Speichern über 300 Liter besondere Speicherladesysteme. Eine selbst regelnde Ladevorrichtung sorgt hierbei für eine in der Höhe veränderliche Einleitung des erwärmten Wassers. Diese erfolgt immer in der Höhe, in der die Temperatur des zufließenden Wassers der Speichertemperatur in dieser Schicht entspricht. Dadurch wird eine gute Temperaturschichtung innerhalb des Speichers und ein schnelles Erreichen der Nutztemperatur im oberen Speicherbereich erreicht. Aber auch eine Beladung in verschiedenen Ebenen mit einer Steuerung über Ventile wird angeboten. Schichtenspeicher gibt es als Trinkwasser- oder als Pufferspeicher.
Bauliche Voraussetzungen:

- Möglichst verschattungsfreier Standort
- Dach-/ Wandausrichtung von Ost bis West, ein geneigtes Süddach ist optimal
- Die Neigung eines Süddaches von 20° bis 60° bietet einen optimalen Energieertrag, aber auch andere  Dachneigungen bis zu Fassaden sind möglich.
- Bei freistehenden Anlagen z. B. auf Flachdächern auf ausreichende Statik achten
- Genügend Fläche