Solaranlagen

für Warmwasserbereitung für Unterstützung der Gebäudeheizung für Stromerzeugung

Eine Information zum Thema Sonnenenergie


Die Solarenergie ist die reinste erneuerbare von den verfügbaren Energieformen. Die Sonne liefert Energie, die für alle biologischen Prozesse auf der Erde verantwortlich ist. Trotz der unglaublich großen Verfügbarkeit der Energie, wurden bis heute keine wirkungsvollen Methoden der groß angelegten Nutzung der Sonnenenergie gefunden.
Die Sonnenenergie kann, wegen der Art ihrer Nutzung, in zwei Kategorien eingeteilt werden: Wärme- und Lichtenergie.
Dank entsprechender architektonischer Lösungen und der richtigen Baustoffauswahl kann die Sonnenenergie direkt für die sog. passive solare Gebäudeerwärmung verwendet werden.
Thermische Sonnenkollektoren wandeln die Sonnenenergie in Wärme um.
Die Sonnenenergie aus Sonnenkollektoren kann bei der Wassererwärmung, der Unterstützung von Gebäudeheizungen bzw. bei Klimaanlagen eingesetzt werden.
In einigen Ländern sind die Solaranlagen für die Warmwasserversorgung, als gesetzlich vorgesehene Alternativlösungen für die Standarderwärmungsanlagen, die mit Gas bzw. Strom versorgt werden, Bestandteil der Technischen Bauabnahmebedingungen von Mehrfamilienhäusern (z. B.: Spanien, China).
Seit einigen Jahren werden flache Sonnenkollektoren eingesetzt. Der günstige Preis verhalf ihnen zum Durchbruch (insbesondere im Westeuropa). Kollektoren mit Vakuumrohren dagegen werden bereits seit ca. 20 Jahren verwendet. Doch die anfangs hohe Preisdifferenz führte zum beschränkten Einsatz. Die letzten Jahre brachten einen technologischen Fortschritt mit, dieser führte wiederum zur Senkung der Vakuumrohrpreise, was sich deutlich in den Verkaufszahlen der Sonnenkollektoren mit Vakuumrohren widerspiegelte. Heute weichen die Preise für Sonnenkollektoren mit Vakuumrohren nur unwesentlich von denen der flachen Sonnenkollektoren ab, was bei einer höheren Effektivität pro Jahr der erstgenannten Sonnenkollektoren zu einem starken Bedarfsanstieg führte.
Der Einsatz der Solarenergie und anderer erneuerbarer Energiequellen tragen zur Senkung der CO2-Abgabe infolge der Verbrennung traditioneller Kraftstoffe, vor allem Kohle und Erdöl bei.
 
Bestandteile eines Solarsystems

Die wichtigsten Bestandteile einer Solaranlage sind die Sonnenkollektoren und der Solarspeicher. In einem geschlossenen Kreislauf fließt der Wärmeträger (eine Mischung aus Wasser und einem Frostschutzmittel), der mit einer Umlaufpumpe gefördert wird.

Eine Gruppe von Sonnenkollektoren wandelt die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme um und leitet diese über das Wärme leitende Blech des Absorbers in den Wärmeträger über. Der erwärmte Wärmeträger übergibt die Wärme über den Wärmeüberträger an das Nutzwasser im Solarspeicher. Der im Wärmeüberträger abgekühlte Wärmeträger wird danach in die Sonnenkollektoren zurückgepumpt und der Kreislauf wird geschlossen. Wird die vorgegebene Temperatur des Nutzwarmwassers erreicht, schaltet die Umlaufpumpe ab und die Solaranlage geht in den Stand-By-Zustand über. Wenn die Anlage im Stand-By-Zustand ist und die Kollektoren weiterhin mit dem Sonnenlicht bestrahlt werden, kann es zum Verdampfen des Wärmeträgers kommen. Um einer Schädigung der Anlagenteile vorzubeugen, wird eine Reihe von Sicherheitsvorrichtungen, wie z. B.: Sicherheitsventil, Rückschlagventil und Ausgleichsgefäß verwendet.

