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Kollektoren: Solar- & Photovoltaik Kollektoren im Überblick

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Ohne die Kollektoren würde die Nutzung der Sonnenenergie für die Energiegewinnung nicht funktionieren. Auf dieser Seite geben wir Ihnen einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Arten bzw. Typen von Kollektoren sowie ihre Funktionsweise und Vor- bzw. Nachteile.

Was sind Kollektoren?

Bevor wir zu den verschiedenen Typen von Sonnenkollektoren kommen, wollen wir uns zunächst dem Thema widmen, was diese überhaupt sind. Generell dienen Sonnenkollektoren zur Umwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme sowie deren Übertragung an ein Wärmeträgermedium. Dieses kann z. B. Wasser, Solarflüssigkeit oder Luft sein. Auf diese Weise kann die aus dem Sonnenlicht gewonnene Wärme dann z. B. zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung oder Schwimmbaderwärmung sowie weitere Aufgabenbereiche genutzt werden.

Wie funktionieren Kollektoren?

Auch wenn es, wie Sie im Folgenden erfahren werden, verschiedene Kollektortypen gibt, ist der Aufbau und Ablauf eigentlich immer relativ ähnlich. Das Kernstück eines Solarkollektors ist der sogenannte Absorber. Dieser wandelt die Energie der einstrahlenden Sonne in Wärme um und gibt diese dann an ein den Absorber durchfließendes Trägermedium ab. Ist dieses z. B. Wasser, fließt auf der einen Seite kaltes Wasser in den Sonnenkollektor hinein, wird dort mithilfe von Sonnenenergie erhitzt und verlässt den Kollektor am anderen Ende wieder im erhitzen Zustand.

Um den Kollektor werden in der Regel Isolationen wie Glasabdeckungen und Wärmedämmungen verbaut, damit die aufgenommene Sonnenenergie nicht direkt wieder an die Umgebung abgegeben wird. Das Prinzip der Solarthermie funktioniert in allen Typen von Solarkollektoren im Großen und Ganzen gleich. Dennoch gibt es zwischen den verschiedenen Kollektorarten einige Unterschiede – auf die gehen wir im folgenden Abschnitt genauer ein.

Übersicht der Kollektortypen

Prinzipiell gibt es verschiedene Typen von Sonnenkollektoren, die unterschiedlich funktionieren und verschiedene Eigenschaften haben. Wir geben Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Kollektoren und stellen Ihnen diese genauer vor.

Flachkollektor

Eine der gängigen Kollektortypen sind die Flachkollektoren. Sie bestehen aus den Bauteilen Absorber, transparente Abdeckung, Gehäuse und Wärmedämmung. Seine Bezeichnung verdankt der Flachkollektor dem flachen Absorber, hinter dem die Kollektorröhren verlegt sind. Dies unterscheidet ihn vom weiter unten vorgestellten Röhrenkollektor, bei dem jedes Rohr einzeln von einem Absorber umhüllt ist. Als transparente Abdeckung wird in der Regel eisenarmes Solarsicherheitsglas verwendet. Dieses zeichnet sich durch einen hohen Transmissionsgrad für den kurzwelligen Spektralbereich aus. Zudem gelangt nur wenig der Wärmeabstrahlung vom Absorber durch die Glasabdeckung hindurch, der sogenannte Treibhauseffekt. Ein weiterer Vorteil der transparenten Abdeckung ist, dass diese den Wärmeentzug vom Absorber durch vorbeistreichende kältere Luft (Konvektion) verhindert. Zudem schützt sie zusammen mit dem Gehäuse den Absorber vor den Einflüssen der Witterung.

Als Material für das Gehäuse kommen typischerweise Aluminium und verzinktes Stahlblech zum Einsatz. Manchmal wird auch glasverstärkter Kunststoff eingesetzt. Zudem wird eine Wärmedämmung an der Rückseite des Absorbers und an den Seitenwänden verwendet, die Wärmeverluste durch Wärmeleitung vermindert. Für die Dämmung werden vor allem Polyurethan-Schaum und Mineralwolle bevorzugt. Es kann in selteneren Fällen aber auch Mineralfaser-Dämmstoffe wie Glaswolle, Glasfaser, Steinwolle oder Fiberglas eingesetzt werden.

