Solarthermik: Sonnenlicht wird in Wärme umgewandelt

Solarthermik: Sonnenlicht wird in Wärme umgewandelt

 

Anders als Photovoltaik, die elektrische Energie aus Licht gewinnt, wandelt Solarthermik das einfallende Sonnenlicht direkt in Wärme um. Eine der bekanntesten und auch in unseren Breiten wirtschaftlich zu betreibende Methode ist die Erzeugung von Warmwasser mit Sonnenkollektoren. Die Option Raumheizung spielt allerdings eine weniger wichtige Rolle, da gerade zu Zeiten des größten Heizbedarfs (im Winter) die verfügbare Sonnenstrahlung am geringsten ist. Für zwei Anwendungsfälle ist solarthermisches Heizen aber in unserem Klima sinnvoll. Bei Niedrigenergiehäusern ist dank guter Dämmung, Lüftung und passiver Nutzung von Sonnenenergie der Bedarf an zusätzlicher Energie so weit abgesenkt, dass solares Heizen einen bedeutsamen Anteil liefern kann. Und bei Niedertemperaturheizungen kommen die geringen Vorlauftemperaturen thermischen Solaranlagen entgegen, da sie niedrige Betriebstemperaturen im Kollektor erlauben.

 

 Aufbau und Platzierung von Solaranlagen

 

Häufig bieten sich die Dächer der zu versorgenden Gebäude als Träger für die Kollektoren an. Durch die Kollektoren zirkuliert Wasser, das dabei von der aufgenommenen Sonnenenergie erhitzt wird. Es lässt sich danach entweder direkt nutzen, z. B. für Schwimmbecken, oder indirekt über Wärmetauscher die Wärme vom Heizkreislauf auf das Brauchwasser übertragen. Im zweiten Fall sind dem Kollektorwasser Zusätze (z. B. Frostschutzmittel) beimischbar. Bei der indirekten Brauchwasserwärmung ist die thermische Solaranlage mit einem Speicher (Kessel) ausgerüstet, der möglichst geringe Wärmeverluste aufweisen sollte. Der Kessel sollte außerdem konventionell beheizbar sein, damit auch zu Zeiten geringen Sonnenscheins ausreichend Warmwasser (Brauchwasser) erzeugt werden kann. Die Regelung des Systems besorgen Sensoren im Kollektor. Erst wenn eine genügend hohe Wassertemperatur im Kollektor erreicht ist, wird das Kollektorwasser durch den Wärmetauscher gepumpt, wobei es seine Wärme an den Wärmespeicher abgibt.

 

 Sonnenkollektoren

 

Solarkollektoren können einfallende kurzwellige Sonnenstrahlung (direktes und diffuses Licht) aufnehmen und in Wärme umwandeln. Die gewonnene Wärme kann als Nutzwärme entnommen oder als längerwellige Wärmestrahlung emittiert werden. Die Prozesse stehen im thermischen Gleichgewicht. Daraus ergeben sich einige Konsequenzen für den praktischen Bau. Eine möglichst hohe Temperatur des Absorbers erhält man durch das Abdecken mit einer Glasplatte, um die Abstrahlung des Kollektors zu reduzieren. Die Glasplatte muss für Licht durchlässig sein, nicht jedoch für Wärmestrahlung. Außerdem soll der Kollektor möglichst viel Licht absorbieren. Für sichtbares Licht ist das am besten durch schwarze Absorber erfüllt. Die Röhren mit der Wärmeträgerflüssigkeit (meist Wasser) befinden sich auf der vom Licht abgewandten Seite des Absorbers.

 

 Bauarten von Solarkollektoren

 

Der einfachste Typ sind Kollektormatten aus schwarzem Kunststoff. In ihnen zirkuliert Wasser und wird dabei erwärmt. Sie sind zwar billig, aber auch nicht besonders leistungsfähig. Man kann damit nur niedrige Temperaturen erzielen. Für das Erwärmen von Badewasser in Freibädern ist die Methode allerdings ausreichend. Höhere Temperaturen brauchen mehr technischen Aufwand. So kann eine schwarze Metallplatte als Absorber dienen, in die Röhren eingebettet sind oder an der Röhren anliegen, durch die der Wärmeträger fließt. Die Platte nimmt direkte und diffuse Sonnenstrahlung auf und überträgt die Wärme an den Wärmeträger, der sie zum Nutzort leitet.

 

Am weitesten verbreitet sind Flachkollektoren, mit denen sich Temperaturen von 40 ºC bis rund 100 ºC gewinnen lassen. Sie dienen im Wesentlichen der Versorgung von Gebäuden mit Warmwasser. Sie bestehen aus einem flachen Kasten, der zur Sonnenseite mit einer Glasplatte abgedeckt und ansonsten mit Dämmstoffen abgedichtet ist. Im Kasten befinden sich der Absorber und die Röhren mit dem zirkulierenden Wasser. Zum Heizen reichen die üblichen Flachkollektoren nicht aus. Mit Vakuum-Flachkollektoren ist das allerdings möglich. Hier wird der Raum zwischen Absorber und Wand evakuiert, was die Wärmeverluste durch Luftbewegung zwischen Absorber und Verglasung vermeidet. Die Temperaturobergrenze für solche Systeme liegt bei ca. 150 ºC.

 

Höhere Leistungen lassen sich mit Röhrenkollektoren erzielen. Hier umgibt eine luftleere Röhre den Absorber und die Kanäle für den Wärmeträger. Das Hochvakuum reduziert die Wärmeverluste und erlaubt Temperaturen bis 250 ºC. Will man die Temperaturen noch steigern, muss man das einfallende Licht mit Spiegeln bündeln. Solche konzentrierenden Kollektoren liefern z. B. Prozesswärme im Bereich von 100 ºC bis 300 ºC für industrielle Anwendungen.