An Zeiten einer geringen Sonneneinstrahlung, wenn die vorgegebene Temperatur im Solarspeicher nicht erreicht werden kann, wird das Nutzwasser konventionell erwärmt.

1. Sonnenkollektor
Der Sonnenkollektor ist der Hauptbestandteil einer Solaranlage, in der die Energie der Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt und über den Absorber an den Wärmeträger weitergegeben wird.
Zurzeit gibt es auf dem Markt der Solaranlangen, die zur Warmwasserversorgung eingesetzt werden, zwei wichtigste Arten von Sonnenkollektoren, den Flachkollektor und den Vakuumkollektor.

1.1. Vakuumkollektor
Bisher wurden in den Solaranlagen, die zur Warmwasserversorgung dienten, hauptsächlich Flachkollektoren verwendet. Die Vakuumkollektoren wurden wegen dem ungünstigen Preisleistungsverhältnis außer Acht gelassen. Der zusätzliche Aufwand fand keinen Ausgleich in der Leistungsfähigkeit der Vakuumkollektoren wieder. Die letzten Jahre brachten jedoch eine deutliche Kostensenkung in der Herstellung der Vakuumkollektoren mit, was in Endeffekt zur Senkung der Preise dieser Art von Kollektoren führte.
Die verbesserte Leistungsfähigkeit ergab die Möglichkeit, die Vakuumkollektoren bei der Warmwasserversorgung von Objekten mit einer beschränkten Dachoberfläche bzw. mit einer relativ geringen Dachtragkraft einzusetzen. Die Vakuumkollektoren eignen sich hierfür besonders gut, da ihr Aufbau keine wesentliche wind- bzw. schneebedingte Belastung für die Dachkonstruktion darstellt.

1.2. Flachkollektor
Grundsätzlich besteht der Flachkollektor aus dem Gehäuse, dem selektiven Absorber, der Isolation und der Glasabdeckung. Flachkollektoren können in die Dachoberfläche eingebaut, auf der Dachoberfläche aufgelegt bzw. frei aufgestellt und an der Gebäudewand montiert werden.

1.3. Absorber
Das Herzstück eines Sonnenkollektors ist der Absorber, der die Sonnenstrahlung in Wärme umwandelt. Der Absorber besteht meist aus Kupfer-, oder Aluminiumblech in Form von Bögen bzw. Streifen, die mit einer bestimmten Anzahl von Rohren (Absorberrohre) bzw. Kanälen, in denen der Wärmeträger fließt, verbunden sind.
Der Absorber wird von der Sonnenstrahlung erwärmt. Der Wärmeträger fließt durch die Absorberrohre, nimmt die angesammelte Wärme auf und transportiert diese in die Richtung der Solarspeichers ab. Über 90 % der Absorber bestehen aus einem Gefüge von Blechen und Kupferrohren. Nur bei einem kleinen Anteil der Absorber wird Aluminiumblech und Kupferrohre verwendet.
Die Leistungsfähigkeit des Absorbers hängt im Wesentlichen von den optischen Parametern der Glasabdeckung, der Materialart, der Geometrie und der Art des Wärmeträgers ab und beeinflusst stark die Leistungsfähigkeit des Sonnenkollektors.
Die Oberfläche des Absorbers hat eine hochselektive und verschleißarme Beschichtung; dies ist eine der gegenwärtig höchsten technologischen Errungenschaften.
Durch die Antireflexglasabdeckung und eine entsprechende Isolation werden die Wärmeverluste in den Sonnenkollektoren infolge Strahlenreflexion minimalisiert.
Sonnenkollektoren ohne eine selektive Beschichtung mit einer Standardglasabdeckung können wirkungsvoll bei der Warmwasserversorgung in der Sommersaison und zur Wasservorwärmung in den Übergangsjahreszeiten eingesetzt werden.
Die selektive Beschichtung erhöht zwar die Kosten eines Absorbers, trägt jedoch zur wesentlichen Verbesserung seiner Leistungsmerkmale bei vergleichbaren Kollektoroberflächen bei. Dadurch kann eine geringere Anzahl an Kollektoren eingesetzt und gleichzeitig diegleiche solare Leistung erreicht werden.