Die Vorteile der Flachkollektoren sind vor allem das günstige Preis-Leistungsverhältnis sowie eine breite Palette an Montagemöglichkeiten, z. B. Indach, Aufdach sowie Freiaufstellung. Auch wenn für die gleiche Leistung einer Solaranlage eine deutlich größere Fläche an Kollektoren als bei der Verwendung von Vakuum-Röhrenkollektoren (siehe unten) eingesetzt werden muss, sind die Gesamtkosten mit Flachkollektoren durch die einfache Bauweise und die dadurch geringeren Fertigungskosten üblicherweise um 10 bis 30 Prozent niedriger. Daher werden für die meisten privaten Solarthermieanlagen Flachkollektoren verwendet.
Allerdings ermöglicht die Bauweise nur geringere Temperaturen als in Röhrenkollektoren. Dies reduziert die Leistung, aber auch die Anforderungen an das Material. Sollte die Solarthermieanlage im Sommer mal stillstehen, müssen die Röhren deutlich geringere Temperaturen und Drücke aushalten. Dies ist einer der Gründe für die geringeren Kosten dieses Kollektortyps.

Ein weiterer Nachteil der Flachkollektoren ist, dass diese unter typischen Betriebsbedingungen nur einen Wirkungsgrad von ca. 50 bis 60 Prozent erreichen. Dies ist unter dem Wirkungsgrad eines Vakuum-Röhrenkollektors. Wie groß der Unterschied ist, hängt vor allem von den äußeren Bedingungen ab. Je mehr Wärme von der Oberfläche des Kollektors an die Umgebung abgeführt wird, desto deutlicher treten die Nachteile zutage. Die Wärmeverluste steigen mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Absorber und der Außenluft oder bei starkem Wind, der für einen Abtransport der Wärme von der Oberfläche sorgt. Diese Nachteile bei der Effizienz bzw. dem Wirkungsgrad sind aber, wenn genug Fläche vorhanden ist, zu vernachlässigen. Denn die eingesetzte Ressource ist das kostenlos und unbegrenzt verfügbare Sonnenlicht. Ein schlechterer Wirkungsgrad kann durch eine entsprechend größere Kollektorfläche kompensiert werden, ohne dass laufende Kosten oder ökologische Nachteile verursacht werden.

Eine Spezialvariante der Flachkollektoren ist der Vakuum-Flachkollektor. Bei diesem wird die im Kollektor vorhandene Luft aus dem Innenraum herausgepumpt, um Konvektionsverluste im Kollektorkasten zu reduzieren. Allerdings müssen die Vakuum-Flachkollektoren rund alle ein bis drei Jahre neu evakuiert werden.

Röhrenkollektor

Der Röhrenkollektor ist mit vollständigem Namen Vakuum-Röhrenkollektor, da es sich um einen Vakuumkollektor handelt, bei dem sich der Absorber in einer evakuierten, druckfesten Glasröhre befindet. Der Absorber wird in einem U-Rohr oder im Gegenstrom in einem Rohr-im-Rohr-System direkt von der Wärmeflüssigkeit durchströmt. Mehrere Röhren, die hintereinandergeschaltet sind oder über eine Sammelleitung verbunden sind, bilden dann den Sonnenkollektor.

Handelt es sich um einen Heat-Pipe-Röhrenkollektor, befindet sich eine Flüssigkeit in einem Wärmerohr, die bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Erwärmt die Sonne diese Flüssigkeit, steigt der Flüssigkeitsdampf im Wärmerohr auf. Dieser gibt dann die aufgenommene Wärme über einen Wärmetauscher an die das Sammelrohr durchfließende Wärmeträgerflüssigkeit ab. Durch die Kondensation kühlt die Flüssigkeit wieder ab und fließt an das Wärmerohrende zurück. So entsteht ein Kreislauf, der kontinuierlich in Gang ist, solange die Sonne auf den Sonnenkollektor scheint.

Damit diese geschilderten Verdampfungs- und Kondensierungsprozesse ablaufen können, müssen die Röhren mit einer gewissen Mindestneigung aufgebaut sein. Unterschieden wird hierbei zwischen zwei Arten von Kollektoranbindungen an den Solarkreislauf. Entweder ragt der Wärmetauscher in die das Sammelrohr hinein – die sogenannte “nasse Anbindung” – oder er ist wärmeleitend mit dem Sammelrohr verbunden. Dies bezeichnet man als “trockene Anbindung”. Die zweitgenannte Option bietet den großen Vorteil, dass einzelne Röhren ausgetauscht werden können (z. B. bei einem Defekt), ohne dass der gesamte Solarkreislauf entleert werden muss.