2. Behälter/Speicher
Die Energie der Sonnenstrahlung wird an den Wärmeträger weitergegeben und in Wasserbehältern gespeichert. Diese werden automatisch ge- und entladen. In diesen Behältern wird Wärme kurzzeitig bzw. langzeitig gespeichert.
In Standardsolaranlagen werden kurzzeitige Warmwasserspeicher mit einer Stahlummantelung, die innen korrosions-, temperaturfest sind und vor allem ein entsprechendes Hygieneattest haben, eingesetzt. Beim Einsatz einer Ummantelung, die vollständig aus Edelstahl besteht, sind die speziellen Schutzbeschichtungen erläßlich.

2.1. Aufgaben des Warmwasserspeichers
Aufgabe des solaren Warmwasserspeichers ist die Speicherung einer entsprechenden Warmwassermenge unter Berücksichtigung der Zeitverschiebung zwischen der verfügbaren Sonnenstrahlung und des tatsächlichen Warmwasserbedarfs. Nach einem Tag mit hoher Sonneneinstrahlung, kann ein Regentag kommen. Sie Solarenergie kann also nur dann wirkungsvoll genutzt werden, wenn die Zeitdifferenzen zwischen der verfügbaren Energie und dem Wärmebedarf durch einen Speicher mit einer genügenden Kapazität ausgeglichen werden. Ist die Menge der Sonnenenergie nicht ausreichend, muss eine Alternative geschaffen zu werden, um die Temperaturkonstanz des Warmwassers durch konventionelle Erwärmung gewährleisten. Die zusätzliche Energie kann durch einen Gas-, Öl-, Peletts-, Biomasse-, Brennstoffkessel bzw. Elektrosieder geliefert werden.

2.2. Pufferbehälter
Für die kurzzeitige Warmwasserspeicherung eignet sich auch der Warmwasserbehälter, der sog. Pufferbehälter. Er ist direkt an die Warmwasseranlage angeschlossen und hat einen gleichen Aufbau wie der bereits dargstellte Warmwasserspeicher, ist jedoch wesentlich billiger, da er nicht den Einsatz der Antikorrosionsbeschichtung erforderlich macht. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass das Warmwasser infolge von Sauerstoffmangel weniger korrosiv ist. Die im Pufferbehälter gesammelte Wärme wird bei Bedarf über den Wärmeüberträger an den Warmwasserspeicher abgegeben.

3. Wärmeüberträger
In unseren geografischen Breiten müssen der Solarkreislauf und der Warmwasserkreislauf wegen dem Schutz des Solarkreislaufs vor dem Gefrieren durch einen Frostschutzmittel getrennt werden. Die im Wärmeträger durch die Erwärmung der Kollektoren gesammelte Energie wird an den Wärmeüberträger direkt an den Warmwasserkreislauf bzw. an den indirekten Kreislauf (Pufferbehälter) weitergegeben. Wärmeüberträger können sich direkt im Inneren des Behälters (interne Wärmeüberträger) oder außerhalb dessen (externe Wärmeüberträger) befinden.
In kleineren Anlagen (mit einer Kollektorfläche unterhalb 15 m2) werden interne Wärmeträger (z. B.: Schlangenrohr) und bei größeren Anlagen, externe Wärmeüberträger eingesetzt.