Vakuumkollektoren bieten allgemein den großen Vorteil, dass sie selbst bei hohen Absorbertemperaturen sowie bei niedrigen Einstrahlungen einen guten Wirkungsgrad erreichen. Das Vakuum, das die Röhren umschließt, verhindert Wärmeverluste durch die Luft. Diese würden ansonsten mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Kollektor und Umgebung zunehmen. Daher sind Vakuum-Röhrenkollektoren im Hochsommer bei sehr hohen Kollektortemperaturen besonders effektiv. Aber auch an sonnigen Wintertagen, wenn die Kollektortemperatur recht hoch ist, aber die Außentemperatur sehr niedrig, spielen sie diesen Vorteil aus. Insgesamt liegt ihr Wirkungsgrad ca. 30 Prozent höher als der von Flachkollektoren. Zudem sind mit ihnen höhere Temperaturen erreichbar, was z. B. für die Heißwasserbereitung, die Dampferzeugung sowie Klimatisierung nützlich ist. Und noch ein weiterer Vorteil der Röhrenkollektoren ist, dass diese Licht von allen Seiten absorbieren können. Somit können sie diffuses Streulicht besser nutzen.

Speicherkollektor

Der Speicherkollektor, der Name verrät es bereits, vereint Absorber und Speicher in einem. Er verbindet die Funktionsweisen einer solarthermischen Anlage in nur einem Bauteil, bietet Speicher und Kollektor in einem Bauteil. Dadurch verzichten sie auf viele übliche Bauteile und bieten in gewisser Weise Solarwärme aus einem Guss. Der Speicher befindet sich unmittelbar unter der Absorberoberfläche. Im unteren Teil des Speicherkollektors befindet sich kaltes Wasser in einem im Fließkreislauf, das dann durch die Sonne erwärmt wird und dann im aufgewärmten Zustand den oberen Teil der Speicherkollektoren wieder verlässt. Sie bieten verschiedene Vorteile, aber auch einige Nachteile.

Beginnen wir mit den Vorteilen. Die Speicherkollektoren weisen eine relativ einfache Bauweise auf, bei der viele Bauteile eingespart werden. Dies macht die Installation einfach und günstig, da die Anschaffungskosten geringer ausfallen. Zudem sind sie mobil. Wird der Speicherkollektor in ein wärmedämmendes Gehäuse eingebettet, ist es möglich, beide Komponenten direkt an die Wasserleitungen eines Hauses anzuschließen. Die erreichbaren Wassertemperaturen liegen durchschnittlich bei zwanzig bis siebzig Grad Celsius.

Allerdings weisen Speicherkollektoren auch einige Nachteile auf, die vor allem in den nicht ganz so sonnenverwöhnten Breiten auftreten. Aufgrund der geschilderten Temperaturen, die mit einem Speicherkollektor erreicht werden können, reichen diese hierzulange nicht für eine vollwertige Solarheizung oder eine ganzjährige Warmwasserbereitung. Zudem besteht die Gefahr, dass das Wasser im Speicherkollektor in der kalten Jahreszeit durchaus einfriert.

Hybridkollektor

Ein Hybridkollektor, auch PVT-Kollektor genannt, verbindet die Photovoltaik, bei der durch Sonnenenergie per Solarzellen elektrische Energie gewonnen wird, mit der Solarthermie, bei der die Sonnenenergie in thermische Energie umwandelt wird. Dadurch vereint der Hybridkollektor bzw. PVT-Kollektor die Funktionen beider Techniken, um die Sonnenenergie ganzheitlich auszuschöpfen, indem innerhalb des Kollektors sowohl Solarthermie als auch Photovoltaik eingesetzt werden. So kann Strom und Wärme gleichzeitig erzeugt werden. Diese Kombination wird auch als Photothermie oder Thermovoltaik bezeichnet.

Viele Hybridkollektoren bzw. PVT-Kollektoren ähneln Flachkollektoren, die in reinen Solarthermieanlagen genutzt werden. Der Aufbau sieht hierbei wie folgt aus: Unter der abdeckenden Glasplatte sind zunächst die Photovoltaikzellen für die Stromgenerierung untergebracht. Darunter befinden sich Solarabsorber, die die Energie in Wärme umwandeln. Als Wärmeträger wird entweder Solarflüssigkeit oder Luft eingesetzt.

Hybridkollektoren können in vielfältigen Bereichen eingesetzt werden. Unter anderem können Sie diese mit einem Heizkessel koppeln und den Strom einspeisen oder selbst verbrauchen. Alternativ können Sie die Kollektoren auch dazu verwenden, um eine Wärmepumpe mit der notwendigen Energie zu versorgen und diese zu betreiben. Hier sind viele verschiedene Einsatzgebiete möglich, z. B. eine Poolheizung mit Solar. Mit der gewonnenen Wärme wird das Wasser erwärmt und mit dem generierten Strom die notwendige Pumpe angetrieben.