4. Regulatoren
Der Regulator sichert einen solchen Wärmetransport im Solarkreislauf, der eine optimale Nutzung der durch die Sonnenkollektoren gewonnenen Sonnenenergie ermöglicht. Der Temperaturfühler im Behälter kontrolliert, ob zusätzliche Wärme aus den Kollektoren hinzugeführt werden muss.
Die Temperatur in den Sonnenkollektoren wird mit dem Temperaturfühler gemessen. Falls zusätzliche Wärme für die Wassererwärmung notwendig ist und die Temperatur in den Kollektoren die Wassertemperatur im Solarspeicher übersteigt, wird die Umlaufpumpe eingeschaltet. Der Wärmeträger im Solarkreislauf liefert die notwendige Energie für die Wassererwärmung im Speicher. Falls die min. Temperatur in den Kollektoren unterschritten wird, wird eine konventionelle Wasserwärmung notwendig. Der Temperaturfühler im oberen Teil des Behälters ermöglicht die Überwachung der Temperatur im Hinblick auf den Schutz vor Überwärmung. Wird der max. Temperaturwert erreicht, wird die Umlaufpumpe ausgeschaltet, dies geschieht auch dann, wenn genügend Sonneneinstrahlung verfügbar ist. In diesem Fall wird die Anlage in den Stand-By-Zustand geschaltet.
Wird die Anlage in Zeiten intensiver Sonneneinstrahlung oft in den Stand-By-Zustand geschaltet, ist dies meist die Folge einer zu großen Kollektoroberfläche, die nicht an den Warmwasserbedarf angepasst ist. Da die Anlagenteile unnötig wärmebeansprucht werden und die Leistungsfähigkeit der Anlage sinkt, ist dafür zu sorgen, dass die Anlage nicht so oft in den Stand-By-Zustand geschaltet wird.

5. Zusatzwärmung
Die Schwankungen der Sonneneinstrahlungsenergie und die Zeiten einer schwachen Sonneneinstrahlung machen den Einsatz der konventionellen Energie für die Warmwasserversorgung notwendig. In der Regel wird der konventionelle Heizkessel durch einen zweiten Wärmeüberträger im Behälter und/oder ein elektrisches Heizelement angeschlossen. Der Wärmeüberträger wird im oberen Teil des Behälters angebracht.
Die Wärmekapazität sollte in diesem Fall nicht größer als notwendig sein, ihre Erhöhung verursacht die Reduzierung der Wärmekapazität der Solarwärmung. Die Größe des Wärmeüberträgers ist eine Folge der Leistungsfähigkeit des Kessels bzw. hängt vom Warmwasserbedarf.

6. Wärmeträger
Als Wärmemedium wird in unserer geografischen Breite eine Wasser-Polypropylenglykol-Mischung verwendet, diese schützt vor dem Gefrieren in einem Temperaturenbereich bis min. - 25° C. Wird in dem Solarkreislauf nur Wasser eingesetzt, gesteht die Gefahr, dass das Wasser gefriert und die Rohre sprengt. Um die Lebensdauer der Flüssigkeit zu verlängern, wenden die Hersteller entsprechende Veredlungszusätze an.
Da aber der Zusatz zum Frostschutzmittel die Wärmekapazität und die Viskosität, damit aber auch die erforderliche Pumpenleistung erhöht, sollte der Zusatz vorsichtig dosiert werden. In der Regel wird eine 40 % Glykollösung verwendet.

7. Sicherheitsvorrichtungen für den Solarkreislauf
Zu den Sicherheitsvorrichtungen für den Solarkreislauf gehören Ausgleichsgefäß, Sicherheitsventil und Manometer.
Die Solaranlagen sind so zu entwickeln und herzustellen, dass die Sicherheit automatisch gewährleistet wird. Dies bedeutet, dass die Schutzmaßnahmen und der Anschluss des Solarkreislaufs auch bei längeren Wärmeeinwirkung auf die Kollektoren ohne Wärmeaufnahme nicht zum unzulässigen Druckanstieg in der Solaranlage bzw. zu einer Störung führen dürfen. Sollte es schlimmstenfalls zum Überschreiten der Druckwerte in der Solaranlage kommen, wird das Sicherheitsventil geöffnet und es kommt zu einer "Verzögerung" des Anlagenbetriebs. Der Teil des Wärmeträgers, der sich in der Anlage befindet, fließt durch die Abflussleitung in einen vorbereiteten Behälter aus.
Der Verlust des Wärmeträgers muss unbedingt schnell ergänzt werden. In großen Solaranlagen wird ein Sicherheitsventil an jedem Kollektorfeld und ein zentrales Sicherheitsventil verwendet. Der Sicherheitsventildruck wird an die zulässigen Druckwerte des schwächsten Gliedes der Anlage angepasst.
Ausgleichsgefäße der Solaranlage sollten aus zwei Gründen verwendet werden:
infolge der Erwärmung des Wärmeträgers in den Sonnenkollektoren kommt es zu einem Anstieg seines Volumens. Um aber einem Druckanstieg vorzubeugen, muss das überschüssige Volumen durch Ausgleichsgefäße aufgenommen werden. Wenn das Wasser in dem Solarbehälter die erforderliche Temperatur erreicht, wird die Umlaufpumpe ausgeschaltet und die Anlage geht in den Stand-By-Zustand über. Nach andauernder Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur in den Kollektoren weiter an und der Wärmeträger fängt an zu dampfen.
Die Aufgabe des Ausgleichsgefäßes ist die Aufnahme der Heizflüssigkeit, die durch den Dampf aus den Sonnenkollektoren verdrängt wird. Somit wird der Druckanstieg in der Anlage eingeschränkt.
Während der Abkühlung der Anlage kommt es zur Bildung von Kondenswasser. Infolge des Druckausgleichs kommt es erneut zum Durchströmen der Kollektoren.
Der Manometer der Anlage dient der Drucküberwachung und der Einstellung des Anfangsdruckswertes.
Eine sichere Anlage verhindert den Auswurf der Heizflüssigkeit, auch nicht beim Stillstand der Anlage.

8. Sonstige Komponenten der Solaranlage

8.1. Solarpumpe
Als Solarpumpen werden einfache Umlaufpumpen mit speziellen Parametern eingesetzt. Es ist zu berücksichtigen, dass die Pumpen für die Förderung von Wasser-Glykol-Mischung geeignet und für den betrieb bei bis zu 130° C sein müssen. Um eine Pumpe an die Leistungsfähigkeit der Solaranlage anzupassen, ist der Einsatz von Pumpen mit stufenweise einstellbarer Drehgeschwindigkeit notwendig.

8.2. Ablüfter
Die sich in der Solaranlage ansammelnde Luft stört den Wärmeträgerumlauf und kann im Extremfall zu seinem völligen Stillstand führen. Die Ablüftung des Kollektorfeldes ist also von großer Bedeutung. Es sind unbedingt Ablüfter zu verwenden, die für den Betrieb bei bis zu 150° C (Metallschwimmer) geeignet sind.

8.3. Verrohrung
Im Sonnenkollektorenkreislauf werden Kupferrohre eingesetzt. Es ist aber auch möglich, Stahlrohre ohne Naht bzw. Schweißnaht zu verwenden. Unerlässlich ist eine entsprechende Isolierung der Rohre auf der gesamten Länge im Solarkreislauf.

8.4. Rückschlagventil
Das Rückschlagventil verhindert gravitationsbedingte Strömungen im Kollektorkreislauf und was damit einhergeht, die Entladung des Solarspeichers.
 

Kollektorarten

Die wichtigste Aufteilung umfasst zwei Arten von Sonnenkollektoren: Flach- und Vakuumkollektor.
Flachkollektoren bestehen aus einem isolierten, wasserundurchlässigen Kasten mit Absorber in Form eines Blechblattes oder -streifen, die mit einer transparenten Beschichtung geschützt wird. Wasser oder eine andere Solarflüssigkeit strömt durch die Anordnung der Rohre, die direkt unter dem Absorber angeordnet sind und so die Wärmre aufnehmen. Diese Art des Kollektors ist dank dem günstigen Preis und der langen Anwesenheit auf dem Markt sehr verbreitet.
Vakuumkollektoren bestehen aus einer Anordnung von parallelen Glasrohren. Es gibt eine Reihe von Vakuumrohren (oftmals auch Solarrohre genannt).