Luftkollektor

Luftkollektoren sind Solarkollektoren, bei denen Luft statt Wasser als Wärmeträger eingesetzt wird. Ansonsten ist ihr Aufbau ähnlich. Montieren Sie einen Luftkollektor an einem sonnigen Plätzchen, scheint die Sonne auf den Kollektor und erwärmt die darin befindliche Luft. Diese kann dann für verschiedene Zwecke verwendet werden, z. B. zum Heizen von Räumen bzw. ganzen Häusern. Hierbei wird die Luft mit einem Ventilator, der idealerweise über eine Photovoltaikanlage mit Strom versorgt wird, durch die Luftkollektor gepustet. Auf der einen Seite strömt die kalte Luft auf der einen Seite in den Kollektor hinein, auf der anderen Seite die warme wieder heraus.

Luftkollektoren können je nach Größe und weiterer Bedingungen die Luft um bis zu 40 Grad Celsius erwärmen. Hierbei fallen, wenn der Ventilator mit Strom aus Photovoltaik betrieben wird, keinerlei Energiekosten an. Somit ist die Erwärmung von Luft durch Luftkollektoren eine sehr günstige Alternative, um Luft zu erwärmen und diese z. B. zum Heizen in Häusern zu verwenden. Allerdings kann diese Methode nicht alleine als Heizungsanlage verwendet werden, da der nicht immer vorhandene Sonnenschein Voraussetzung ist. Somit können Luftkollektoren nur eine Ergänzung sein, um ein Haus zu beheizen. Neben dem Heizeffekt können Sie zeitgleich das Zuhause auch lüften und entfeuchten – praktischer Nebeneffekt. Zusätzlich kann die stark erhitzte Luft zunächst nicht benötigte Wärme über einen Wärmetauscher an ein Speichermedium ab, um diese dann später wieder zu nutzen. Zudem fangen Luftkollektoren schon geringe Sonnenwärme ein und sind deshalb reaktionsschneller als Wasserkollektoren. Diese benötigen mehr Sonneneinstrahlung und können deshalb nicht so schnell reagieren.

Kollektoren für Pool und Schwimmbad

Auch für die Beheizung von Pools und Schwimmbädern können Kollektoren eingesetzt werden. So sorgen Sie dank der Kraft der Sonne für eine angenehme Wassertemperatur, ohne dass Kosten für Energie anfallen – und die sind selbst bei einem kleineren Pool nicht zu verachten. Und umweltfreundlich ist dies auch noch.

Werden Kollektoren zum Heizen eines Pools oder Schwimmbads genutzt, ist das Wasser aus dem Becken selbst der Wärmeträger. Dieses wird mit einer Pumpe, die idealerweise über eine Photovoltaikanlage mit Strom versorgt wird, durch die Kollektoren gepumpt. In der Absorberfläche wird das Wasser dann durch die direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt und anschließend wieder in den Pool geleitet. So wird die Temperatur des Wassers nach und nach angehoben, bis die gewünschte Gradzahl erreicht ist. Idealerweise wird dies mit einem Sensor überprüft, der je nach Bedarf die Pumpe anschmeißt oder nicht.

Poolkollektoren sind im Vergleich mit anderen Solarthermiekollektoren (z. B. Luftkollektor, Röhrenkollektor und Flachkollektor) relativ einfach gebaut. Es handelt sich meist um einen schwarzen Kunststoffabsorber, durch den die Rohre für den Wärmetransport verlaufen. Die bereits erwähnte Pumpe sorgt für den Transport des Wassers und damit zeitgleich auch für den Wärmetransport.

Bei kleineren Pools kann Kollektor direkt an den Filterkreislauf angeschlossen werden, ohne dass eine weitere Pumpe erforderlich ist. Sollte es sich um ein sehr großes Becken und damit auch einen großen Kollektor handeln oder dieser deutlich höher positioniert werden (z. B. auf einem Dach), kann eine zusätzliche Pumpe erforderlich und sinnvoll sein. Auch diese können Sie dann über Photovoltaik mit Strom versorgen, um keinerlei Energiekosten für das Beheizen des Pools oder Schwimmbads zu haben. Wichtig ist, dass Sie auf jeden Fall immer für einen Filter sorgen, damit die Kollektoren nicht mit der Zeit verschmutzen. Daher ist es immer ratsam, den Kollektorkreislauf in den bereits bestehenden Filterkreislauf zu integrieren.

Kollektoren für Pools und Schwimmbäder sind eine sehr kostengünstige und umweltfreundliche Methode, um das Wasser im Becken angenehm zu temperieren. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen und Preisklassen. Insgesamt sind Schwimmbadkollektoren im Vergleich zu anderen Kollektoren sehr preiswert. Pro Quadratmeter Absorberfläche beginnen die Preise ab ca. 100 Euro. Höherwertige Modelle liegen bei um die 200 Euro. Zudem gibt es auch komplette Sets mit allen benötigten Bauteilen, mit denen Sie bequem und einfach Ihre Poolheizung mit Solar errichten.