Typ 1 (Glas-Glas) besteht aus zwei miteinander an den Enden verbundenen Glasrohren. Die äußeren Oberfläche des inneren Rohres ist mit einer Substanz beschichtet, die die Sonnenenergie absorbiert und sich gleichzeitig durch geringe Wärmeverluste auszeichnet. Zwischen den Glasrohren gibt es ein Vakuum (ca. 5 x 10-2 Pa), die den wichtigsten Schutz vor Wärmeverlusten des erwärmten Absorbers darstellt. Die Rohren sind sehr leistungsstark, sogar bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Das das Rohr zu 100 % aus Glas besteht, gibt es keine Probleme mit dem Wärmeverlust im Vakuum solange das Glas nicht mechanisch beschädigt wird. Solarrohre Typ 1 können in verschiedenen Kollektoren eingesetzt werden, beispielsweise in Kollektoren mit dem direkten Durchfluss, mit Dämpfern (heat pipe) oder U-Rohren.

Typ 2 (Glas-Metall) besteht aus einem einzelnen Glasrohr. Darin befindet sich eine Aluminiumplatte mit dem Absorber, an die ein Kupferrohr mit der Solarflüssigkeit bzw. das Dämpferrohr befestigt ist. Um die Effektivität der Platte zu erhöhen, wird diese oftmals gewellt. Diese Art der Solarohre ist sehr wirkungsvoll, jedoch weniger Beständig gegenüber dem Vakuumverlust. Der Grund dafür ist unterschiedliche Wärmeausdehnung von Glas und Metall. Nach einigen Jahren Betrieb kann es zu einem geringen Vakuumverlust kommen, was sich in größeren Wärmeverlusten als die Differenz zwischen erwärmten Absorber und Umgebung niederschlägt.

Typ 3 (Glas-Glas – direkter Durchfluss) die Rohre werden direkt von der Solarflüssigkeit durchströmt. Der wichtigste Nachteil ist die Möglichkeit der Aussickerung der Solarflüssigkeit außerhalb des Kreislaufs, falls das Rohr undicht wird. In dem Fall ist dann die gesamte Anlage zu stoppen und die fehlende Flüssigkeitsmenge zu ergänzen.
 
Vakuumrohr

Vakuumrohre sind das wichtigste Element der Umwandlung von Sonnenenergie in Wärme. Die Vakuumrohre werden seit Jahren in Deutschland, Kanada, Großbritannien und China eingesetzt. Gegenwärtig nutzen die Hersteller von Kollektoren mehrere Vakuumrohrarten. Die beliebteste basiert auf einem doppelten Vakuumglasrohr. Der wichtigste Vorteil dieser Lösung ist die hohe Effektivität und Zuverlässigkeit bei einen relativ niedrigen Herstellungspreis.

Definition der Sonnenkollektoroberfläche in der Solartechnik

Bruttooberfläche: hängt von den Außenmaßen des Kollektors ab.

Absorberoberfläche: die Summe aller Absorberoberflächen, die infolge des Strahleneinfalls auf die Kollektorebene ohne Verschattung entstehen.

Aperturoberfläche: unter dem Begriff der Apertur wird die Oberfläche verstanden, durch die die Sonnenstrahlen in das Innere des Kollektors gelangen. Bei Flachkollektoren ist das die Fläche der Solarglasabdeckung im Licht. Bei Vakuumkollektoren ohne Spiegel gilt die Fläche als Summe der Flächen, die sich aus dem Durchmesser des inneren Vakuumrohres ergeben. Bei Kollektoren mit Spiegel gilt die Aperturoberfläche als die Fläche, die sich aus den Außenmassen des Spiegels ergibt. Im Sonnenkollektor kann keine größere Energiemenge verwertet werden, als diejenige, die in die Aperturoberfläche gelangt.

 
Betriebsarten von Solaranlagen

In den Solaranlagen werden grundsätzlich drei wichtigste Systeme der Wärmeübertragung vom Sonnenkollektor auf den Behälter angewendet. Je nach Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers unterscheiden wir zwischen folgenden Systemen:

High-Flow
Low-Flow
Matched-Flow


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